DE69205878T2

DE69205878T2 - Optischer Crossbarschalter.

Info

Publication number: DE69205878T2
Application number: DE69205878T
Authority: DE
Inventors: T Gus Mcdonald
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1991-04-26
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2012-04-24
Also published as: EP0510628A1; CN1035570C; CN1070745A; KR100231126B1; EP0510628B1; KR920020250A; DE69205878D1; JPH05127105A; TW217442B

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung handelt von optischen Crossbarschaltern, insbesondere von Strukturen, die verformbaren Spiegelvorrichtungen ähneln, die als Crossbarschalter verwendet werden.

2. Hintergrund der Erfindung

Die Nachfrage nach paralleler Hochgeschwindigkeits-Daten- Verarbeitung hat einen Bedarf an umkonfigurierbaren Hochgeschwindigkeits-Koppelnetzen ausgelöst, um den Informationsfluß zu steuern. Eine optische Übertragung bietet die hohen Geschwindigkeiten, die nötig sind, um die Fähigkeiten eines parallelen Prozessors voll zu nutzen. Umkonfigurierbare Koppelnetze können mit einer programmierbaren Crossbarschaltung erreicht werden, wie z. B. in US-A-4 932 745 oder US-A-4 580 973 offenbart.
Crossbarschalter ermöglichen jedem von N Eingängen, mit jedem von M Ausgängen verbunden zu werden. Das kann auf viele verschiedene Arten erreicht werden, von denen eine die Verwendung von räumlichen Lichtmodulatoren wie z. B. verformbaren Spiegelvorrichtungen ist, um das Licht von einer Bahn in eine andere zu reflektieren. Das Licht tritt bei einem Anschluß ein und würde, wenn es nicht moduliert wird, bei einem anderen Anschluß austreten. Wenn die verformbare Spiegelvorrichtung das Licht ablenkt, wird es entweder zu seinem Eingangsanschluß zurückreflektiert oder aber zu einem anderen Ausgangsanschluß umgelenkt. Elektrostatisch betriebene optische Schalter sind z.B. aus DE-C-38 17035 bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgaben und Vorteile werden offensichtlich und durch die hier vorliegende Erfindung teilweise gezeigt und erreicht werden, was nach Anspruch 1 eine Struktur zum optischen Crossbarschalten vorsieht. Die Struktur besteht aus einem Netz von Wellenleitern mit Metallelementen, an denen eine vertikale Metallstruktur angebracht ist, die über den Kreuzungen der Wellenleiter aufgehängt ist. Die Kreuzungen weisen in sie geätzte Lücken auf. In oder unter der Wellenleiterstruktur ist eine Elektrode angeordnet, die das Metallelement, das an Gelenken aufgehängt ist, elektrostatisch anzieht, wenn sie elektrisch adressiert wird. Das Metallelement verformt sich an seinen Gelenken in Richtung Elektrode und senkt dadurch die vertikale Metallstruktur in die Wellenleiterlücke. Das Licht in dem Wellenleiter kann dadurch von den Metallstrukturen gelenkt oder aufgespalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1a und 1b zeigen eine Metallverschlußstruktur.
Fig. 1c zeigt eine Kreuzungs-Wellenleiterstruktur.
Fig. 2 zeigt zwei Zustände einer Kreuzungs-Wellenleiterstruktur.
Fig. 3a und 3b zeigen eine Änderung des Koppelpunktschalters.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Koppelnetzes.
Fig. 5a - 5d zeigen Y-Verzweigungsschalter.
Fig. 6 zeigt einen Eins-auf-vier-Verteiler.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel eines Koppelnetzes.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Derzeit verfügbare verformbare Spiegelvorrichtungen bieten eine Auswahl an Crossbarschaltern, die es früher nicht gab. Eine verformbare Spiegelvorrichtung (DMD), die aus einem Metallelement besteht, das an einem oder mehreren Lagerungspfosten über einem Luftspalt aufgehängt ist, an dessen Unterseite sich eine Elektrode befindet, die als Lichtschaltvorrichtung verwendet werden kann. Das Herstellungsverfahren kann verändert werden, so daß das Metallelement, das sich abwärts auf die Elektrode zu verformt, wenn die Elektrode elektrisch adressiert wird, eine vertikale Struktur an ihrer Unterseite haben kann. Das Ergebnis ist eine Metallstruktur, die schnell und leicht angehoben und abgesenkt werden kann, um den vertikalen Verschluß so zu positionieren, daß er die Übertragung von Licht ermöglicht oder verhindert.
Eine dieser Strukturen ist in Fig. 1a gezeigt. Das Metallelement 2 ist an den Pfosten 8a und 8b über dem Wellenleiter 6 aufgehängt. Die Verschlußstruktur 4, die an dem Metallelement angebracht ist, ist über dem Luftspalt 10 hängend dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel einer verformbaren Spiegelvorrichtung, bei der das Metallelement durch zwei Pfosten gestützt wird, wird Torsionsträger genannt. Zur Abwechslung könnte der Verschluß an eine DMD befestigt werden, die auf einer Seite gestützt wird, der freitragende Träger, oder an eine, die an vier Seiten gestützt wird, der Durchbiegungsträger. All diese Ausführungsbeispiele arbeiten auf die gleiche Weise.
In Fig. 1b wird die Arbeitsweise des Verschlusses gezeigt. Bei der Torsionsträger-DMD gibt es zwei typische Adressierungselektroden, die sich normalerweise dem Luftspalt benachbart befinden. Einige mögliche Stellen dieser Elektroden sind bei den Positionen 11a - 11f gezeigt. Wenn eine der Elektroden adressiert wird, kippt das Metallelement gegen diese Elektrode und dreht sich dabei um den aus den Gelenken 9a und 9b gebildeten Träger. Dies veranlaßt den Metallverschluß 4, in die Wellenleiterlücke 10 zu kippen und die Übertragung von Licht zu verhindern. Der Verschluß könnte aber auch so gefertigt werden, daß er sich in dem nicht adressierten Zustand in der Lücke befindet, und wenn dann die Elektrode adressiert wird und das Metallelement von der Lücke wegkippt, würde der Verschluß von der Lücke wegbewegt werden und dadurch die Übertragung von Licht ermöglichen. Für die Erklärungen wird angenommen, daß sich der Verschluß im nicht adressierten Zustand oder AUS-Zustand außerhalb der Lücke befindet.
Eine Anwendung dieser Struktur bei optischem Schalten ist in Fig. 1c gezeigt. Die Kreuzungsstruktur besteht aus zwei Eingangsanschlüssen 12 und 16, einer Verschlußlücke 10 und zwei Ausgangsanschlüssen 14 und 18. Der Winkel 20 kann für maximalen Energiedurchfluß errechnet werden, ebenso die Dicke der Verschlußlücke 10. Bei allen folgenden Ausführungsbeispielen wird nur die Verschlußlücke besprochen, aber es ist so zu verstehen, daß die Lücken mit den oben besprochenen Vorrichtungen gefüllt werden.
In Fig. 2 sind zwei Zustände der Kreuzungsstruktur gezeigt. In dieser Figur werden nur zwei Wellenleiter gezeigt. Es ist möglich, mehr als zwei zu verwenden. Wenn über den Anschluß 12 Licht in die Struktur eintritt, pflanzt es sich in Richtung des Pfeils 22 fort. Wenn sich die Verschlußlücke 10 in dem nicht adressierten, dem "AUS"-Zustand befindet, folgt das Licht den Pfeilen 24 und 26 und verläßt die Schaltstruktur beim Anschluß 14. Das ist der Kreuzungszustand. Wenn die Elektrode unter der Verschlußlücke 10 adressiert wird, senkt sich der Verschluß und bewirkt, daß das Licht, das sich in Richtung des Pfeils 22 fortpflanzte, an dem Verschluß in der Lücke 10 reflektiert wird und den Pfeilen 28 und 30 folgt, um die Struktur beim Anschluß 18 zu verlassen. Das ist der Sperrzustand.
Die Fig. 3a und 3b zeigen eine Variation dieses Koppelpunktschaltens. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es nur einen Eingangsanschluß und zwei Ausgangsanschlüsse. Wenn die Verschlußlücke 32 offen ist, tritt das Licht über den Anschluß 34 in den Schalter ein und pflanzt sich in Richtung des Pfeils 36 fort, bleibt in der Richtung des Pfeils 38 und tritt beim Anschluß 40 aus. Dieser Zustand ist in Fig. 3a gezeigt. In Fig. 3b ist die Verschlußlücke 32 gesperrt. Wenn das Licht bei dem Anschluß 34 eintritt, wird es von dem Verschluß bei der Lücke 32 gespiegelt und in die Richtung des Pfeils 42 gelenkt, und es tritt beim Anschluß 44 aus. Es gibt eine Alternative, wenn der Verschluß nur teilweise gesenkt wird, z. B. durch die Verwendung geringerer Spannung an der Adressierungselektrode, was ein variables Verhältnis der Aufsplittung verursacht, wobei die Lichtmenge, abhängig davon, wieviel des Lichtbündels von dem Verschluß abgelenkt wird, zu den Anschlüssen 40 und 44 gelangt.
Die Strukturen von Fig. 2, 3a und 3b können zusammengeschaltet werden, um ein Koppelnetz wie das 4x4-Kreuzschienennetz in Fig. 4. Hier wird eine Kombination aus den oberen zwei Strukturen verwendet. Die aus dem Anschluß 46 bestehende Struktur, die Verschlußlücke 54 und die Pfade 47a und 49a ist die Struktur aus einem Eingangsanschluß und zwei Ausgangsanschlüssen aus den Fig. 3a und 3b. Die aus den Pfaden 49a, 45a, 45b und 45c bestehende Struktur mit dem Verschluß 43 ist die Wellenleiter-Kreuzungsstruktur aus Fig. 2. Bei dieser Konfiguration kann das bei einem der Anschlüsse 46, 48, 50 oder 52 eintretende Licht bei einem der Anschlüsse 58, 64, 70 oder 72 austreten.
Viele Kombinationen von angehobenen und abgesenkten Verschlüssen können dies erreichen. Z. B. könnte beim Anschluß 46 eintretendes Licht beim Anschluß 58 folgendermaßen austreten: Wenn die Verschlußlücke 54 offen ist, würde das Licht entlang dem Pfad 47a geleitet werden. Das Licht würde dann von 47a nach 47b und 47c gelangen. Die Verschlußlücke 53 ist offen, und das Licht wandert in Richtung des Pfades 47c, bis es auf die Verschlußlücke 56 trifft, die gesperrt ist. Das Licht wird dann entlang dem Pfad 4?d zu den Pfaden 47e und 47f gelenkt. Die Verschlußlücke 53b ist offen, und das Licht tritt beim Anschluß 58 aus.
Die Übertragung von Licht von dem Anschluß 46 zu dem Anschluß 64 könnte einfach erreicht werden. In diesem Beispiel würde das beim Anschluß 46 eintretende Licht entlang dem Pfad 49a geführt werden, wenn die Verschlußlücke 54 gesperrt ist. Das Licht folgt einer direkten Linie entlang der Richtung des Pfades 49a, bis es die Verschlußlücke 60 erreicht, die auch gesperrt ist. Das Licht wird dann in die Richtung des Pfades 49b geführt und bleibt in dieser Richtung, bis es auf die Verschlußlücke 62 trifft Die Verschlußlücke 62, die sich im Blokkiermodus befindet, wird das Licht entlang dem Pfad 49c und beim Anschluß 64 hinauslenken.
Auf diese gleiche Art wie die Übertragung zum Anschluß 64 kann Licht zum Anschluß 70 gelenkt werden. In diesem Beispiel passiert das Licht, nachdem es entlang dem Pfad 49a geführt wurde, die Verschlußlücke 60, die jetzt offen ist, und trifft auf die gesperrte Verschlußlücke 66, die das Licht entlang dem Pfad 51a zu der gesperrten Verschlußlücke 68 lenkt, die es entlang dem Pfad 51b zum Anschluß 70 lenkt. Schließlich würde die gesperrte Verschlußlücke 54 das Licht entlang dem Pfad 49a lenken, um es über den vierten Anschluß 72 hinauszuleiten. Keine der Verschlußlücken wird gesperrt sein, was bewirkt, daß das Licht direkt über den Anschluß 72 austritt.
Eine alternative Konfiguration mit einem Eingang und zwei Ausgängen ist in Fig. 5a - 5d gezeigt. In Fig. 5a ist die Basisstruktur gezeigt. Statt daß einer der Ausgangsanschlüsse zu dem Eingangsanschluß in einer Linie liegt, sind beide von der Achse des Eingangsanschlusses durch den Winkel 20 versetzt. Diese Struktur hat zwei Verschlußlücken, die mehrere Möglichkeiten der Lichtlenkung bieten. In Fig. 5a tritt das Licht beim Anschluß 74 ein und pflanzt sich in Richtung des Pfeils 76 fort. Wenn die Verschlußlücken 78a und 78b offen wären, würde sich das Licht aufspalten und in der Richtung der Pfeile 80a und 80b wandern, wo es über den Anschluß 82 bzw. 84 austreten würde. Das Lichtverhältnis, das bei jedem Anschluß austritt, kann, wie oben beschrieben, durch Veränderung der Spannung gesteuert werden, die die abzusenkende Distanz des Verschlusses steuert.
In Fig. 5b ist die Verschlußlücke 78a gesperrt und die Verschlußlücke 78b offen. Das Licht tritt beim Anschluß 74 ein und pflanzt sich in Richtung des Pfeils 76 fort, bis es auf die gesperrte Verschlußlücke 78a trifft. In diesem Beispiel wird das Licht dann durch die offene Verschlußlücke 78b und entlang dem Pfeil 86 bei dem Anschluß 84 hinausgeführt. Ferner könnte die wirklich austretende Lichtmenge durch die Blockierstärke der Verschlußlücke 78b gesteuert werden. In Fig. 5c wird die entgegengesetzte Verschlußkonfiguration gezeigt. Die Verschlußlücke 78a ist offen und die Verschlußlücke 78b ist gesperrt. In diesem Fall tritt das Licht beim Anschluß 74 ein und würde entlang dem Pfad 88 und beim Anschluß 82 hinausgelenkt werden. Schließlich wird alles Licht, das beim Anschluß 74 eintritt, reflektiert werden, wenn beide Verschlußlücken gesperrt sind, und es würde weder beim Anschluß 82 noch beim Anschluß 84 Licht austreten.
In Fig. 6 sind zwei zusätzliche Y-Strukturen mit den Ausgangsanschlüssen einer weiteren Y-Struktur verbunden worden. Licht könnte also entweder vollständig bei einem der vier Anschlüsse oder auf die vier Anschlüsse aufgeteilt, die einen 1 zu 4 - Strahlaufteiler bilden, hinausgelenkt werden. Beim Anschluß 74 eintretendes Licht könnte durch die Verschlußlücken 78a und 78b aufgeteilt werden und entlang der zwei Pfade 79a und 81a zu den Pfaden 79b bzw. 81b gelangen. Wenn beide Verschlußlücken 90a und 90b auf dem oberen Pfad 79b offen sind, wird das Licht wieder aufgeteilt und entlang den Pfaden 79c und 79d bei den Anschlüssen 94 und 96 austreten. Wenn beide Verschlußlücken 92a und 92b bei dem unteren Pfad 81b offen sind, würde das Licht wieder aufgeteilt und entlang den Pfaden 81c und 81d weiterwandern, um auch bei den Anschlüssen 98 und 100 auszutreten. Außerdem könnte das Licht vollständig bei irgendeinem der Anschlüsse hinausgelenkt oder zwischen beliebigen zwei oder drei Anschlüssen aufgeteilt werden, wenn die richtigen Verschlüsse zum Absenken ausgewählt werden.
In Fig. 7 wurde die v-Struktur der Fig. 5a - 5d mit der Kreuzungsstruktur von Fig. 2 in einem Netzwerk verknüpft. Außerdem kann das bei irgendeinem der Anschlüsse 102, 104, 106 oder 108 eintretende Licht bei der richtigen Auswahl des Verschlusses in einer von vielen möglichen Kombinationen bei irgendeinem Anschluß 116, 122, 128 oder 132 hinausgelenkt werden. Ferner könnte das Licht auf beliebige zwei oder drei oder auf alle vier Anschlüsse aufgeteilt werden. Z. B. könnte beim Anschluß 102 eintretendes Licht entlang dem Pfad 109a geführt werden, wenn die Verschlußlücke 110a als gesperrt gewählt wird und die Verschlußlücke 110b offen bleibt. Das Licht würde sich dann auf dem Pfad 109a in die gleiche Richtung fortpflanzen, bis es auf die nächste gesperrte Verschlußlücke 112 trifft, die das Licht veranlassen würde, entlang dem Pfad 109b zu wandern. Das Licht würde die Richtung 109b beibehalten, bis es auf die gesperrte Verschlußlücke 114a trifft, die abgesenkt ist, und über die offene Verschlußlücke 114b beim Anschluß 116 austreten.
Ähnlich könnte das Licht bei dem Anschluß 122 hinausgelenkt werden, wenn es entsprechend dem Anfangsteil der obigen Beschreibung bis zur Verschlußlücke 112 folgt. Die Verschlußlücke 112 wäre geöffnet, um dem Licht zu ermöglichen, in der Richtung des Pfades 109a zu bleiben, bis es auf die gesperrte Verschlußlücke 124 stieße, die das Licht entlang dem Pfad 111 lenkt. Das Licht würde dann zu der gesperrten Verschlußlücke 120a weiterwandern und über die geöf fnete Verschlußlücke 120b beim Anschluß 122 hinausgelenkt werden. Um das Licht beim Anschluß 128 hinauszulenken, würde die Verschlußlücke 118 offenbleiben, und die Verschlußlücke 124 würde gewählt werden. Das würde das Licht entlang dem Pfad 113 zu der gesperrten Verschlußlücke 126a, durch die geöffnete Verschlußlücke 126b und beim Anschluß 128 hinausführen. Schließlich könnte das Licht beim Anschluß 132 hinausgelenkt werden, wenn alle Verschlußlükken zwischen der Verschlußlücke 110a und 130b in offener Position bleiben. Durch das Sperren der Verschlußlücke 130b würde das Licht beim Anschluß 132 hinausgelenkt werden. Ferner ist es möglich, das Licht entlang vieler unterschiedlicher Pfade zu lenken, um die gleichen Resultate zu erreichen, aber die obige Beschreibung sollte die Anpassungsfähigkeit des Netzwerks aufzeigen. Außerdem könnten die Lücken direkt über den ankommenden Wellenleiter-Anschlüssen positioniert werden, um eine individuelle Steuerung jedes Anschlusses zu ermöglichen.
Diese Art von Vorrichtungen hat zahlreiche Vorteile. Wie oben beschrieben, erlauben sie viele unterschiedliche Möglichkeiten der Lichtführung. Sie werden monolitisch gefertigt. Die Elektroden werden in vorher festgelegten Positionen auf das Substrat aufgebracht. Die Wellenleiter-Umhüllungen und die Ader werden dann über die Elektroden geformt. Eine Schicht aus organischem Abstandsmaterial wird dann außen über die Wellenleiterstruktur gezogen und strukturiert. Das Metall zum Formen der Metallelemente, Gelenke und Verschlüsse wird dann aufgebracht, strukturiert und geätzt. Schließlich wird das organische Abstandsmaterial entfernt, um den Metallelementen freie Beweglichkeit zu ermöglichen. Die sich ergebende Struktur hat über den Lücken positionierte Verschlüsse, die in die Wellenleiter geformt sind, und eine Elektrode unter dem Metallelement, um ihm zu ermöglichen, adressiert zu werden.
Wegen der Art, wie diese gefertigt werden, sind sie weniger teuer, kleiner und schneller als herkömmliche optische Schalter. Die Schaltzeit zum Umlenken der Spiegel ist ungefähr 10.sec. Das macht die Zeit für das Umfigurieren extrem kurz. Auch führt die relativ vereinfachte Fertigung zu einer hohen Ertragsrate, und es werden weniger Betriebsmittel verschwendet.
Obwohl bisher ein bestimmtes Ausführungsbeispiel für ein Schaltmittel beschrieben wurde, ist es nicht beabsichtigt, daß solche spezifische Bezugnahmen als Begrenzungen auf den Schutzumfang dieser Erfindung in Betracht gezogen werden, ausgenommen insoweit, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt wird.

Claims

1. Schaltmittelstruktur mit:

a) einem Substrat (7);

b) einer Wellenleiterstruktur (6) auf dem Substrat mit wenigstens einem Eingang (12, 16) und einem Ausgang (18, 14), wobei die Wellenleiterstruktur wenigstens eine Lücke (10) in dem Wellenleiter besitzt, die zwischen dem Eingang und dem Ausgang angeordnet ist;

c) einem elektrostatisch anziehbaren Element (2), das der Lücke benachbart angeordnet und wenigstens an einem Gelenk (9a, 9b) angebracht ist;

d) und wenigstens einer an die Lücke angrenzenden Elektrode (11a-11f), die elektrisch adressierbar und dafür ausgelegt ist, die Ablenkung des elektrostatisch ablenkbaren Elements zu bewirken, um wenigstens zwei Schaltzustände zu schaffen;

dadurch gekennzeichnet, daß das Element ferner eine an ihm angebrachte reflektierende Struktur (4) aufweist und daß in wenigstens einem der Schaltzustände das reflektierende Element in der Lücke positioniert ist.

2. Struktur nach Anspruch 1, bei der das reflektierende Element an der Unterseite des elektrostatisch anziehbaren Elements angebracht ist.

3. Struktur nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Element ferner eine an seiner Unterseite angebrachte vertikale Struktur enthält.

4. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die reflektierende Struktur Metall enthält.

5. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das elektrostatisch ablenkbare Element Metall enthält.

6. Struktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwei Eingänge und zwei Ausgänge vorgesehen sind, so daß durch die Position des Elements festgelegt ist, an welchem Ausgang an irgendeinem der Eingänge eintretendes Licht austritt.

7. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein Eingang und zwei Ausgänge vorgesehen sind, derart, daß einer der Ausgänge auf der gleichen Achse wie der Eingang liegt.

8. Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der ein Eingang und zwei Ausgänge vorgesehen sind, derart, daß beide Ausgänge gegenüber der Achse des Eingangs durch einen gegebenen Winkel gegenüber dieser Achse versetzt sind.