DE60214031T2

DE60214031T2 - Optischer schalter mit einem beweglichen holographischen optischen element

Info

Publication number: DE60214031T2
Application number: DE60214031T
Authority: DE
Inventors: L. Roger Hackensack FRICK; R. Charles Eden Prairie WILLCOX
Original assignee: Rosemount Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: AU2002308501A1; EP1451628B9; WO2003007051A3; EP1451628A2; DE60214031D1; WO2003007051A2; CN100445798C; JP2004534281A; CN1636156A; EP1451628B1

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/223 503, angemeldet am 7. August 2001, der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/223 508, angemeldet am 7. August 2000, und der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/271 103, angemeldet am 23. Februar 2001.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein optische Elemente und speziell optische Gitter und holografische optische Elemente, die zur Ausführung von optischen Schaltfunktionen verwendet werden.
Hintergrund des Stands der Technik
Beugungsoptische Systeme, die optische Elemente verwenden, die sich fortpflanzende Wellenfronten mittels Beugung beeinflussen, sind bekannt. US-B-6 212 314 zeigt eine optoelektronische mechanische Vorrichtung, die einen planaren Wellenleiter aufweist. Ein Gitter kann in den oder aus dem Bereich des starken abklingenden Feldes des sich in dem Wellenleiter ausbreitenden Signals bewegt werden, um selektiv eine bestimmte Wellenlänge zu reflektieren. Beispielhafte Strukturen von beugungsoptischen Elementen bzw. BOE sind Beugungsgitter, Zonenlinsen und holografische Spiegel. BOE, bei denen die Beugungselementgrößen nahe oder ungefähr gleich der Lichtwellenlänge sind, sind allgemein als holografische optische Elemente bzw. HOE bekannt. Ein Vorteil der Beugungsoptik ist, daß eine Struktur wie etwa eine BOE-Linse auf einer ebenen Oberfläche gebildet werden kann und somit kleiner, billiger und einfacher ausrichtbar ist als ein Gegenstück der Brechungsoptik. Ein Nachteil ist, daß Beugungsoptik-Strukturen aus Mustern von Beugungselementen gebildet sind, die gegenüber der Wellenlänge des verwendeten Lichts empfindlich sind.
Holografische optische Elemente können auf optischen Medien wie fotografischen Filmen aufgezeichnet werden, um optische Bauelemente wie Linsen und Prismen herzustellen. Die Hologramm-Muster sind Beugungsmuster, die durch Aufzeichnen des Interferenzmusters von zwei Laserstrahlen erstellt werden. Das resultierende Beugungsmuster hat Bestandteilselemente mit Dimensionen in der Größenordnung einer Wellenlänge. HOEs können auch mit mechanischen Mitteln wie etwa durch Gravieren mit einem Diamantwerkzeug, Fotolithografie oder Prägen mit einem Hartmetall-Master erzeugt werden.
HOEs sind auf bestimmten Anwendungsgebieten aus mehreren Gründen vorteilhaft. HOEs können ein sehr dünnes Profil haben, was die Herstellung zahlreicher optischer Elemente geringerer Größe als im Fall herkömmlicher Gegenstücke erlaubt. Da HOEs ferner planare Elemente sind, können komplexe optische Systeme auf vereinfachte Weise zusammengebaut werden und benötigen weniger Platz als typische optische Mehrelementsysteme. Tatsächlich können HOEs selbstpositionierend sein, wodurch die Ausrichtungsprobleme erheblich verringert werden, die mit optischen Systemen, speziell komplexen optischen Systemen, einhergehen.
Im allgemeinen sind die Beugungsmuster von HOEs so ausgelegt, daß einfallendes Licht in Moden oder Richtungen durchgelassen wird. Moden werden herkömmlich mit m = 0 + 1, –1, +2, –2 usw. ... entsprechend ihrem Ort in bezug auf das einfallende Licht bezeichnet. Wenn das HOE als Linse oder Spiegel verwendet werden soll, handelt es sich typischerweise um zwei primäre Moden, und zwar die m = 0-Mode und die m = –1-Mode. In der m = 0-Mode erscheint einfallendes Licht unbeeinflußt durch das HOE, d. h. wenn das HOE ein Reflexionselement ist, wird Licht in die Mode nullter Ordnung reflektiert, als ob das Licht von einer ebenen Spiegelfläche reflektiert worden wäre, und wenn das HOE ein durchlässiges Element ist, tritt Licht aus dem Element aus, als ob es durch ein transparentes optisches Medium durchgelassen worden wäre. Die m = –1-Mode ist ein direktes Ergebnis den durch die Konstruktion bestimmten optischen Funktion des HOE. Diese Mode ist im allgemeinen gegenüber der m = 0-Mode versetzt. Bei typischen Vorrichtungen ist das HOE so gewählt, daß die Amplitude von Licht in der m = 0-Mode durch Auslöschung minimiert wird und die Amplitude der gewünschten m = –1-Mode durch Verstärkung maximiert wird. Der Winkel von einfallendem Licht und die Größe der Beugungselemente wird im allgemeinen so gewählt, daß andere Moden, welche die gewünschte optische Wirksamkeit stören könnten, nicht existieren.
Durch die Fähigkeit von HOEs, Licht von einem normalen Weg (d. h. koinzident mit einer m = 0-Mode) in eine gebeugte Mode (m = –1) zu reflektieren, besteht der Wunsch, HOEs in Schaltvorrichtungen zu verwenden. Derzeitige Ausbildungen von HOEs begrenzen die Verwendung von HOEs als optische Schalter. HOEs werden im allgemeinen entweder innerhalb der Masse eines Materials oder an der Oberfläche eines Materials gebildet. Hologramme, die in dem Volumen eines holografischen Materials aufgezeichnet werden, haben geringe Verluste, sind aber sehr schwierig als Massenprodukt herzustellen. Beispiele sind dreidimensionale Strukturen, die im Volumen unter Verwendung von elektro-holografischen Materialien gebildet sind, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes schaltbar sind. Andererseits können Hologramme mit Oberflächenrelief zwar massengefertigt werden, weisen aber den Nachteil eines geringen optischen Wirkungsgrads auf. Ein zusätzliches Problem bei diesen Oberflächenrelief-Hologrammen ist, daß sie nicht schaltbar sind.
Ungeachtet der genannten Nachteile von existierenden HOEs und BOEs ist es wünschenswert, HOEs und BOEs als Schalter mit optischen Medien zu verwenden.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein optischer Schalter zum Übertragen eines optischen Signals gemäß dem Patentanspruch 1 angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsansicht eines HOE bzw. holografischen optischen Elements, das Streifen in physischem Kontakt mit einer oberen Oberfläche eines optischen Substrats hat;
2 ist eine Querschnittsansicht eines alternativen HOE, bei dem das HOE bildende Streifen über dem optischen Substrat angeordnet und relativ dazu bewegbar sind, gemäß einer Ausführungsform eines optischen Schalters;
3 ist ein Diagramm der Luftspalthöhe eines HOE gegenüber dem HOE-Wirkungsgrad gemäß einem beispielhaften optischen Schalter;
4A ist eine Perspektivansicht der Konstruktion von 2 und zeigt das Schalten eines einfallenden Signals;
4B ist eine Draufsicht auf die Struktur von 2 und zeigt die Reflexion eines einfallenden Lichtsignals zu einem reflektierten Signal unter einem Winkel α;
5 ist ein Diagramm eines Winkels θ_p gegen die Gitterperiode bzw. -konstante, dividiert durch die Wellenlänge für ein HOE in Übereinstimmung mit einem beispielhaften optischen Schalter;
6 ist ein Diagramm der HOE-Streifendicke gegen den HOE-Wirkungsgrad in Ubereinstimmung mit einem beispielhaften optischen Schalter;
7 ist eine Seitenansicht einer beispielhaften Art und Weise der Einkopplung von Licht in das Substrat zur Totalreflexion in diesem gemäß einer Ausführungsform;
8 ist eine Seitenansicht einer alternativen Möglichkeit der Einkopplung von Licht in das Substrat zur Totalreflexion in diesem gemäß einer Ausführungsform;
9 ist eine Perspektivansicht des HOE von 2 und zeigt eine beispielhafte einseitig befestigte Anbringeinrichtung unter Verwendung eines Ankerbereichs, um die Streifen eines HOE bewegbar anzubringen;
10 ist eine Draufsicht auf das HOE von 9 und zeigt eine über den Streifen des HOE angeordnete Elektrode zum Bewegen der Streifen relativ zu der oberen Oberfläche des Substrats in Übereinstimmung mit einem optischen Schalter;
11 ist eine beispielhafte teilweise Draufsicht auf ein anderes HOE gemäß einer Ausführungsform eines optischen Schalters;
12 ist eine Seitenansicht des HOE von 11 und zeigt ferner eine Anbringstruktur und eine über den Streifen angeordnete Elektrode;
13 ist eine Perspektivansicht eines HOE, das ein Betätigungselement aus flexiblen Armen und Anbringfüße hat, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eines optischen Schalters; und
14 ist eine Draufsicht auf einen mit HOE gebildeten optischen 1×2-Schalter gemäß einer Ausführungsform eines optischen 1×N-Schalters.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung löst die oben beschriebenen Probleme durch Bereitstellen eines holografischen optischen Elements bzw. HOE, das einfach herstellbar und mit einem optischen Substrat verwendbar ist, um einen optischen Schalter zu bilden. Bevorzugt sind die nachstehend beschriebenen holografischen optischen Elemente Gitterstrukturen, die relativ zu einem optischen Substrat, in dem sich ein Lichtsignal fortpflanzt, bewegbar sind. Die Bewegung des HOE bewirkt eine Kopplung und Entkopplung des HOE mit bzw. von dem Substrat, so daß dann, wenn sich ein Lichtsignal in dem Substrat fortpflanzt, das HOE selektiv mit dem Lichtsignal in Wechselwirkung gelangen kann. Um einen maximalen Wirkungsgrad zu erreichen, wird das Licht veranlaßt, sich in dem optischen Substrat unter Totalreflexion fortzupflanzen, was einen Bereich von Fortpflanzungswegen des in dem Substrat sich ausbreitenden Lichts einschließt. Die Totalreflexion ist ein wohlbekanntes Phänomen, die es Licht erlaubt, von der Grenzfläche zwischen zwei optischen Materialien verlustfrei reflektiert zu werden. Dies findet statt, wenn sich Licht in einem Material mit einer höheren Brechzahl als ein umgebendes optisches Medium fortpflanzt und das Licht unter einem Winkel auf die Grenzfläche trifft, der größer als ein kritischer Winkel ist, gemessen von der Normalen zu der Grenzfläche.
Die Totalreflexion erleichtert auch das Koppeln des HOE in die und aus der Position, und zwar aufgrund des abklingenden Feldes, das unter Bedingungen der Totalreflexion an einer Reflexionsgrenze erzeugt wird. Ein HOE kann mit dem Substrat gekoppelt und davon entkoppelt werden durch Bewegen des HOE in eine Position in abklingende Feldkopplung bzw. außer abklingender Feldkopplung, und das Maß der Kopplung zwischen dem HOE und dem Substrat kann dadurch gesteuert werden, wie weit das HOE in das abklingende Feld hinein bewegt wird.
Als Hintergrund und zur Erläuterung der allgemeinen Funktion von mit optischen Substraten verwendeten holografischen optischen Elementen zeigt 1 eine Querschnittsansicht eines HOE 100. Das HOE 100 wird im einzelnen beschrieben in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit dem Titel "Integrated Transparent Substrate and Diffractive Optical Element", veröffentlicht am 25. April 2002 als US-A-2002/0047129. Das HOE 100 ist an einem optischen Substrat 102 angeordnet, das bei der bevorzugten Ausführungsform im Infrarotbereich optisch durchlässig ist, und zwar zumindest um 1550 nm oder 1310 nm (Vakuumwellenlänge), wobei dies Übertragungswellenlängen sind, die für optische Nachrichtenübertragungen vorteilhaft sind. Das HOE 100 könnte jedoch bei jeder gewünschten Wellenlänge optisch durchlässig sein. Das Substrat 102 kann aus einem Quarzmaterial oder einem anderen Material bestehen, das für die Fortpflanzung eines Signals unter Totalreflexion und als Ätzstoppoberfläche für einen fotolithografischen Prozeß geeignet ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist das Substrat 102 aus Saphir hergestellt.
Ein einfallender Lichtstrahl 104 durchläuft das Substrat 102 unter Totalreflexion, die, wie bekannt ist, oberhalb eines kritischen Einfallswinkels an der äußeren Oberflächengrenze des Substrats 102 auftritt. Ein Einfallswinkel θ ist in 1 gezeigt und von einer Normalen zu einer oberen Oberfläche 106 und in das Substrat 102 verlaufend gemessen. Bei einem Saphirsubstrat 102, das von einer mit der oberen Oberfläche 106 in Kontakt befindlichen Luftgrenze umgeben ist, ist der kritische Winkel ungefähr 35°, und somit soll θ bei diesem Wert oder darüber liegen. Der Lichtstrahl 104 kann aus Winkeln über dem kritischen Winkel zum Auftreffen auf die obere Oberfläche 106 gebracht werden und dennoch den Betrieb des HOE 100 erleichtern. Bei der bevorzugten Ausführungsform befindet sich zwar Luft über der oberen Oberfläche 106, aber es können andere Materialien über dem Substrat 102 vorhanden sein, solange diese Materialien eine kleinere Brechzahl als das Substrat 102 haben, um die Bedingungen für die Totalreflexion herzustellen. Ferner bietet zwar die Totalreflexion an der oberen Oberfläche 106 und einer unteren Oberfläche 107 des Substrats 102 die wirkungsvollste Konstruktion mit dem geringsten Kostenaufwand, aber alternativ könnte die Totalreflexion an der oberen Oberfläche 106 erfolgen, und es könnten Spiegel oder eine Reflexionsbeschichtung an der unteren Oberfläche 107 verwendet werden, um den Lichtstrahl 104 zu reflektieren. Ebenso könnte eine Ummantelungsschicht unter der unteren Oberfläche 107 verwendet werden.
Das HOE 100 weist Streifen 108 auf, die direkt an einer oberen Oberfläche 106 des Substrats 102 angeordnet sind. Die Streifen 108 bestehen aus einem optisch transparenten Material, und – wie bekannt ist – die Geometrie der Streifen 108 beeinflußt die Eigenschaften und die Funktionsweise des HOE 100. Die Ausführungsform von 1 zeigt die Streifen 108, die in direktem physischem Kontakt mit der oberen Oberfläche 106 geformt sind. Die Streifen 108 können aus einem einkristallinen Silizium, Polysilizium oder anderen optisch durchlässigen Material gebildet sein. Nur wenige Streifen 108 sind beispielhaft gezeigt, aber im Gebrauch wäre typischerweise eine große Zahl solcher Streifen 108 vorhanden, um sicherzustellen, daß der Lichtstrahl 104 auf einen Teil des HOE 100 fällt. Ferner sind die Streifen 108 im Querschnitt gezeigt und verlaufen tatsächlich in die Darstellung und aus dieser heraus.
Die Streifen 108 haben eine Breite 'b' und sind um eine Breite 'c' voneinander beabstandet. Die Gitterkonstante 'a' ist gleich der Summe dieser beiden Werte. Das HOE 100 reflektiert einen einfallenden Lichtstrahl 104 zu einem Lichtstrahl 114. Die Breite 'a' beeinflusst die Lichtwellenlänge, für dessen Reflexion das HOE 100 optimiert ist, sowie den Austrittswinkel des reflektierten Lichts. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Breite 'b' gleich der Breite 'c', aber diese Breiten können, falls gewünscht, ungleich sein. Die Streifendicke und -breite können so eingestellt sein, dass die Stärke des reflektierten Lichts maximiert wird. Außerdem könnte eine Variation zwischen den Breiten vorgesehen sein, wobei die Breite 'b' variieren könnte (z. B. b1, b2, b3 usw.) und die Breite 'c' variieren könnte (z. B. c1, c2, c3 usw.). Beispielsweise könnte ein HOE mit unterschiedlichen 'a'-Werten (a1, a2, a3 usw.) ausgebildet sein, wobei sich 'a' kontinuierlich ändert, so dass a1 > a2 > a3 > usw. ist. Eine beispielhafte Vorrichtung könnte verwendet werden, um die Streuung in dem reflektierten Signal zu verringern oder das Maß der Streuung darin zu erhöhen, was bei Anwendungen zur Demultiplexierung nützlich sein kann. Da die Streifen 108 ein Gittermuster des HOE 100 bilden, ist eine exakte dimensionsmäßige Präzision nicht erforderlich, um eine funktionsfähige Vorrichtung herzustellen. Der Kombinationseffekt der Streifen 108 besteht darin, die Ungenauigkeit der Größenbemessung der einzelnen Streifen 108 zu minimieren. Es wird dennoch bevorzugt, daß das HOE 100 eine 'a'-Periodizität hat, d. h. daß 'a' in dem gesamten HOE 100 im wesentlichen gleich ist. Auf diese Weise ist 'a' in bezug auf die Funktion des HOE 100 einflußreicher als 'b' oder 'c'. Bei einer beispielhaften Struktur ist die Breite 'a' in der Größenordnung von 1,5 μm, d. h. ungefähr die zweifache Wellenlänge des einfallenden Lichts in dem Medium.
Es folgt eine allgemeine Erläuterung der Funktionsweise des HOE 100; die Streifen 108 wirken mit der oberen Oberfläche 106 zusammen und definieren ein Beugungsgittermuster. Das einfallende Licht 104 trifft auf das Beugungsgittermuster und wird, wie gezeigt und nachstehend beschrieben wird, reflektiert, wodurch HOE 100 als ein geneigtes reflexionsfähiges Spiegelelement etabliert wird. Die Abstände 'c' zwischen den Streifen 108 bilden gemeinsam eine Grenzschicht 110, die im vorliegenden Fall eine Luft-Substrat-Grenzschicht ist. Während der Lichtstrahl 104 unter Totalreflexion durch das Substrat 102 geht, wird ein Teil des Lichtstrahls 104 an der Grenzschicht 110 unter Totalreflexion gebeugt. Das heißt, ein erster Anteil des Lichtstrahls 104 trifft auf die Luft-Substrat-Grenzschicht und wird durch die Reflexionswirkung der Substratabstände zwischen den Streifen gebeugt. Da diese Abstände in der Größenordnung der Wellenlänge des einfallenden Lichts sind, findet eine Beugung anstelle einer ebenen Wellenreflexion statt. Ein zweiter Anteil des auf das HOE 100 fallenden Lichtstrahls 104 fällt auf denjenigen Bereich der oberen Oberfläche 106, der unmittelbar unter den Streifen 108 liegt. Dabei absorbieren die Streifen 108 Lichtenergie von dem Substrat und wirken wie verlustarme Wellenleiterresonatoren, die an einer oberen Oberfläche 112 und seitlichen Oberflächen durch ein refxaktives Material mit niedrigerer Brechzahl, und zwar Luft bei der bevorzugten Ausführungsform, begrenzt sind. In den Streifen 108 wird im wesentlichen eine Stehwelle erzeugt, und absorbiertes Licht tritt schließlich aus den Streifen 108 aus und tritt erneut in das Substrat 102 als gebeugtes Licht ein, das in bezug auf das Licht phasenverschoben ist, das an der Grenzschicht 110 zwischen den Streifen 108 gebeugt wird. Wenn die Streifen 108 eine höhere Brechzahl als das Substrat 102 haben, wird der Wirkungsgrad weiter verbessert, weil die Stehwellen ebenfalls von einer unteren Oberfläche mit einem Übergang zu einer niedrigeren Brechzahl begrenzt sind. Die Wirkung des Streifens 108 und der Grenzschicht 110 besteht darin, daß der Lichtstrahl 104 effizient in eine m = –1-Mode gebeugt wird, die sich in dem Substrat 102 fortpflanzt. Der Lichtstrahl 114 stellt dieses reflektierte Signal dar. Der Weg 116 ist der derjenige Weg, den der Lichtstrahl innerhalb des Substrats 102 nehmen würde, wenn er von den Streifen 108 nicht beeinflußt werden würde. Die Eigenschaften der reflektierten Lichtstrahlen der angegebenen HOEs werden im einzelnen unter Bezugnahme auf die 4A und 4B erläutert. Die Streifen 108 sind in unmittelbarem physischem Kontakt mit der oberen Oberfläche 106 des Substrats 102 angeordnet. Bei anderen Ausführungsformen findet jedoch kein unmittelbarer physischer Kontakt statt.
1 und weitere zu erläuternde Figuren stehen im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen, welche die Totalreflexion nur in Wellenleitern zeigen, die unter Anwendung teurer Dotiertechniken und anderer Herstellungsverfahren separat in Substraten gebildet sind. Die Verwendung eines Substrats für die Signalfortpflanzung wird aus zahlreichen Gründen gegenüber derjenigen eines Wellenleiters bevorzugt. Signale, die sich in einem Substrat fortpflanzen, sind nicht wie im Fall von Wellenleitern begrenzt, was Flexibilität bei der Schalterkonstruktion erlaubt und die Kopplungsprobleme erheblich mindert, die Wellenleiterkonstruktionen eigen sind, bei denen beispielsweise ein Signal in einem Wellenleiter zur Fortpflanzung in einen anderen Wellenleiter umgeleitet werden mußte. Außerdem ermöglicht die Verwendung des Substrats für die Totalreflexion eine quasi-freie räumliche Fortpflanzung für Signale, was zu hoher Flexibilität beim Koppeln von umgeschalteten Ausgangssignalen in Ausgangslichtleiter, -multiplexer und andere optische Einrichtungen führt. Ferner eliminiert die Verwendung eines Substrats die gesonderte Fertigung, die zur Bildung von Wellenleitern in oder an einem Substratmaterial erforderlich ist, wodurch Schalterkonstruktion und -fertigung vereinfacht und die Kosten gesenkt werden. Auch angesichts dieser Vorteile und der bevorzugten Verwendung des Substrats mit einer Luft-Grenzfläche zur Fortpflanzung könnte das Substrat 102 dennoch so geändert werden, daß es Wellenleiter beispielsweise zum Koppeln optischer Signale mit optischen Lichtleitfasern aufweist.
1 zeigt ein HOE in physischem Kontakt mit einem Substrat; 2 zeigt dagegen ein HOE 200, das über einem Substrat 202 (d. h. außer physischem Kontakt mit diesem) angeordnet und relativ dazu aus einer entkoppelten (oder "Aus"-)Position, in der Licht 204 unbeeinflußt durch das Substrat 202 geht, und einer gekoppelten (oder "Ein"-) Position bewegbar ist, in der Licht 204 von dem HOE 200 beeinflußt wird. Somit kann das HOE 200 als Schalter wirksam sein.
Der Lichtstrahl 204 pflanzt sich in dem Substrat 202 unter Totalreflexion fort. Die Fortpflanzung unter Totalreflexion in dem Substrat 202 kann durch das Einkoppeln von Licht in das Substrat erreicht werden, siehe die folgenden 7 und 8. Ferner braucht ebenso wie im Fall von 1 die Totalreflexion nur an einer oberen Oberfläche 206 des Substrats 202 etabliert zu werden, wenn Spiegel oder eine reflexionsfähige Schicht an einer unteren Oberfläche 207 des Substrats vorhanden sind, obwohl die Totalreflexion bevorzugt an beiden Oberflächen 206, 207 stattfindet.
Das HOE 200 ist aus Streifen 208 gebildet, die bevorzugt über der oberen Oberfläche 206 des Substrats 202 positioniert sind. Die Streifen 208 wirken mit dem Substrat 202 ebenso wie die Streifen 108 in dem HOE 100 zusammen, wobei in 2 der Unterschied darin besteht, daß die Streifen 208 nicht in direktem physischem Kontakt mit der oberen Oberfläche 206 zu sein brauchen, sondern statt dessen durch ein abklingendes Feld in Kopplungskontakt mit dem Substrat 202 sind. Wenn die Streifen 208 innerhalb des abklingenden Feldes sich über die obere Oberfläche 206 erstrecken (d. h. in der "Ein"-Position sind), wird ein Anteil des Lichtstrahls 204 in die Streifen 208 eingekoppelt. Dieses Koppeln der Streifen 208 kann als ähnlich der gestörten bzw. verhinderten Totalreflexion angesehen werden. Die Wirkung der Streifen stört die Totalreflexion des optischen Signals und bewirkt, daß das Signal zurückgeleitet wird. Wenn die Streifen 208 außerhalb der Kopplungsdistanz des abklingenden Feldes (d. h. in der "Aus"-Position) sind, wird der Lichtstrahl 204 nicht von den Streifen 208 beeinflußt, und der Lichtstrahl 204 fährt fort, sich als Signal 214 fortzupflanzen. Auf diese Weise erfolgt durch das Einstellen der Luftspalthöhe der Streifen 208 das Umschalten des ankommenden Lichtstrahls 204 aus dem Weg 214 in einen Reflexionslichtstrahlweg 216.
Die Streifen 208 und das Substrat 202 können als Kombination zur Bildung eines Beugungsmusters des HOE 200 angesehen werden ähnlich dem, das von der Struktur von 1 gebildet wird. Ein Anteil des Lichts 204 fällt auf eine Grenzschicht 210, die an der oberen Oberfläche 206 vorhanden ist, aber nur über diejenigen Bereiche der oberen Oberfläche 206, die mit den Zwischenräumen zwischen den Streifen 208 koinzident sind. Die Streifen 208 sind von einer oberen Oberfläche 212 begrenzt, über der eine Luftumgebung vorhanden ist. Die Resonatorfunktion der Streifen 208 ist ähnlich derjenigen der Streifen 108 von 1, wobei jedoch in 2 die Streifen 208 Energie durch abklingende Feldkopplung bei der bevorzugten Ausführungsform empfangen und nicht von einer In-Kontakt-Brechung an einer physischen Grenze. Die Wirkung der Streifen 208 und der Grenzschicht 210 besteht darin, den Lichtstrahl 204 kollektiv in eine m = –1-Mode zu beugen, die in 2 durch den Reflexionsweg 216 dargestellt ist. Die minimierte m = 0-Mode ist koinzident mit dem Normalweglichtstrahl 204 und pflanzt sich, wenn von den Streifen 208 nicht beeinflußt, d. h. als Lichtstrahl 214 fort.
Die Tiefe des abklingenden Feldes über der oberen Oberfläche 206 bestimmt die Luftspalthöhe zwischen den Streifen 208 und der oberen Oberfläche 206, welche die "Ein"- und "Aus"-Positionen bestimmen. 3 ist ein Diagramm, das den Wirkungsgrad von Siliziumstreifen, die ein HOE über einem Saphirsubstrat bilden, für unterschiedliche Zwischenräume zwischen der oberen Oberfläche 206 des Substrats 202 und der Unterseite der Streifen 208 bezeichnet. Der Wirkungsgxad repräsentiert das Verhältnis von Leistung in der m = –1-Mode der einfallenden Leistung. Für die folgenden Parameterbedingungen 'a' = 1,5 μm, Streifenhöhe = 2,15 μm, Wellenlänge λ = 1,55 μm, TE-Modenfortpflanzung, θ = 36° und ϕ = 59,8° (d. h. α = 60,4°) (einige dieser Parameter sind nachstehend, einige vorstehend erläutert) ist der Wirkungsgrad des als Gitter wirkenden HOE wie gezeigt. Im allgemeinen ist der HOE-Wirkungsgrad zu dem Luftspalt auf exponentielle Weise umgekehrt proportional. Das erlaubt es, den Schalter mit einem Minimum an Bewegung in eine vollständige "Aus"-Position zu stellen. Wie ersichtlich ist, wird der höchste Wirkungsgrad nahe der Luftspalthöhe von ungefähr 0,11 erreicht, und somit kann 1 als eine Veranschaulichung eines bewegbaren HOE betrachtet weiden, das in die Luftspalthöhe mit dem höchsten Wirkungsgrad bewegt ist.
Aufgrund von Haftreibung kann es aber erwünscht sein, daß Streifen nicht in physischem Kontakt mit den oberen Oberflächen der Substrate, sondern um eine bestimmte Strecke über dem Substrat gebildet werden. Das kann durch die Anwendung kleiner Höcker 218 erleichtert werden, die an den unteren Oberflächen der Streifen gebildet sind. Sie werden allgemein in solchen Strukturen verwendet, um die Kontaktfläche zu begrenzen, die Haftreibungskräften unterliegt.
3 zeigt ferner, daß das HOE oberhalb von 2 μm außer Kopplungskontakt ist, d. h. das HOE wäre dann in der "Aus"-Position. Bei der bevorzugten Ausführungsform von 2 ist jedoch der Luftspalt für die "Aus"-Position mit ungefähr 12 μm vorgegeben, um sicherzustellen, daß Industriestandards wie etwa dem Standard Telecordia GR 1073 entsprochen wird. Diese Standards begrenzen wirksam die Signalmenge, die aus einem Schalter in einer "Aus"-Position austreten (lecken) kann. Da die Tiefe des abklingenden Feldes von zahlreichen Parametern abhängig ist, sind die Beispiele der Luftspalte in 3 beispielhaft. Mit zunehmendem θ wird sogar das über dem Substrat sich erstreckende abklingende Feld flacher, wobei das maximale abklingende Feld bei oder nahe dem kritischen Winkel für die Totalreflexion bzw. TIR auftritt. Infolgedessen liegen bevorzugte Bereiche von θ für die hier angegebenen Ausführungsformen zwischen dem kritischen Winkel und ungefähr 10° über dem kritischen Winkel.
Ein Merkmal des HOE 200 ist, daß der reflektierte Lichtstrahl 216 in einer Ebene läuft, die unter einem Winkel α zu der Fortpflanzungsebene des Lichtstrahls 204 ist. Somit bewegt sich der reflektierte Lichtstrahl 216 in einer Ebene, die sich aus der Darstellung von 2 hinaus erstreckt. Diese Fortpflanzung ist aus den 4A und 4B besser ersichtlich. Dieses Merkmal erleichtert die Verwendung des HOE 200 als optischer Schalter, da hierdurch ermöglicht wird, eine erste Detektor- oder Kopplungseinrichtung zum Empfang des nicht-geschalteten Signals 214 zu positionieren und eine zweite Detektor- oder Kopplungseinrichtung unter einem Winkel dazu für den Empfang des geschalteten Signals 216 zu positionieren.
Die Reflexionswinkel α oder θ_p, die von dem HOE 200 erzeugt werden, sind von zahlreichen Faktoren abhängig, unter anderem der Streifenkonstanten 'a', dem Einfallswinkel θ und der Lichtwellenlänge λ. Ein beispielhaftes Diagramm, das die Beziehung zwischen θ_p und diesen Variablen zeigt, ist in 5 zu sehen. In 5 ist der Winkel θ_p auf der X-Achse und 'a'/λ auf der Y-Achse für verschiedene Einfallswinkel θ aufgetragen. Lambda (λ) ist die Wellenlänge von Licht, das sich im Inneren des Substratmaterials fortpflanzt, die gleich der Wellenlänge von Licht in einem Vakuum, dividiert durch die Brechzahl des Substratmaterials, ist. Im Fall von Saphir ist die Brechzahl ungefähr 1,74, was ein inneres λ von ungefähr 0,89 μm für den optischen Übertragungskanal von 1,55 μm ergibt. Wie ersichtlich ist, resultiert'a'/λ von 1,5 im Fall von θ = 35° in einem θ_p von ungefähr 110°. Gleichermaßen resultiert ein 'a'/λ von 1,5 im Fall von θ = 45° in einem θ_p von ungefähr 125°. Das Diagramm zeigt auch, daß θ_p für die gegebenen Einfallswinkel θ in Abhängigkeit von den Parametern im Bereich zwischen ungefähr 90° und ungefähr 145° liegen kann. Das Diagramm geht davon aus, daß der umgeschaltete Strahl den gleichen Einfallswinkel in bezug auf die Substratoberfläche wie der einfallende Strahl hat, wenn auch in einer davon verschiedenen Fortpflanzungsebene. Das Diagramm zeigt außerdem beispielhafte Begrenzungen an 'a', obwohl 'a'-Bereiche sich im allgemeinen in Abhängigkeit von Parametern von ungefähr 0,5 λ bis 3 λ erstrecken. Das Diagramm von 5 zeigt ferner einen verbotenen Bereich, der über einer Linie F verläuft und in dem Licht in mehr Moden als nur der m = –1-Mode reflektiert wird.
Bei erneuter Bezugnahme auf 4A ist zu sehen, daß zum Reflektieren des einfallenden Lichtstrahls 204 in den Fortpflanzungsweg 216 die Streifen 208 nicht rechtwinklig zu der Fortpflanzungsebene des Lichtstrahls 204, sondern statt dessen unter einem Winkel dazu verlaufen. Insbesondere sind die Streifen 208 senkrecht zu einer den Winkel θ_p halbierenden Linie. Wenn die Streifen 208 rechtwinklig zu der Fortpflanzungsebene des Lichtstrahls 204 wären, würde das Reflexionslicht in der Fortpflanzungsebene des Lichtstrahls 204 sein. Außerdem ist zu sehen, daß bei der bevorzugten Ausführungsform die Streifen 208 parallele, lineare Streifen sind. Andere Streifen wie etwa gekrümmte Streifen für die Fokussierung können ebenfalls verwendet werden. Tatsächlich können bekannte Gitter-Softwareprogramme angewandt werden, um zahlreiche Arten von Gitterauslegungen unter Berücksichtigung der gewünschten Bedingungen und Parameter, die hier angegeben sind, zu entwickeln.
Die Dicke der Streifen 208 bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen dem von der Grenzschicht 210 reflektierten Licht und dem von den Resonatorstreifen 208 reflektierten Licht. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Dicken der Streifen 208 identisch. Bevorzugt haben die Streifen 208 eine Dicke von mehr als 1 μm, so daß sichergestellt ist, daß die Streifen 208 eine ausreichende strukturelle Steifigkeit haben, um zwischen der "Ein"- und der "Aus"-Position bewegbar zu sein. Die Streifen 208 könnten geringere Dicke haben.
6 ist ein Diagramm, das den HOE-Wirkungsgrad über der Siliziumstreifendicke zeigt. In diesem beispielhaften Diagramm besteht das Substrat aus Saphir, der einfallende Strahl ist TE-polarisiert, 'a' = 1,5 μm, λ = 1,55 μm, die Luftspalthöhe ist 500 Å, θ = 36° und ϕ = 59,8° (d. h. α = 60,4°). Wie gezeigt wird, gibt es zahlreiche Streifendicken, die einen sehr hohen Wirkungsgrad erzeugen. Bei dem aufgetragenen Beispiel treten Wirkungsgrad-Maxima bei ungefähr 1,87 μm und 2,12 μm auf. Da die Dicke der Streifen 208 so gewählt werden soll, daß das absorbierte Licht eine geeignete Phasenverschiebung erfährt, würden tatsächlich auch eine Vielzahl Oberwellen einer bestimmten Dicke die gleiche Phasenverschiebung bewirken. Ein Vorteil der HOEs der bevorzugten Ausführungsformen ist, daß die Streifendicke so gewählt werden kann, daß der Wirkungsgrad des HOE-Schalters von dem Polarisationszustand des einfallenden Lichtstrahls im wesentlichen unabhängig ist. Dies ist ein Konstruktionsparameter, der als polarisationsabhängiger Verlust bezeichnet wird, wie in dem Standard Telecordia GR 1073 angegeben ist.
Ein anderes Merkmal des HOE 200 ist, daß das von ihm in die m = –1-Mode reflektierte Licht unter einem Winkel reflektiert wird, so daß das reflektierte Licht 216 sich immer noch unter Totalreflexion in dem Substrat ausbreitet. Die Reflexion des einfallenden Lichtstrahls 204 in einen inneren Totalreflexionsweg wird erreicht, indem die Gitterkonstante 'a' eingestellt wird, wie das Diagramm von 5 zeigt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann das Substrat 202 aus jedem der Materialien bestehen, die vorher in bezug auf das Substrat 102 beschrieben wurden, und ist bevorzugt ein Einkristall-Saphir. Saphir ist optisch durchlässig bei den für optische Kommunikationsanwendungen üblichen Infrarot-Wellenlängen, z. B. 1550 nm und 1310 nm. Außerdem ist Saphir ein hartes, ätzbeständiges Material, das geeignet ist, eine Bearbeitungsätzsperre für jedes Material zu bilden, das auf das Substrat 202 zur Bildung der Streifen 208 aufgebracht werden kann.
Die Streifen 208 und Höcker 218 sind bevorzugt aus Polysilizium gebildet, sie können aber auch aus anderen optisch durchlässigen Materialien bestehen wie etwa verschiedenen Formen von Silizium (kristallin und amorph), Aluminiumoxid, Saphir, Siliziumnitrid, Germanium-Silizium und anderen optisch durchlässigen Materialien, die für Bearbeitungstechniken mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) geeignet sind.
Wie bereits erwähnt, gibt es zahlreiche Möglichkeiten zum Koppeln von Lichtsignalen in ein und aus einem Substrat 202, wobei die TIR-Fortpflanzung angewandt wird; die einfachste dieser Möglichkeiten umfaßt entweder die Spaltung einer Eingangsfaser, die Spaltung einer Substratkante, die Bildung eines gespaltenen Elements zwischen der Lichtleitfaser und dem Substrat oder eine Kombination dieser Möglichkeiten. Der Vorteil der Spaltung der Lichtleitfaser besteht darin, daß diese Kopplungsmethode billig ist, obwohl auch die anderen Methoden kostensparend sind.
7 zeigt eine Möglichkeit der Kopplung des Lichtstrahls 204 in das oder aus dem Substrat 202, wobei eine Lichtleitfaser 217 durch ein lichtbrechendes Element 220 mit dem Substrat 202 gekoppelt ist. Das lichtbrechende Element 220 besteht aus einem optisch durchlässigen Material mit einer Brechzahl, die niedriger als die des Substrats 202 ist. Das lichtbrechende Element 220 bricht den Lichtstrahl 204 zur Fortpflanzung unter Totalreflexion in dem Substrat 202, und ein Kollimatorelement 219 dient dazu, den Lichtstrahl 204 zu kollimieren. Das Kollimatorelement 219 kann jede bekannte und geeignete HOE-Struktur sein oder kann entsprechend dem oben beschriebenen HOE 100 ausgebildet sein, wobei Streifen 221 im Querschnitt gezeigt sind. Die Ausbildung des Kollimatorelements 219 gleich dem des HOE 100 bietet den Vorteil, daß die Fertigung der Vorrichtung vereinfacht wird.
Eine alternative Konstruktion, die ein äußeres Kollimatorelement verwendet, etwa eine Gradientenindex- bzw. GRIN-Lichtleitfaseranordnung, ist in 8 gezeigt. Dabei hat das Substrat 202 eine gespaltene seitliche Oberfläche 222. Bei einem Schnitt von 45° empfängt die Oberfläche 222 das kollimierte Lichtsignal 204 von einem GRIN-Linsenelement 224 zur Totalreflexion innerhalb des Substrats 202. Die GRIN-Linse 224 könnte ein Eingangssignal von einer Lichtleitfaserlinse 224 empfangen. Die GRIN-Linse 224 kann unmittelbar mit einem lichtbrechenden Element oder einer dünnen Schicht eines reflexmindernden Belags 226 gekoppelt sein, der Reflexionsverluste minimiert. Die in 8 gezeigte Kopplung erlaubt die Verwendung von handelsüblichen Komponenten zum Kollimieren und Sammeln der Lichtstrahlen. Diese Kopplung erlaubt die seitliche Kopplung von ankommenden Lichtleitern anstelle einer Kopplung durch eine obere oder untere Oberfläche des Substrats, wie in 7 gezeigt ist.
Was den Betrieb des Schalters betrifft, so gibt es verschiedene Möglichkeiten zum Schalten eines HOE aus der "Ein"-Position in die "Aus"-Position. Im allgemeinen kann das erforderliche Biegen zum Bewegen des HOE aus den Streifen des HOE resultieren, wobei die Streifen selber dazu gebracht werden, sich in die und aus der abklingenden Feldkopplung zu biegen. Alternativ kann die Konstruktion oder der Rahmen, der die Streifen des HOE abstützt, zum Biegen ausgebildet sein. In beiden Fällen sollte die Biegestruktur auch entweder in eine "Ein"- oder eine "Aus"-Position federnd vorgespannt sein, um die Schalterbetätigung zu vereinfachen.
Zur Erläuterung eines allgemeinen HOE-Betätigers zeigt 9 eine beispielhafte Möglichkeit der beweglichen Anbringung der Streifen 208. Dabei sind die Streifen 208 an einem steifen Ankerbereich 224 aufgehängt, der an der oberen Oberfläche 206 fest angebracht ist. Dies ist eine Konfiguration mit einseitiger Befestigung, wobei sich die Streifen 208 von dem Ankerbereich 224 nach außen erstrecken und frei über dem Substrat 202 stehen. Die Streifen 208 sind ausreichend nahe bei dem Substrat 202, so daß das HOE 200 in die "Ein"-Position vorgespannt ist, d. h. die Streifen 208 sind innerhalb des abklingenden Feldes einer Lichtwelle von 1550 nm oder 1310 nm, die sich in dem Substrat 202 unter Totalreflexion fortpflanzt. Um den Streifen 208 zusätzliche Steifigkeit zu geben, sind zwischen ihnen Querverbindungen 226 gebildet. Durch die Querverbindungen 226 können die Streifen 208 dazu veranlaßt weiden, sich gemeinsam zu bewegen, wodurch Verdrehkräfte vermieden werden, die Konstruktionen einer so geringen Größe beeinflussen könnten. Im Fall von längeren Streifen können zahlreiche Querverbindungen zwischen jeweils zwei Streifen vorgesehen sein. Es ist jedoch für die Designkonfigurationen wichtig, das Anordnen von Querverbindungen 226 auf eng ausgebildete periodische Weise zu vermeiden, weil die Querverbindungen 226 gemeinsam als Beugungsgitter wirken würden, das zu dem von den Streifen 208 gebildeten Beugungsgitter orthogonal orientiert ist.
Das die Streifen 208 bildende Polysilizium ist im IR-Bereich durchlässig und kann ohne weiteres mit fotolithografischen MEMS-Fertigungsverfahren mit einer Standaxdlinienbreite von 0,5 μm bis 1 μm gefertigt werden. Beispielsweise können die Streifen 208 gebildet werden durch Aufbringen einer Polysiliziumschicht auf das Saphirsubstrat 202 oder durch epitaxiales Aufwachsen von einkristallinem Silizium auf den Saphir 202. Mit Standard-Lithografie kann das gewünschte Muster in einer Fotoresistschicht gebildet und das Muster mit Standard-MEMS-Ätztechniken wie etwa dem handelsüblichen Multi-User-MEMS-Verfahren (MUMPs^TM) in das Silizium geätzt werden. Bei der Fertigung wird eine verlorene Schicht oder Abstandsschicht auf die obere Oberfläche des Substrats zwischen dem Silizium und dem Saphir aufgebracht. Diese Schicht ist typischerweise Siliziumdioxid und wird weggeätzt oder gelöst, um die Siliziumstxuktur von dem Substrat zu trennen. Das Saphirsubstrat ist gegenüber Ätzverfahren beständig und erlaubt das Lösen der verlorenen Schicht, ohne daß das Substrat geätzt wird. Jedes Ätzen des Substrats würde ein schwaches HOE-Muster in dem Substrat bilden, was das geforderte vollständige Ausschalten des Schalters nicht zulassen würde. Es ist allgemein üblich, die kleinen Höcker an der Unterseite der Siliziumstruktur dadurch zu bilden, daß in die verlorene Schicht vor dem Aufbringen der Polysiliziumschicht kleine Vertiefungen eingebracht werden. Wie oben gesagt wird, minimieren diese Höcker die Anhaftung während des Trennvorgangs und während des anschließenden Schalterbetriebs. Die verlorene Schicht kann so dimensioniert sein, daß das Polysilizium-HOE in der "Ein"-Position angeordnet ist, oder die Vorrichtung kann so aufgebaut sein, daß sie mit Polysilizium-Federelementen in die "Ein"-Position vorgespannt ist. Bevorzugt sind die Streifen 208, die Höcker 218, der steife Ankerbereich 224 und die Querverbindungen 226 aus dem gleichen Material, am meisten bevorzugt einem Polysiliziummaterial, gebildet. Der steife Ankerbereich 224 und die Querverbindungen 226 könnten aus jedem der oben angegebenen Streifenmaterialien hergestellt sein.
Zum Bewegen des HOE 200 aus der vorgespannten "Ein"-Position in eine "Aus"-Position kann ein elektrisches Feld mittels einer über den Streifen 208 angeordneten Elektrode angelegt weiden. Da die Streifen 208 teilweise leitfähig sind, werden sie beim Anlegen eines elektrischen Feldes von der oberen Oberfläche des Substrats 202 weg ausgelenkt. Da sich das abklingende Feld nicht weit über die obere Oberfläche 206 erstreckt bzw. insbesondere das abklingende Feld sich exponentiell verjüngt, brauchen die Streifen 208 nur um eine geringe Distanz ausgelenkt zu werden, um das HOE 200 in die "Aus"-Position zu bringen.
10 zeigt eine Methode zum Auslenken der Streifen 208 unter Verwendung einer Elektrode 230, die zumindest über einem distalen Bereich der Streifen 208 positioniert ist und sich in die Zeichnung hinein und aus ihr heraus über sämtliche Streifen 208 erstreckt. Die Elektrode 230 ist an einer unteren Oberfläche einer isolierenden Anbringplatte 232 angebracht, die über einem Abstützelement 234 gebildet ist. Das Abstützelement 234 kann aus dem gleichen Material wie der Anker 224 bestehen und befindet sich in der Darstellung diesem gegenüber. Die Elektrode 230 empfängt Befehle von einer Treiberschaltung und legt als Reaktion darauf ein elektrisches Feld an die Streifen 208 an. Zur einfacheren Realisierung könnten die Streifen 208 mit einer Massespannung verbunden sein. Ferner könnte sich die Elektrode 230 in Längsrichtung über die Gesamtlänge der Streifen 208 erstrecken, wie gezeigt ist.
Die 12 und 13 zeigen eine alternative Einrichtung zum Betätigen eines HOE zum Zweck des Schaltens. Bei diesen Ausführungsformen ist die zum Schalten genutzte Biegsamkeit nicht in den das HOE bildenden Streifen vorhanden wie in 10, sondern befindet sich statt dessen in der Struktur, welche die Streifen mit der oberen Oberfläche des Substrats verbindet. Beispielsweise kann die beispielhafte HOE-Struktur 300 von 11, die Streifen 302, Querverbindungen 303 und Seitenbereiche 304 und 306 hat und aus den gleichen Materialien und auf die gleiche Weise wie die in 2 beschriebene HOE-Struktur 200 gebildet sein kann, so betätigt bzw. aktiviert werden, wie es in 12 gezeigt ist. 12 zeigt eine Anbringkonstruktion mit zwei Anbringbasen 308 und 310, die auf einem Substrat 311 gebildet sind, und einer Anbringplatte 312, die auf den Basen 308, 310 gebildet ist. Das HOE 300 ist mit den Anbringbasen 308 und 310 über biegsame Verbindungen 314 gekoppelt. Die biegsamen Verbindungen 314 könnten jede beliebige Anzahl von MEMS-bearbeiteten Federn oder Strukturen sein, die ein Biegen zumindest in einer Aufwärtsrichtung zulassen. Die flexiblen Verbindungen 314 könnten alternativ eine bidirektionale Auf- und Ab-Auslenkung zulassen. Eine Elektrode 316 ist an der Anbringplatte 312 angebracht und verläuft bei dieser Ausführungsform quer und längs über die Streifen 302, die geerdet sind. Bei einer solchen Konfiguration könnte das HOE 300 in die "Ein"-Position vorgespannt sein und unter einem elektrischen Feld von der Elektrode 316 in eine "Aus"-Position bewegbar sein. Alternativ könnte das HOE 300 in die "Aus"-Position vorgespannt sein, oder das HOE 300 könnte für eine Aufwärts- und Abwärtsbewegung unter Steuerung durch die Elektrode 316 vorgespannt sein. Das HOE 300 könnte an einer unteren Oberfläche ausgebildete Höcker 318 haben, um eine Haftung zwischen dem HOE 300 und dem Substrat 311 während des Betriebs zu verhindern.
13 zeigt eine alternative Betätigungsstruktur für ein HOE 400. Das HOE 400 ist aus den gleichen Materialien und auf ähnliche Weise wie bereits erwähnt gebildet. Typische Querdimensionen für das HOE 400 sind 250 bis 1000 μm. Streifen 402 erstrecken sich entlang einer Länge des HOE 400, und Querverbindungen 404 sind vorgesehen, um die strukturelle Steifigkeit zu erreichen. Eine Vielzahl von Federarmen 406 sind mit dem HOE 400 verbunden. Die Federarme 406 sind auch mit der oberen Oberfläche eines Substrats 408 verbunden, wobei das Substrat 408 den vorher beschriebenen Substraten gleicht. Insbesondere dienen Füße 410 als Stützen für die Federarme 406 und haben bei der bevorzugten Ausführungsform eine Höhe, die hinreichend klein ist, um das HOE 400 in die "Ein"-Position vorzuspannen. Geometrie und Größe der Federarme 406 sind so gewählt, daß das HOE 400 unter der Einwirkung eines elektrischen Feldes in die "Aus"-Position ausgelenkt werden kann. Wie der Fachmann erkennt, können viele andere Geometrien verwendet werden, um die gewünschte Biegsamkeit und Federvorspannung für den HOE-Schaltvorgang zu erreichen. Für die Betätigung könnte eine Elektrode über dem HOE 400 unter Verwendung einer geeigneten Anbringkonstruktion angebracht sein, und dafür ist die in 12 gezeigte Konstruktion ein Beispiel.
Bei der bevorzugten Ausführungsform für die Bewegung des HOE 300 wird die elektrostatische Betätigung angewandt, aber die Betätigung kann alternativ thermisch, piezoelektrisch oder elektrooptisch erfolgen.
Wie 13 zeigt, haben aufgrund der Mikrometermaße der dort verwendeten HOEs die zur Anwendung dienenden HOEs viele Streifen und viele Querverbindungen, falls solche verwendet werden. Daher sollten die obigen Figuren als beispielhaft angesehen werden und zeigen eine allgemeine Anzahl Streifen, wobei es sich versteht, daß in der Praxis viele Streifen wie etwa bei dem HOE 400 verwendet werden können.
14 zeigt eine Draufsicht auf einen beispielhaften optischen Schalter 500, der jedes der oben beschriebenen HOEs verwenden kann, die allgemein durch ein HOE 502a und ein HOE 502b dargestellt sind, um einen optischen 1×2-Schalter zu bilden. Die Konzepte von 14 können zur Bildung eines optischen 1×N-Schalters erweitert werden. Es sind zwei HOEs 502a, 502b gezeigt, und beide sind mit einem Fortpflanzungsweg eines ankommenden Lichtsignals 504 ausgefluchtet. Das ankommende Lichtsignal 504 pflanzt sich in einem Substrat 506 unter Totalreflexion ähnlich wie in den vorher beschriebenen Substraten fort. Die beiden HOEs 502a, 502b sind über dem Substrat 506 angeordnet und relativ dazu einzeln bewegbar zwischen einer "Ein"-Position und einer "Aus"-Position, und zwar über eine der vorher beschriebenen Betätigungskonstruktionen: Wenn dabei das HOE 502a in der "Ein"-Position ist, wird das Lichtsignal 504 entlang einem ersten Reflexionsweg 508 reflektiert. Der Weg 508 ist nicht orthogonal zu der Fortpflanzungsebene des Signals 504, sondern statt dessen unter einem Winkel α zu dieser Fortpflanzungsebene. Wenn das HOE 502a in der "Ein"-Position ist, wird bevorzugt im wesentlichen das gesamte Lichtsignal 504 entlang dem Weg 508 reflektiert, so daß ein minimales m = 0-Moden-Lichtsignal verbleibt, das auf das HOE 502b fällt. Wenn der Schalter 502b in der "Aus"-Position ist, setzt sich dieses minimale Lichtsignal entlang dem Weg 512 fort und wird durch geeignete Mittel absorbiert oder anderweitig daran gehindert, wieder in die Einrichtung zurückreflektiert zu werden. Es ist zu beachten, daß sich dieses m = 0-Moden-Lichtsignal nicht zu dem Ausgangsweg 510 fortpflanzt, da der Schalter 502b infolge der exponentiellen Beschaffenheit des abklingenden Feldes vollständig aus ist. Das ist ein wichtiger Parameter für gewerbliche Schalter, wie oben gesagt wird.
Wenn das HOE 502a in der "Aus"-Position ist, bleibt das Lichtsignal 504 unbeeinflußt und pflanzt sich weiter unter Totalreflexion innerhalb des Substrats 506 fort, bis das Lichtsignal 504 das zweite HOE 502b erreicht, wo dann, wenn das HOE 502b in der "Ein"-Position ist, das Lichtsignal 504 in einen zweiten Reflexionsweg ebenfalls unter dem Winkel α zu der Fortpflanzungsrichtung des Lichtsignals 504 reflektiert wird. Bevorzugt sind das HOE 502a und das HOE 502b identisch, und die Wege 508 und 510 sind parallel. Ferner können die Wege 508 und 510, obwohl das nicht gezeigt ist, zu Lichtleiterausgängen führen, um reflektiertes Licht zu koppeln, um die gezeigte Konstruktion als Lichtleiter zu einem Lichtleiterschalter zu verwenden. Die Einkopplung in andere optische Einrichtungen ist ebenfalls möglich, und wenn das HOE 502a und das HOE 502b beide in der "Aus"-Position sind, pflanzt sich das Lichtsignal 504 unverändert durch das Substrat 506 auf dem Signalweg 512 fort. Der Signalweg 512 könnte ebenfalls mit einer Ausgangsfaser gekoppelt sein und für Überwachungszwecke verwendet werden. Ein kleines Signal, das ein Eingangssignal darstellt, ist immer auf 512 anwesend infolge einer unvollständigen Unterdrückung der m = 0-Mode. Die Vorrichtung könnte auch als variabler Strahlteiler oder Dämpfungselement konfiguriert sein durch Steuerung der HOE-Luftspalte in Positionen zwischen Ein und Aus. Beispielsweise könnte das HOE 502a für einen Wirkungsgrad von 50 % positioniert sein, so daß 50 % des einfallenden Signals 504 verbleibt, um auf das HOE 502b zu treffen, das für einen Wirkungsgrad nahe 100 % positioniert sein könnte. Diese Konstruktion wäre wie ein 1×2-Strahlteiler, wobei die Ausgangssignale entlang den Wegen 508 und 510 jeweils ungefähr 50 % der Energie des einfallenden Strahls haben.
Die oben gezeigten Konstruktionen haben HOEs, die aus Streifen gebildet sind; es versteht sich für den Fachmann, daß die Konstruktionen mehr allgemein BOE-Konstruktionen sein könnten, die größere Dimensionen als HOEs haben, beispielsweise eine Anzahl von Malen größer als die in 5 aufgetragenen 'a'/λ-Werte sind. Daher sollen die vorliegende Offenbarung und die folgenden Patentansprüche auch BOE-Konstruktionen einschließen.
An den angegebenen Ausführungsbeispielen könnten viele weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Patentansprüche abzuweichen. Der Umfang einiger Änderungen wird vorstehend erläutert. Der Umfang anderer Änderungen ergibt sich aus den beigefügten Patentansprüchen.

Claims

Optischer Schalter, der aufweist: ein Substrat (202) zum Übertragen eines optischen Signals innerhalb des Substrats; ein optisches Beugungselement (100, 200), das über einer oberen Oberfläche des Substrats angeordnet und relativ dazu bewegbar ist zwischen einer ersten Position außer abklingender Feldkopplung mit dem optischen Signal, so dass sich das optische Signal weiterhin unverändert in einer ersten Richtung fortpflanzt, und einer zweiten Position in abklingender Feldkopplung mit dem optischen Signal, um die Fortpflanzung des optischen Signals in eine zweite Richtung zu ändern, dadurch gekennzeichnet, dass sich das optische Signal in dem Substrat in der ersten Fortpflanzungsrichtung entlang einer ersten Ebene, die zu dem Substrat senkrecht ist, unter innerer Totalreflexion fortpflanzt; und das optische Beugungselement (100, 200) in seiner zweite Position wirksam ist, um das optische Signal zu beugen, so dass sich das optische Signal in dem Substrat in der zweiten Richtung entlang einer zu dem Substrat senkrechten zweiten Ebene fortpflanzt, die mit der ersten Ebene einen spitzen Winkel (α) bildet.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus einem Material aus der Gruppe gebildet ist, die aus Quarz und Saphir umfasst.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement ein holografisches optisches Element ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement aus einer Vielzahl von Streifen gebildet ist, die ein Beugungsgitter bilden, wobei jeder Streifen eine im Wesentlichen gleiche Breite hat und wobei jeder von den Streifen um einen im Wesentlichen gleichen Abstand beabstandet ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Breite im Wesentlichen gleich dem Abstand ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei das Beugungsgitter eine Gitterperiode 'a' hat, die im Wesentlichen gleich der Wellenlänge des Lichts des optischen Signals in dem Substrat ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei das Beugungsgitter eine Gitterperiode 'a' hat, die zwischen. 5λ und 3λ ist, wobei λ die Wellenlänge des optischen Signals in dem Substrat ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen flexibel sind, um das optische Beugungselement zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen.
Optischer Schalter nach Anspruch 8, wobei die Streifen an einem Anker aufgehängt sind, der an dem Substrat fest angebracht ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen an einem ersten Anker und einem zweiten Anker über flexible Elemente aufgehängt sind, wobei sowohl der erste Anker als auch der zweite Anker an dem Substrat fest angebracht sind und wobei die flexiblen Elemente eine Bewegung des optischen Beugungselements zwischen der ersten Position und der zweiten Position zulassen.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen in die zweite Position vorgespannt sind und wobei eine Elektrode den Streifen benachbart angeordnet ist, um die Streifen in die erste Position zu bewegen.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen linear und zu einer Linie im Wesentlichen senkrecht sind, die einen Winkel θ_p zwischen der die erste Richtung enthaltenden Ebene und der die zweite Richtung enthaltenden Ebene in zweiteilt.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, der ferner Querverbindungen aufweist, die zwischen den Streifen gebildet sind.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus amorphem Silicium, kristallinem Silicium und Polysilicium besteht.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Saphir, Siliciumnitrid und einer Polysilicium-/Polygermaniumlegierung besteht.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen eine Brechzahl haben, die höher als diejenige des Substrats ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifen eine Dicke von mehr als 1 μm haben.
Optischer Schalter nach Anspruch 17, wobei die Streifen eine Dicke haben, die so gewählt ist, dass die Intensität des optischen Signals in der zweiten Richtung maximiert wird.
Optischer Schalter nach Anspruch 4, wobei die Streifenbreite so gewählt ist, dass die Intensität des optischen Signals in der zweiten Richtung maximiert wird.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement, wenn es sich in der zweiten Position befindet, in physischem Kontakt mit der oberen Oberfläche des Substrats ist.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das sich in der zweiten Richtung fortpflanzende optische Signal sich unter innerer Totalreflexion fortpflanzt.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Signal von der oberen Oberfläche des Substrats unter innerer Totalreflexion reflektiert wird.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Signal von der oberen Oberfläche und einer unteren Oberfläche des Substrats unter innerer Totalreflexion reflektiert wird.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement aus einem im Wesentlichen transparenten optischen Material besteht.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement wirksam ist, indem es die innere Totalreflexion beeinflusst.
Optischer Schalter nach Anspruch 1, wobei das optische Beugungselement aus einer Vielzahl von Streifen gebildet ist, die ein Beugungsgitter bilden, wobei jeder Streifen eine solche Breite und eine dieser zugeordnete Abstandsdistanz hat, dass die Breiten und die Abstandsdistanzen für die Streifen variieren.
Optischer Schalter nach Anspruch 12, wobei θ_p zwischen ungefähr 90° und ungefähr 145° ist.