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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der „MEMS"-(mikro-elektromechanische System)-Bauelemente
und insbesondere ein volloptisches Schalten unter Verwendung von
MEMS-Bauelementen.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Ein
Schalter und Verfahren gemäß der Erfindung
sind wie in den unabhängigen
Ansprüchen
dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Das
Gesamtsystem ist so ausgelegt, dass es eine Invertierung etwaiger
Bilder der MEMS-Bauelemente berücksichtigt.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
beispielhafte Anordnung zum Durchführen des optischen Schaltens
gemäß den Prinzipien
der Erfindung;
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2 eine
Ausführungsform
der Erfindung, bei der nur ein Abbildungssystem eingesetzt werden muss;
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3 eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung, in der nur ein Abbildungssystem eingesetzt werden
muss, und
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4 ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, in dem das System gefaltet ist.
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Ausführliche
Beschreibung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
sei denn, dass dies hier explizit angegeben ist, sind die Zeichnungen
nicht maßstabsgerecht gezeichnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Falls
mehrere Lichtwellenlängen über einen beliebigen
Eingabeport übertragen
werden, so laufen sie alle zusammen durch das System zu dem entsprechenden
Ausgabeport.
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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.
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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.
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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.
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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.