DE60200860T2 - Abbildungssystem für optische MEMS Geräte - Google Patents

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micromirror
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Description

  • Erfindungsgebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der „MEMS"-(mikro-elektromechanische System)-Bauelemente und insbesondere ein volloptisches Schalten unter Verwendung von MEMS-Bauelementen.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Bei einer Lösung für volloptisches Schalten werden zwei MEMS-Bauelemente verwendet, die jeweils ein Array kippbarer Mikrospiegel, z.B. kleiner Spiegel, enthalten, die Licht reflektieren können, was hier jede Strahlung mit der relevanten Wellenlänge bezeichnet, ob im sichtbaren Spektrum oder nicht. Für von einer Eingabequelle, z.B. einer optischen Faser, geliefertes Licht wird ein Lichtweg zu einer Ausgabe, z.B. einer Ausgabefaser, hergestellt, indem das Licht unter Verwendung eines ersten Mikrospiegels am ersten optischen MEMS-Bauelement, wobei der erste Mikrospiegel der Eingabephase zugeordnet ist, auf einen zweiten Mikrospiegel am zweiten optischen MEMS-Bauelement gelenkt wird, das der Ausgabefaser zugeordnet ist. Der zweite Mikrospiegel lenkt dann das Licht in die Ausgabefaser. Jede mit dem System verbundene Faser wird als ein Port des Systems angesehen, wobei die Eingabefasern die Eingabeports und die Ausgabefasern die Ausgabeports sind.
  • Bei der Technik des volloptischen Schaltens mit MEMS-Bauelementen besteht ein Problem darin, dass zur Erhöhung der Anzahl der Ports in dem System, d.h. der Anzahl von Fasern, es notwendig ist, die Anzahl verwendeter Mikrospiegel zu erhöhen, um die Schaltfunktion auszuführen. Im Stand der Technik enthielt, wie oben angemerkt, das erste optische MEMS-Bauelement alle die darauf integrierten ersten Mikrospiegel und das zweite optische MEMS-Bauelement enthielt alle darauf integrierten zweiten Mikrospiegel. Da die Größe des optischen MEMS-Bauelements eine direkte Funktion der Anzahl der Mikrospiegel auf dem optischen MEMS-Bauelement ist und die Anzahl der erforderlichen Mikrospiegel der größten Anzahl von Ports, die in einem volloptischen Schalter zur Verfügung stehen, direkt proportional ist, muss ein größeres optisches MEMS-Bauelement verwendet werden, um die in dem volloptischen Schalter zur Verfügung stehende größte Anzahl von Ports zu erhöhen.
  • Begrenzungen bei der Herstellungskapazität und der großen Bausteingröße haben leider das optische MEMS-Bauelement gegenwärtig effektiv auf 1296 Mikrospiegel begrenzt. Selbst wenn die Größe der Mikrospiegel effektiv geschrumpft werden könnte, besteht zudem weiterhin ein Problem dahingehend, dass Steuersignale zu jedem Mikrospiegel geführt werden müssen. Diese Steuersignale verbrauchen an dem optischen MEMS-Bauelement viel Platz, was somit dazu führen würde, dass das optische MEMS-Bauelement sehr groß ist. Außerdem gibt es Steuersignale für jeden Mikrospiegel, die zu dem optischen MEMS-Bauelement von seinem außerhalb gelegenen Substrat geführt werden müssen. Um diese Verbindungen herzustellen, wird auf dem optischen MEMS-Bauelement zusätzlich viel Platz benötigt.
  • In Folge aller dieser Platzanforderungen ist der optische MEMS-Chip recht groß, weshalb die Anzahl von Mikrospiegeln, die auf einem einzigen optischen MEMS-Bauelement plaziert werden können, wegen der Herstellungskapazitätsgrenzen begrenzt ist. Die Begrenzung hinsichtlich der Anzahl von Mikrospiegeln begrenzt wiederum die Anzahl der Ports eines volloptischen Schalters.
  • Die gegenwärtig verfügbaren Mikrospiegel weisen zudem einen begrenzten effektiven Bereich auf, durch den sie gekippt werden können. Die Begrenzung hinsichtlich des effektiven Bereichs begrenzt zudem die Anzahl der Ports, die bei einem derartige optische MEMS-Bauelemente verwendenden volloptischen Schalter implementiert werden können, da jeder Mikrospiegel am ersten optischen MEMS-Bauelement in der Lage sein muss, auf ihn fallendes Licht zu jedem der Mikrospiegel an dem zweiten optischen MEMS-Bauelement zu lenken. Die Fähigkeit, das Licht derart zu lenken, ist eine Funktion des effektiven Kippbereichs der Mikrospiegel. Mit anderen Worten gestattet ein größerer effektiver Kippwinkel, dass jeder Mikrospiegel sein Licht über einen größeren Bereich lenken kann. Für als ein optischer Schalter angeordnete optische MEMS-Bauelemente wird der größte Kippwinkel für Verbindungen zwischen Mikrospiegeln in den gegenüberliegenden Ecken der optischen MEMS-Bauelemente benötigt. Beispielsweise wird das stärkste Kippen von einem Mikrospiegel rechts oben am ersten MEMS-Bauelement benötigt, der sein Licht zu einem Mikrospiegel links unten am zweiten MEMS-Bauelement lenken muss. Die Größe des Mikrospiegelarrays, das in einem optischen Schalter verwendet werden kann, ist somit durch den effektiven Kippbereich seiner optischen MEMS-Bauelemente begrenzt.
  • Wenngleich der erforderliche Kippwinkel verringert würde, wenn der Abstand zwischen den beiden optischen MEMS-Bauelementen vergrößert wird, was die Verwendung von größeren Mikrospiegelarrays gestatten würde, ohne dass der effektive Kippbereich der Mikrospiegel geändert wird, ist dieser Vorgang mit dem Nachteil verbunden, dass er die Strahlbeugung vergrößert, was somit die Verwendung eines Mikrospiegels mit einem größeren Durchmesser erfordert oder zu einem Verlust eines Teils des Lichts führt. Da die Verwendung eines größeren Mikrospiegels mit der vorliegenden Technologie zusätzlichen Platz erfordert, wird dadurch der Abstand zwischen den Mikrospiegeln an dem optischen MEMS-Bauelement vergrößert, was die Größe des optischen MEMS-Bauelements für die gleiche Anzahl von Mikrospiegeln weiter erhöht. In Folge der Zunahme der Größe des optischen MEMS-Bauelements wird ein größerer Kippwinkel benötigt, um die gegenüberliegenden Ecken der gegenüberliegenden optischen MEMS-Bauelemente zu koppeln. Ein zusätzlicher Abstand der gegenüberliegenden optischen MEMS-Bauelemente hilft somit im Wesentlichen auf Grund des begrenzten verfügbaren Kippwinkels nicht, die Anzahl der Ports zu erhöhen.
  • Aus CA-A-2 325 611 ist ein optischer Schalter bekannt, der ein erstes und ein zweites MEMS-Bauelement und eine zwischen dem ersten und zweiten MEMS-Bauelement angeordnete bikonvexe Linse enthält, um Licht von jedem Spiegel des ersten MEMS-Bauelements je nach der Richtung, in der das Licht den Spiegel des ersten MEMS-Bauelements verlässt, zu dem einen oder anderen der Spiegel des zweiten optischen MEMS-Bauelements zu lenken.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Ein Schalter und Verfahren gemäß der Erfindung sind wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
  • Kurze Darstellung der Erfindung
  • Es wurde erkannt, dass die Begrenzungen hinsichtlich der Anzahl von Ports in einem volloptischen Schalter auf Grund der Einschränkungen hinsichtlich der Größe und/oder des effektiven Kippbereichs der optischen MEMS-Bauelemente überwunden werden können, wenn ein ausreichend großes Mikrospiegelarray konstruiert werden kann, aber der verfügbare Kippwinkel nicht ausreicht, so dass nicht alle Mikrospiegel miteinander gekoppelt werden können, indem zumindest ein Teil eines der optischen MEMS-Bauelemente zu einem anderen Ort, an dem ein zweites optisches MEMS-Bauelement angeordnet ist, so abgebildet wird, dass die Kippwinkel von mindestens einem Mikrospiegel jedes des ersten und zweiten optischen Bauelements effektiv kombiniert werden. Bei einer Ausführungsform des Systems reproduziert das Abbildungssystem den Reflexionswinkel des Lichts vom ersten Mikrospiegel, was über ein telezentrisches System erreicht werden kann, das auch als ein 4 f-System bekannt ist. Die physische Größe der Anordnung kann durch Kompaktieren des Lichtwegs reduziert werden, indem z.B. entsprechende konventionelle Spiegel verwendet und/oder gefaltete Anordnungen eingesetzt werden, d.h. Anordnungen, bei denen nur eine MEMS-Bauelementstufe vorliegt, die durch die Verwendung von mindestens einem konventionellen Spiegel die doppelte Aufgabe sowohl für die Eingabe als auch die Ausgabe erfüllt.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird, um einen optischen Schalter mit einem größeren offensichtlichen Kippwinkel zu erzeugen, ein erstes optisches MEMS-Eingabebauelement mit einem telezentrischen System so auf ein zweites optisches MEMS-Eingabebauelement abgebildet, dass sich die Reflexionswinkel addieren. Das vom zweiten optischen MEMS-Eingabebauelement reflektierte Licht wird dann an mindestens ein drittes MEMS-Ausgabebauelement geliefert. Das dritte MEMS-Ausgabebauelement kann wiederum von einem telezentrischen System auf ein viertes MEMS-Ausgabebauelement abgebildet werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann man ein gefaltetes System mit nur zwei MEMS-Bauelementen erreichen. Die Ports des ersten MEMS-Bauelements sind zwischen Eingabe- und Ausgabeports zugeordnet. Das erste MEMS-Bauelement wird unter Verwendung eines telezentrischen Systems auf ein zweites MEMS-Bauelement abgebildet, so dass sich die Reflexionswinkel addieren. Das Licht vom zweiten MEMS-Bauelement wird von einem herkömmlichen Spiegel zum zweiten MEMS-Bauelemente zurückgeworfen. Der kombinierte Winkel der Mikrospiegel, die das Licht reflektierten, bestimmt, welcher Spiegel das Licht empfängt, nachdem es vom herkömmlichen Spiegel zurückgeworfen worden ist. Der Mikrospiegel, der das Licht empfängt, nachdem es von dem herkömmlichen Spiegel zurückgeworfen worden ist, gibt wiederum das Licht durch das Abbildungssystem an das erste MEMS-Bauelement zurück, und der Mikrospiegel daran, zu dem es gelenkt wird, lenkt das Licht zu einem Ausgabeport. Wiederum sind die Reflexionswinkel zwischen dem zweiten und ersten Mikrospiegel additiv.
  • Das Gesamtsystem ist so ausgelegt, dass es eine Invertierung etwaiger Bilder der MEMS-Bauelemente berücksichtigt.
  • Eine Vergrößerung des effektiven Winkels ermöglicht vorteilhafterweise eine volle Konnektivität zwischen allen verfügbaren Eingabe- und Ausgabeports eines Schalters, der aus MEMS-Bauelementen mit Mikrospiegelarrays hergestellt ist, die so groß sind, dass ansonsten nicht alle der Mikrospiegel am MEMS-Eingabebauelement auf andere Weise unter Verwendung des grundlegenden Kippwinkels des MEMS-Bauelements an all die Mikrospiegel des MEMS-Ausgabebauelements gekoppelt werden könnten.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In der Zeichnung zeigen:
  • 1 eine beispielhafte Anordnung zum Durchführen des optischen Schaltens gemäß den Prinzipien der Erfindung;
  • 2 eine Ausführungsform der Erfindung, bei der nur ein Abbildungssystem eingesetzt werden muss;
  • 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der nur ein Abbildungssystem eingesetzt werden muss, und
  • 4 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, in dem das System gefaltet ist.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Der folgende Text veranschaulicht lediglich die Prinzipien der Erfindung. Es versteht sich somit, dass der Fachmann in der Lage ist, sich verschiedene Anordnungen auszudenken, die zwar hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, so doch die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Schutzbereichs enthalten sind. Zudem sind alle hier aufgeführten Beispiele und bedingte Sprachen im Grunde ausdrücklich nur für pädagogische Zwecke bestimmt, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien und der Konzepte zu helfen, die von dem/den Erfindern beigetragen werden, und zum Fortschritt in der Technik beizutragen, und sind so auszulegen, dass sie sich nicht auf derartige spezifisch angeführte Beispiele und Bedingungen beschränken. Zudem sollen alle Äußerungen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung anführen sowie spezifische Beispiele dafür, sowohl strukturelle als auch funktionelle Äquivalente davon umfassen. Außerdem sollen derartige Äquivalente sowohl gegenwärtig bekannte Äquivalente sowie in der Zukunft entwickelte Äquivalente beinhalten, d.h. alle Elemente, die entwickelt wurden und die unabhängig von der Struktur die gleiche Funktion ausführen.
  • So wird der Fachmann beispielsweise verstehen, dass Blockschaltbilder hier konzeptuelle Ansichten von die Prinzipien der Erfindung verkörpernden veranschaulichenden Schaltungen darstellen. Analog ist zu verstehen, dass etwaige Flussbilder, Flussdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocodes und dergleichen verschiedene Prozesse darstellen, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium dargestellt und so von einem Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ob ein derartiger Computer oder Prozessor nun explizit gezeigt ist oder nicht.
  • Die Funktionen der in den Figuren gezeigten verschiedenen Elemente, einschließlich etwaiger als „Prozessoren" gekennzeichnete Funktionsblöcke, können durch die Verwendung von eigener Hardware sowie von Hardware, die in der Lage ist, Software in Verbindung mit entsprechender Software auszuführen, bereitgestellt werden. Bei Bereitstellung durch einen Prozessor können die Funktionen durch einen einzigen eigenen Prozessor, durch einen einzigen gemeinsamen Prozessor oder durch mehrere individuelle Prozessoren, von denen einige gemeinsam sein können, bereitgestellt werden. Außerdem sollte die explizite Verwendung des Ausdrucks „Prozessor" oder „Controller" nicht so ausgelegt werden, dass sich diese ausschließlich auf Hardware bezieht, die Software ausführen kann, und kann implizit ohne Beschränkung digitale Signalprozessorhardware (DSP), einen Netzprozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein freiprogrammierbares Gate Array (FPGA), einen Festwertspeicher (ROM) zum Speichern von Software, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) und eine nichtflüchtige Speicherung beinhalten. Es kann auch andere Hardware, konventioneller oder kundenspezifischer Art enthalten sein. Analog sind in den Figuren gezeigte etwaige Schalter nur konzeptionell. Ihre Funktion kann durch die Operation von Programmierlogik, durch eigene Logik, durch die Wechselwirkung von Programmsteuerung und eigener Logik oder sogar manuell durchgeführt werden, wobei die jeweilige Technik von dem Implementierer ausgewählt werden kann, wie aus dem Kontext spezifischer zu verstehen ist.
  • In den vorliegenden Ansprüchen soll jedes Element, das als ein Mittel zum Ausführen einer spezifischen Funktion ausgedrückt ist, alle Möglichkeiten umfassen zum Ausführen dieser Funktion, einschließlich beispielsweise a) einer Kombination von Schaltungselementen, die diese Funktion ausführt, oder b) Software in jeder Form, einschließlich deshalb Firmware, Mikrocode oder dergleichen, in Kombination mit entsprechenden Schaltungen zum Ausführen dieser Software, um diese Funktion durchzuführen. Die durch diese Ansprüche definierte Erfindung liegt in der Tatsache, dass die von den verschiedenen angeführten Mitteln bereitgestellten Funktionalitäten kombiniert und auf die Weise zusammengebracht werden, zu der die Ansprüche auffordern. Die Anmelderin betrachtet deshalb jedes Mittel, das diese Funktionalitäten bereitstellen kann, als das hier gezeigten Äquivalent.
  • Softwaremodule, oder einfach Module, die als Software impliziert sind, können hier als eine beliebige Kombination aus Flussdiagrammelementen oder anderen Elementen, die Ausführung von Prozessschritten angeben, und/oder eine textliche Beschreibung dargestellt werden. Derartige Module können durch Hardware ausgeführt werden, was ausdrücklich oder implizit gezeigt ist.
  • Es sei denn, dass dies hier explizit angegeben ist, sind die Zeichnungen nicht maßstabsgerecht gezeichnet.
  • Es sei denn, es ist hier etwas Anderes ausdrücklich angegeben, ist außerdem jede hier gezeigte und/oder beschriebene Linse tatsächlich ein optisches System mit den besonderen spezifizierten Eigenschaften dieser Linse. Ein derartiges optisches System kann durch ein einziges Linsenelement implementiert werden, ist aber nicht notwendigerweise darauf beschränkt. Wenn analog ein Spiegel gezeigt und/oder beschrieben ist, dann ist das, was tatsächlich gezeigt und/oder beschrieben ist, ein optisches System mit den spezifizierten Eigenschaften eines derartigen Spiegels, was durch ein einziges Spiegelelement implementiert werden kann, was aber nicht notwendigerweise auf ein einziges Spiegelelement beschränkt ist, weil, wie in der Technik bekannt, verschiedene optische Systeme die gleiche Funktionalität eines einzigen Linsenelements oder Spiegel, aber auf hervorragende Weise, z.B. mit weniger Verzerrung, bereitstellen können. Wie in der Technik wohlbekannt ist, kann zudem die Funktionalität eines gekrümmten Spiegels über eine Kombination von Linsen und Spiegeln und umgekehrt realisiert werden. Außerdem kann jede Anordnung optischer Komponenten, die eine spezifizierte Funktion erfüllen, z.B. ein Abbildungssystem, Gitter, beschichtete Elemente und Prismen, durch eine beliebige andere Anordnung aus optischen Komponenten ersetzt werden, die die gleiche spezifizierte Funktion erfüllen. Es sei denn, dies wird ausdrücklich hier spezifiziert, sind alle optischen Elemente oder Systeme, die in der Lage sind, eine spezifische Funktion innerhalb einer hier offenbarten Gesamtausführungsform bereitzustellen, zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung zueinander äquivalent.
  • Der Ausdruck MEMS-Bauelement (mikro-elektromechanische Systeme), wie er hier verwendet wird, soll ein ganzes MEMS-Bauelement oder einen beliebigen Teil davon bezeichnen. Falls ein Teil eines MEMS-Bauelements inoperativ ist oder falls ein Teil eines MEMS-Bauelements verdeckt ist, wird somit ein derartiges MEMS-Bauelement dennoch zu Zwecken der vorliegenden Offenbarung als ein MEMS-Bauelement betrachtet.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Anordnung zum Durchführen optischen Schaltens gemäß den Prinzipien der Erfindung. 1 zeigt: a) ein Eingabefaserbündel 101, b) eine Eingabemikrolinsenarray 103, c) ein erstes Eingabe-MEMS-Bauelement 105, d) eine Linse 107, e) eine Linse 109, f) ein zweites Eingabe-MEMS-Bauelement 111, g) eine Feldlinse 113, h) ein erstes Ausgabe-MEMS-Bauelement 115, i) eine Linse 117, j) eine Linse 119, k) ein zweites Ausgabe-MEMS-Bauelement 121, l) ein Ausgabemikrolinsenarray 123 und m) ein Ausgabefaserbündel 125.
  • Das Eingabefaserbündel 101 liefert zu schaltende optische Signale. Genauer gesagt ist jede Faser des Eingabefaserbündels 101 ein Eingabeport zu dem Schaltsystem von 1. Das von jeder Faser des Faserbündels 101 gelieferte Licht läuft durch eine jeweilige entsprechende Mikrolinse, die Teil des Mikrolinsenarrays 103 ist. Die Funktion jeder Mikrolinse besteht darin, den von ihrer jeweiligen zugeordneten Eingabefaser gelieferten Lichtstrahl zu kollimieren. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann, anstatt ein separates Mikrolinsenarray zu verwenden, eine Linse mit jeder Faser des Faserbündels 101 in einer einen Kollimator bildenden Anordnung integriert sein.
  • Die von dem Mikrolinsenarray 103 kommenden Lichtstrahlen fallen auf einen jeweiligen Mikrospiegel des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 105. Jeder Mikrospiegel des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 105 ist so eingestellt, dass er den auf ihn einfallenden Lichtstrahl unter einem jeweiligen vorgeschriebenen Winkel reflektiert. Der jeweilige vorgeschriebene Winkel ist so ausgewählt, dass man in Kombination mit dem Winkel eines entsprechenden jeweiligen Mikrospiegels des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 einen Gesamtsollwinkel erhält. Falls es mehr als eine Kombination von Winkeln gibt, die verwendet werden kann, um den Gesamtsollwinkel zu erhalten, werden bei einer Ausführungsform der Erfindung die Mindestwinkel für jeden Mikrospiegel verwendet, da bei Verwendung aktueller elektrostatischer Winkelsteuertechnologie die Funktion des Kippens bei einer gegebenen bestimmten Steuerspannung sehr nicht-linear ist. Wenn ein geringeres Kippen erfordert wird, erhält man somit im Allgemeinen ein präziseres Erreichen des Sollwinkels.
  • Nach dem Wegreflektieren von seinen jeweiligen Mikrospiegeln verläuft jeder Lichtstrahl durch die Linse 107, und dann die Linse 109 zu einem jeweiligen Mikrospiegel des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111. Die Linse 107 und die Linse 109 sind so angeordnet, dass sie ein Abbildungssystem formen. Das Abbildungssystem ist so angeordnet, dass die Winkel jedes Mikrospiegels des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 105 mit einem entsprechenden jeweiligen Mikrospiegel des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 kombiniert. Man beachte, dass zwar zwei Linsen gezeigt sind, die das Abbildungssystem ausmachen, dies nur aus pädagogischen und Klarheitsgründen der Fall ist. Der Fachmann erkennt ohne Weiteres, dass jedes Abbildungssystem, d.h. ein System, das eine oder mehrere Linsen verwendet, eingesetzt werden kann.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das durch die Linsen 107 und 109 geformte Abbildungssystem ein auch als 4 f-System bekanntes telezentrisches System. Indem ein telezentrisches System verwendet wird, wobei solche Systeme in der Technik wohlbekannt sind, wird der Reflexionswinkel des Lichts jedes Strahls vom ersten Eingabe-MEMS-Bauelement 105 reproduziert, wenn dieses Licht das zweite Eingabe-MEMS-Bauelement 111 erreicht, so dass die Kippwinkel jedes des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 105 und der jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 kombiniert werden. Man beachte, dass, da das telezentrische System invertieren kann, sich die jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 möglicherweise nicht an der genau gleichen Stelle befinden, an der sie sich im ersten MEMS-Bauelement 105 befinden.
  • Angesichts des verwendeten bestimmten Abbildungssystems ist es erforderlich, die angemessenen Winkel für jeden jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel zu bestimmen, um die kombinierte Mikrospiegelneigung zu erzielen. Der Durchschnitts-Fachmann wird in der Lage sein, die erforderlichen Steueralgorithmen als eine Funktion des bestimmten Abbildungssystems zu entwickeln, das er zur Verwendung auswählt. Bei der ein telezentrisches Abbildungssystem verwendenden Ausführungsform der Erfindung sind die Winkel direkt additiv.
  • Man beachte, dass das Abbildungssystem auch die Größe des Bilds im Vergleich zu dem Original ändern kann. Dies würde gestatten, dass die Mikrospiegel des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 eine andere Größe aufweisen als die des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 105, und auch gestatten, dass der Mikrospiegelabstand des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 ein anderer ist als der des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 105. Es ist zudem möglich, optische Teile z.B. zwischen den Linsen 107 und 109 zu verwenden, um mehrere Signalwege durch das System herzustellen, um z.B. eine Multicast-, Broadcast-, Überwachungs-, Schutz- und Wiederherstellungsfunktionen zu implementieren. Vorteilhafterweise erhält man beim Systemdesign große Flexibilität.
  • Nach dem Zurückreflektieren von den jeweiligen Mikrospiegeln des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 111 läuft das Licht auf seinem Weg zum ersten Ausgabe-MEMS-Bauelement 115 durch die fakultative Feldlinse 113. Die fakultative Feldlinse übersetzt den Winkel, unter dem das Licht auf jeden Mikrospiegel fällt, in eine Position, zu der das Licht gelenkt wird. Dadurch können alle Kombinationen von Eingabemikrospiegeln homogenisiert werden, da alle Kombinationen von Mikrospiegeln mit der gleichen Gesamtneigung ihr Licht zu der gleichen Position lenken. Außerdem refokussiert die Feldlinse jeden der durch ihn hindurchtretenden Lichtstrahlen, wodurch Verlust reduziert wird.
  • Die von jeder Feldlinse 113 kommenden Lichtstrahlen fällt jeweils auf einen jeweiligen Mikrospiegel des ersten Ausgabe-MEMS-Bauelements 115. Jeder Mikrospiegel des ersten Ausgabe-MEMS-Bauelements 115 ist so eingestellt, dass er den auf ihn einfallenden Lichtstrahl unter einem jeweiligen vorgeschriebenen Winkel reflektiert. Der jeweilige vorgeschriebene Winkel ist so gewählt, dass man in Kombination mit dem Winkel eines entsprechenden jeweiligen Mikrospiegels des zweiten Ausgabe-MEMS-Bauelements 121 einen Gesamtsollwinkel erhält. Falls es mehr als eine Kombination von Winkeln gibt, die man verwenden kann, um den Gesamtsollwinkel zu erhalten, dann werden bei einer Ausführungsform der Erfindung die Mindestwinkel für jeden Mikrospiegel verwendet, und zwar aus dem gleichen Grund, der oben bezüglich der Eingabe-MEMS-Bauelemente angegeben ist.
  • Nach dem Wegreflektieren von seinem jeweiligen Mikrospiegel läuft jeder Lichtstrahl durch die Linse 117, dann die Linse 119 zu einem jeweiligen Mikrospiegel des zweiten Ausgabe-MEMS-Bauelements 121. Analog zu der Linse 107 und 109 sind die Linse 117 und die Linse 119 so angeordnet, dass sie ein Abbildungssystem formen. Das Abbildungssystem ist so angeordnet, dass die Winkel jedes Mikrospiegels des ersten Ausgabe-MEMS-Bauelements 115 mit einem entsprechenden jeweiligen Mikrospiegel des zweiten Ausgabe-MEMS-Bauelements 121 kombiniert. Wie bereits in Verbindung mit den Linsen des Eingabe-Abbildungssystems angedeutet, werden zwar zwei Linsen gezeigt, die das Abbildungssystem bilden, doch ist dies nur zu pädagogischen und Verdeutlichungszwecken. Der Durchschnitts-Fachmann erkennt ohne Weiteres, dass jedes Abbildungssystem, z.B. ein System, das eine oder mehrere Linsen verwendet, eingesetzt werden kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist das durch die Linsen 115 und 119 geformte Abbildungssystem ein telezentrisches System.
  • Indem ein telezentrisches System verwendet wird, wobei solche Systeme in der Technik wohlbekannt sind, wird der Reflexionswinkel des Lichts jedes Strahls vom ersten Ausgabe-MEMS-Bauelement 115 reproduziert, wenn dieses Licht das zweite Ausgabe-MEMS-Bauelement 121 erreicht, so dass die Neigungswinkel jedes des ersten Ausgabe-MEMS-Bauelements 115 und der jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel des zweiten Ausgabe-MEMS-Bauelements 121 kombiniert werden. Man beachte, dass, da das telezentrische System invertieren kann, sich die jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel des zweiten Ausgabe-MEMS-Bauelements 121 möglicherweise nicht an der genau gleichen Stelle befinden, an der sie sich im ersten MEMS-Bauelement 115 befinden.
  • Angesichts des verwendeten bestimmten Abbildungssystems ist es erforderlich, die angemessenen Winkel für jeden jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel zu bestimmen, um die kombinierte Mikrospiegelneigung zu erzielen. Der Durchschnitts-Fachmann wird in der Lage sein, die erforderlichen Steueralgorithmen als eine Funktion des bestimmten Abbildungssystems zu entwickeln, das er zur Verwendung auswählt. Bei der ein telezentrisches Abbildungssystem verwendenden Ausführungsform der Erfindung sind die Winkel direkt additiv.
  • Man beachte, dass das Abbildungssystem auf die Größe des Bilds im Vergleich zu dem Original ändern kann. Dies würde gestatten, dass die Mikrospiegel des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 121 eine andere Größe aufweisen als die des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 115, und auch gestatten, dass der Mikrospiegelabstand des zweiten Eingabe-MEMS-Bauelements 121 ein anderer ist als der des ersten Eingabe-MEMS-Bauelements 115. Es ist zudem möglich, optische Teile z.B. zwischen den Linsen 117 und 119 zu verwenden, um mehrere Signalwege durch das System herzustellen, um z.B. eine Multicast-, Broadcast-, Überwachungs-, Schutz- und Wiederherstellungsfunktionen zu implementieren. Vorteilhafterweise erhält man beim Systemdesign große Flexibilität.
  • Die von jedem Mikrospiegel des zweiten Ausgabe-MEMS-Bauelements 121 kommenden Lichtstrahlen läuft durch einen jeweiligen Mikrospiegel des Mikrolinsenarrays 123. Die Funktion jeder Mikrolinse besteht darin, den Lichtstrahl in eine jeweilige zugeordnete Ausgabefaser zu koppeln. Bei alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann, statt ein separates Mikrolinsenarray zu verwenden, eine Linse in jede Ausgabefaser des Faserbündels 125 in eine einen Kollimator bildenden Anordnung integriert sein. Das Licht von jeder Mikrolinse des Mikrolinsenarrays 123 läuft dann in das jeweilige Ausgabefaserbündel, das der Mikrolinse zugeordnet ist.
  • Man beachte, dass bei einigen Ausführungsformen der Erfindung nur ein Abbildungssystem verwendet werden muss. Bei derartigen Ausführungsformen kann das Abbildungssystem möglicherweise nur für die Eingabe oder nur für die Ausgabe verwendet werden. Eine derartige Ausführungsform ist in 2 gezeigt, die die gleiche grundlegende Anordnung wie 1 ist, bei der aber das Ausgabe-Abbildungssystem, das aus Linsen 117 und 119 besteht, entfällt. Das zweite Ausgabe-MEMS-Bauelement 121 von 1 wird nicht benötigt und die ganze Ausgabeschaltfunktion wird von dem ersten Ausgabe-MEMS-Bauelement 115 ausgeführt. Analog zeigt 3 eine Ausführungsform der Erfindung wie 1, bei der aber das aus den Linsen 107 und 109 bestehende Eingabe-Abbildungssystem entfällt. Das zweite Eingabe-MEMS-Bauelement 111 von 1 wird nicht benötigt und die ganze Eingabeschaltfunktion wird von dem ersten Eingabe-MEMS-Bauelement 105 ausgeführt.
  • Derartige Ausführungsformen sind besonders nützlich, wenn die Anzahl der Eingabeports und die Anzahl der Ausgabeports nicht gleich ist, weil sie die Verwendung eines MEMS-Bauelemente mit einer kleineren Anzahl von Spiegeln und eines Abbildungssystems mit einem MEMS-Bauelement mit einer größeren Anzahl von Spiegeln ohne das Abbildungssystem derart gestatten, dass, wenn beide Eingabe- und Ausgabe-MEMS-Bauelemente alleine ohne irgendein Abbildungssystem und mit der gleichen Größe wie das größere MEMS-Bauelement verwendet worden wären, jeder mögliche Spiegel an dem gegenüberliegenden MEMS-Bauelement nicht adressiert werden könnte. Indem das Abbildungssystem verwendet wird, sind jedoch die kleineren MEMS-Bauelemente zusammen in der Lage, einen größeren Neigungswinkel zu erreichen, wodurch alle Mikrospiegelpositionen auf der Eingabe- und Ausgabeseite einander in jeder Kombination adressieren können.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist eines des MEMS-Bauelements eines beliebigen Paars, d.h. zwei optischgekoppelte MEMS-Bauelemente, um ihre Neigung zu addieren, z.B. ein Eingabepaar oder ein Ausgabepaar, so angeordnet, dass es entweder flach oder maximal um eine seine Neigungsachsen geneigt ist. Bei einer derartigen Anordnung kommt die Feinsteuerung von seinem gepaarten Spiegel, während der begrenzt gesteuerte Spiegel im Wesentlichen wie ein Booster wirkt. Man beachte, dass, wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres erkennt, jeder entsprechende Mikrospiegel eines Paars so angeordnet sein kann, dass er effektiv anders zu der durch das Paar bewirkten Gesamtwinkeländerung des Strahls beiträgt. Zudem kann das Abbildungssystem zwischen dem Eingabepaar oder Ausgabepaar so angeordnet sein, dass selbst bei der gleichen Änderung bei der Spiegelneigung man einen anderen effektiven Beitrag für jeden Mikrospiegel eines Paars erzielt.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist jeder Spiegel eines Paars von Spiegeln im Wesentlichen auf das Kippen nur um eine Kippachse beschränkt. Die Achse, um die die Spiegel des ersten MEMS-Bauelements kippen können, verläuft im Wesentlichen orthogonal zu der Achse des zweiten MEMS-Bauelements. Durch eine derartige Anordnung kann die Anzahl elektrischer Verbindungen an dem Baustein um die Hälfte reduziert werden, wodurch eine größere Anzahl von Spiegeln auf einem Substrat gleicher Größe konstruiert werden kann. Außerdem kann ein Kardanring, der verwendet wird, um jedem der Spiegel zwei Neigungsachsen zu geben, entfallen. Der Platz des Kardanrings kann dann zum Formen von größeren Mikrospiegeln zurückgewonnen werden. Zudem können außerdem die Aktivierungsspannungen des Spiegels reduziert werden, da zum Anlegen der Aktivierungsspannungen ein größerer Flächeninhalt zur Verfügung steht. Falls nicht gewünscht wird, die Aktivierungsspannungen zu senken, kann der Winkel, mit dem sich der Mikrospiegel um seine eine Kippachse kippen kann, im Vergleich zu einem Spiegel, der um zwei Kippachsen kippt, vergrößert werden, da es möglich ist, die Entfernung zwischen den Elektroden und dem Mikrospiegel zu vergrößern, während die gleiche Aktivierungsspannung bei gegebener größerer Elektrodengröße verwendet wird.
  • Falls mehrere Lichtwellenlängen über einen beliebigen Eingabeport übertragen werden, so laufen sie alle zusammen durch das System zu dem entsprechenden Ausgabeport.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem das System gefaltet ist. Dazu enthält das Faserbündel 401 sowohl Eingabe- als auch Ausgabefasern, so dass das Faserbündel 401 sowohl als Eingabe- als auch Ausgabeports dient. Licht von den Eingabefasern laufen durch eine jeweilige zugeordnete Mikrolinse des Mikrolinsenarrays 403. Das Licht wird von einem entsprechenden zugeordneten Mikrospiegel des ersten MEMS-Bauelements 405 wegreflektiert und läuft durch ein Abbildungssystem, das aus den Linsen 407 und 409 in 4 besteht. Wie oben angemerkt, werden zwar zwei Linsen gezeigt, die das Abbildungssystem ausmachen, doch ist dies nur zu pädagogischen und Klarheitsgründen. Der Durchschnittsfachmann versteht ohne weiteres, dass ein beliebiges Abbildungssystem, z.B. ein System, das eine oder mehrere Linsen verwendet, verwendet werden kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein telezentrisches System als das Abbildungssystem verwendet.
  • Die Lichtstrahlen von dem Abbildungssystem werden von einem jeweiligen Mikrospiegel des zweiten MEMS-Bauelements 411 zu einem Spiegel 413 reflektiert. Der Spiegel 413 ist ein herkömmlicher Spiegel, der flach sein kann, wobei er als ein planarer Spiegel fungiert, oder er kann gekrümmt sein, um die Funktion einzuarbeiten, die zuvor von der Feldlinse ausgeführt wurde. Die Lichtstrahlen werden vom Spiegel 413 als rückkehrende Strahlen zum MEMS-Bauelement 411 zurückreflektiert, die jeweils beim MEMS-Bauelement 411 auf einen seiner Mikrospiegel auftreffen. In der Regel treffen die zurückkehrenden Strahlen auf einen anderen Mikrospiegel auf als dem Mikrospiegel, der sie anfänglich zum Spiegel 413 reflektierte, doch ist dies keine Anforderung, und für jeden Eingabelichtstrahl kann der zurückkehrende Strahl tatsächlich den gleichen Mikrospiegel auftreffen, von dem er zum Spiegel 413 reflektiert wurde. Dadurch kann jede Faser in dem Faserbündel mit jeder anderen Faser im Faserbündel, einschließlich sich selbst, verbunden werden.
  • Jeder zurückkehrende Lichtstrahl läuft dann durch das Abbildungssystem zum ersten MEMS-Bauelement 405, wo er durch den jeweiligen entsprechenden Mikrospiegel des ersten MEMS-Bauelements 405 zur Faser des Faserbündels 401 reflektiert wird, die als der Ausgabeport für den Strahl dienen soll. Nachdem er vom Mikrospiegel reflektiert worden ist, aber bevor er in die Faser eintritt, läuft der Strahl durch die Mikrolinse des Mikrolinsenarrays 403, die der Faser zugeordnet ist, die als der Ausgabeport für den Strahl wirkt.
  • Man beachte, dass die Lichtstrahlen, anstatt dass sie von optischen Fasern geliefert werden, von einer optischen Quelle wie z.B. einem Laser oder einer Leuchtdiode, planaren Wellenleitern oder dergleichen geliefert werden können. Analog dazu könnten die Lichtstrahlen, anstatt dass optische Fasern sie als Ausgaben empfangen, stattdessen von anderen Empfängern wie etwa Photodetektoren, planaren Wellenleitern oder dergleichen empfangen werden könnten.

Claims (13)

  1. Optischer Schalter, der folgendes umfaßt: ein erstes „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121, 405, 411), das eine erste Anzahl Mikrospiegel enthält; ein zweites „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121, 405, 411), das eine zweite Anzahl Mikrospiegel enthält; und ein optisches System (107, 109, 117, 119, 407, 409), das optisch zwischen das erste MEMS-Bauelement und das zweite MEMS-Bauelement gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß: das optische System ein erstes Abbildungssystem ist, das so ausgelegt ist, daß es ein Bild jedes der Mikrospiegel des ersten MEMS-Bauelements auf einem entsprechenden Mikrospiegel des zweiten MEMS-Bauelements erzeugt; wodurch mindestens einer der Mikrospiegel des ersten MEMS-Bauelements mit mindestens einem der Mikrospiegel des zweiten MEMS-Bauelements derart gruppiert ist, daß der Reflexionswinkel von dem mindestens einen gruppierten Mikrospiegel des ersten MEMS-Bauelements und der Reflexionswinkel von dem mindestens einen gruppierten Mikrospiegel des zweiten MEMS-Bauelements zusammen einen effektiven Gesamtwinkel für die Gruppe erzeugen.
  2. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das erste Abbildungssystem einen Reflexionswinkel des Lichts von jedem der Mikrospiegel des ersten MEMS-Bauelements reproduziert.
  3. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei der effektive Gesamtwinkel für die Gruppe eine Summe des Reflexionswinkels von jedem der Mikrospiegel der Gruppe ist.
  4. Optischer Schalter nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Feldlinse (113) zum Empfangen von von dem zweiten MEMS-Bauelement reflektierendem Licht.
  5. Optischer Schalter nach Anspruch 1, weiterhin mit einer Feldlinse (113), durch die Licht hindurchfällt, bevor es auf das erste MEMS-Bauelement fällt.
  6. Optischer Schalter nach Anspruch 1, weiterhin mit einem Spiegel (411) zum Empfangen von von dem zweiten MEMS-Bauelement reflektiertem Licht und Zurückreflektieren des Lichts zum zweiten MEMS-Bauelement.
  7. Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das Abbildungssystem ein telezentrisches System ist.
  8. Optischer Schalter nach Anspruch 1, der weiterhin folgendes umfaßt: ein drittes „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121), das eine dritte Anzahl Mikrospiegel enthält; ein viertes „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121), das eine vierte Anzahl Mikrospiegel enthält; und ein zweites Abbildungssystem (107, 109, 117, 119, 407, 409), das optisch an das dritte MEMS-Bauelement gekoppelt ist, um ein Bild jedes der Mikrospiegel des dritten MEMS-Bauelements auf einem entsprechenden Mikrospiegel des vierten MEMS-Bauelements zu erzeugen; wodurch mindestens einer der Mikrospiegel des dritten MEMS-Bauelements mit mindestens einem der Mikrospiegel des vierten MEMS-Bauelements derart gruppiert ist, dass der Reflexionswinkel von dem mindestens einen gruppierten Mikrospiegel des dritten MEMS-Bauelements und der Reflexionswinkel von dem mindestens einen gruppierten Mikrospiegel des vierten MEMS-Bauelements zusammen einen effektiven Gesamtwinkel und das dritte und vierte MEMS-Bauelement erzeugen.
  9. Optischer Schalter nach Anspruch 1, der weiterhin folgendes umfaßt: ein drittes „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121), das eine dritte Anzahl Mikrospiegel des dritten MEMS-Bauelements reflektiertes Licht an das erste MEMS-Bauelement gekoppelt wird.
  10. Optischer Schalter nach Anspruch 1, der weiterhin folgendes umfaßt: ein drittes „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121), das eine dritte Anzahl Mikrospiegel enthält; und wobei von den Mikrospiegeln des zweiten MEMS-Bauelements reflektiertes Licht an das dritte MEMS-Bauelement gekoppelt wird.
  11. Verfahren zum Betreiben eines optischen Schalters, der ein erstes „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121, 405, 411), das eine erste Anzahl von Mikrospiegeln enthält, und ein zweites „MEMS"-(mikro-elektromechanisches System)-Bauelement (105, 111, 115, 121, 405, 411), das eine zweite Anzahl von Mikrospiegeln enthält, enthält, gekennzeichnet durch: Abbilden jedes der ersten Anzahl von Mikrospiegeln des ersten optischen MEMS-Bauelements auf einen entsprechenden Mikrospiegel unter der zweiten Anzahl von Mikrospiegeln des zweiten optischen MEMS-Bauelements, so daß der Reflexionswinkel von mindestens einem Mikrospiegel des ersten optischen MEMS-Bauelements zusammen einen effektiven Gesamtwinkel erzeugen, wenn mindestens ein Mikrospiegel des ersten optischen MEMS-Bauelements und mindestens ein Mikrospiegel des zweiten MEMS- Bauelements als eine Gruppe angesehen werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin mit dem Schritt des Lenkens von Licht vom zweiten optischen MEMS-Bauelement durch eine Feldlinse (113).
  13. Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin mit dem Schritt des Empfangens von Licht von einer Feldlinse des ersten optischen MEMS-Bauelements.
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