DE102021201373A1 - MEMS-actuated light-emitting device and method for changing the position of a light-emitting device - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung umfasst eine Lichtemissionseinrichtung, die ausgebildet ist, um Licht auszusenden, eine MEMS-Positioniereinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Position der Lichtemissionseinrichtung in der Vorrichtung zu verändern, um eine Position, von der das Licht aussendbar ist, zu verändern. Die Vorrichtung umfasst eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Steuerungsinformation, die mit einer Position der Lichtemissionseinrichtung assoziiert ist, zu erhalten, und um basierend auf der Steuerungsinformation die MEMS-Positioniereinrichtung zu steuern, um die Position der Lichtemissionseinrichtung zu verändern.A device includes a light emission device that is designed to emit light, a MEMS positioning device that is designed to change a position of the light emission device in the device in order to change a position from which the light can be emitted. The device includes a controller configured to receive control information associated with a position of the light emitting device and to control the MEMS positioning device based on the control information to change the position of the light emitting device.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einer MEMS-Positioniereinrichtung zum Verändern einer Position einer Lichtemissionseinrichtung, beispielsweise einem Gitterkoppler oder Bragg-Gitter, und auf ein Verfahren zum Verändern einer Position, von der ein Licht mit einer Lichtemissionseinrichtung ausgesendet wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf einen MEMS-aktuierten photonischen Gitterkoppler für mehrschichtige photonische Systeme.The present invention relates to an apparatus with a MEMS positioning device for changing a position of a light emitting device, for example a grating coupler or Bragg grating, and a method for changing a position from which a light is emitted with a light emitting device. The present invention further relates to a MEMS-actuated photonic grating coupler for multilayer photonic systems.
Sensorchips, die auf integrierter Photonik basieren, sind bekannte Sensorverfahren. Austauschbare Sensoren sind ein wichtiger Teil einer patientennahen Vor-Ort-Diagnose und Umweltmessungen. Um die Mobilität solcher Systeme zu erhöhen, sind kompakte Systeme auf Handgerätebasis gewünscht. In solchen Systemen ist ein kompakter und robuster Interposer, das heißt, ein Kopplungselement, zwischen den austauschbaren Chips und dem Auslesesystem notwendig.Sensor chips based on integrated photonics are known sensor methods. Replaceable sensors are an important part of point-of-care diagnostics and environmental measurements. In order to increase the mobility of such systems, compact handheld based systems are desired. In such systems, a compact and robust interposer, i.e. a coupling element, is necessary between the exchangeable chips and the readout system.
Hierzu werden zwei Konzepte betrachtet. Gemäß dem einen Konzept kann Licht an den Chip gekoppelt und von dem Chip gekoppelt werden, indem Freiraumoptiken und mikromechanische Positionierung verwendet wird. Diese Lösung führt zu einem voluminösen Auslesesystem aber ermöglicht kostengünstige Sensorchips. Im zweiten Verfahren werden die Daten durch einen elektrischen Interposer von einer on-chip integrierten Elektronik erhalten, beispielsweise unter Verwendung von Photodioden, Lasern und dergleichen. In diesem Fall wird der Chip sowie das Auslesesystem ausgewechselt und das wird zu einer Erhöhung des Preises der Sensorchips führen. Allerdings ermöglicht das zweite Konzept ein hochkompaktes System. Ungeachtet dessen scheitern beide Konzepte daran, ein separates kompaktes Handgerät als Auslesesystem mit günstigen austauschbaren Sensorchips bereitzustellen.To this end, two concepts are considered. According to one concept, light can be coupled to and off the chip using free space optics and micromechanical positioning. This solution leads to a voluminous readout system but enables inexpensive sensor chips. In the second method, the data is obtained through an electrical interposer from on-chip integrated electronics, for example using photodiodes, lasers and the like. In this case, the chip and the reading system will be replaced, which will lead to an increase in the price of the sensor chip. However, the second concept enables a highly compact system. Irrespective of this, both concepts fail because a separate, compact hand-held device as a readout system with cheap, replaceable sensor chips is available.
Wünschenswert wäre demnach ein Konzept zum Ausrichten einer Lichtquelle, das eine robuste und kostengünstige Realisierung von Vorrichtungen und Systemen ermöglicht.Accordingly, a concept for aligning a light source that enables devices and systems to be implemented in a robust and cost-effective manner would be desirable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Konzept für eine robuste und kostengünstige Positionierung einer Lichtquelle zu ermöglichen.The object of the present invention is therefore to enable a concept for a robust and cost-effective positioning of a light source.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Aussendeort von Licht für einen auswechselbaren optischen Chip mit einer MEMS-Positioniereinrichtung zu verschieben, um eventuell verbleibende Positionsungenauigkeiten zu kompensieren, was eine exakte Positionierung des Orts, an dem das Licht ausgesendet wird, ermöglicht und insofern eine robuste Vorrichtung ermöglicht, die ungeachtet der aktiven Einstellung dennoch kostengünstig herstellbar ist.The core idea of the present invention is to shift the emission location of light for a replaceable optical chip with a MEMS positioning device in order to compensate for any remaining positional inaccuracies, which enables exact positioning of the location at which the light is emitted, and in this respect a allows robust device that is still inexpensive to produce regardless of the active setting.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst eine Vorrichtung eine Lichtemissionseinrichtung, die ausgebildet ist, um Licht auszusenden. Ferner ist eine MEMS-Positioniereinrichtung angeordnet, die ausgebildet ist, um eine Position der Lichtemissionseinrichtung in dem MEMS zu verändern, um eine Position, von der das Licht aussendbar ist, zu verändern. Eine Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, um eine Steuerungsinformation, die mit einer Position der Lichtemissionseinrichtung assoziiert ist, zu erhalten, und um basierend auf der Steuerungsinformation die MEMS-Positioniereinrichtung zu steuern, um die Position der Lichtemissionseinrichtung zu verändern.According to one embodiment, a device includes a light emission device that is designed to emit light. Furthermore, a MEMS positioning device is arranged, which is designed to change a position of the light emission device in the MEMS in order to change a position from which the light can be emitted. A controller is configured to receive control information associated with a position of the light emitting device and, based on the control information, to control the MEMS positioning device to change the position of the light emitting device.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung ein Bereitstellen einer Lichtemissionseinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um Licht auszusenden. Ferner erfolgt ein Bereitstellen einer MEMS-Positioniereinrichtung, die einen MEMS-Aktuator aufweist, so dass die MEMS-Positioniereinrichtung ausgebildet ist, um eine Position der Lichtemissionseinrichtung in dem MEMS zu verändern, um eine Position, von der das Licht aussendbar ist, zu verändern. Ferner erfolgt ein Bereitstellen einer Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Steuerungsinformation, die mit einer Position der Lichtemissionseinrichtung assoziiert ist, zu erhalten, und um basierend auf der Steuerungsinformation die MEMS-Positioniereinrichtung zu steuern, um die Position der Lichtemissionseinrichtung zu verändern.According to one exemplary embodiment, a method for producing a device includes providing a light-emitting device such that it is designed to emit light. Furthermore, a MEMS positioning device is provided, which has a MEMS actuator, so that the MEMS positioning device is designed to change a position of the light emission device in the MEMS in order to change a position from which the light can be emitted. Furthermore, a control device is provided which is designed to receive control information associated with a position of the light emission device and to control the MEMS positioning device based on the control information in order to change the position of the light emission device.
Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Aussenden von Licht mit einer Lichtemissionseinrichtung, ein Erhalten einer Steuerungsinformation, die mit einer Position der Lichtemissionseinrichtung assoziiert ist, und ein Steuern der MEMS-Positioniereinrichtung basierend auf der Steuerungsinformation, um die Position der Lichtemissionseinrichtung zu verändern, um eine Position, von der das Licht ausgesendet wird, mit der MEMS-Positioniereinrichtung zu verändern.A method according to an embodiment includes emitting light with a light emitting device, obtaining control information associated with a position of the light emitting device, and controlling the MEMS positioning device based on the control information to change the position of the light emitting device to a Position from which the light is emitted to change with the MEMS positioning device.
Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Further advantageous exemplary embodiments are the subject matter of the dependent patent claims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
2 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel die zusätzlich zur Vorrichtung aus1 eine Lichtempfangseinrichtung aufweist; -
3 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel die gegenüber den Vorrichtungen aus1 und2 eine zusätzliche Lichtemissionseinrichtung und eine zusätzliche Lichtempfangseinrichtung zum Durchführen einer Bestimmung einer Positionierung aufweist. -
4 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die Lichtemissionseinrichtung eine Gitterkoppelstruktur umfasst; -
5 eine schematische Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Lichtemissionseinrichtung und die Lichtempfangseinrichtung ortsfest zueinander auf dem inneren Substratbereich angeordnet sind; -
6 eine schematische Seitenschnittdarstellung einer vorteilhaften Ausgestaltung einer Lichtemissionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
7a-b schematische Ansichten eines Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
8 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, die auch in hierin beschriebenen Systemen eingesetzt werden kann; -
9 ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei oder mehrere Lichtemissionseinrichtungen an einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind; -
10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit dem eine Vorrichtung gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen herstellbar ist; und -
11 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens, das beispielsweise in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen dazu genutzt werden kann, um eine hierin beschriebene Vorrichtung oder ein System zu betreiben.
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1 a schematic block diagram of a device according to an embodiment; -
2 a schematic block diagram of a device according to an embodiment in addition to the device1 comprises a light receiving device; -
3 a schematic block diagram of a device according to an embodiment compared to the devices from1 and2 an additional light emitting device and an additional light receiving device for performing a determination of a positioning. -
4 a schematic plan view of a device according to an embodiment, in which the light emission device comprises a grating coupling structure; -
5 a schematic plan view of a device according to an exemplary embodiment, in which the light-emitting device and the light-receiving device are arranged in a stationary manner with respect to one another on the inner substrate region; -
6 a schematic side sectional view of an advantageous embodiment of a light emission device according to an embodiment; -
7a-b schematic views of a system according to an embodiment; -
8th a schematic block diagram of a device according to an embodiment, which can also be used in systems described herein; -
9 a schematic block diagram of a device according to an embodiment, in which two or more light-emitting devices are arranged on a common substrate; -
10 a schematic flowchart of a method according to an embodiment, with which a device according to embodiments described herein can be produced; and -
11 a schematic flowchart of a method that can be used, for example, in accordance with embodiments to operate a device or a system described herein.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical elements, objects and/or structures that have the same function or have the same effect are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the elements shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.Exemplary embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, example embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of comprehensibility, exemplary embodiments are described using block diagrams as a substitute for a detailed illustration. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can be combined with one another without further ado, as long as it is not explicitly described to the contrary.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine MEMS-Positioniereinrichtung 16, die ausgebildet ist, um eine Position der Lichtemissionseinrichtung 12 in der Vorrichtung zu verändern, um eine Position, von der das Licht 14 aussendbar ist, zu verändern. Die MEMS-Positioniereinrichtung 16 umfasst dabei zumindest eine MEMS-Aktuatorik, was beispielweise vermittels elektrostatischer Kammelektroden, Piezoelektrik, thermoelektrischer Aktuatoren, magnetoaktiver Aktuatoren oder dergleichen erfolgen kann.The
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Steuerungsinformation 22, die mit einer Position der Lichtemissionseinrichtung 12 assoziiert ist, zu erhalten, und um basierend auf der Steuerungsinformation 22 die MEMS-Positioniereinrichtung 16 zu steuern, um die Position der Lichtemissionseinrichtung 12 zu verändern. Die Veränderung der Position der Lichtemissionseinrichtung 12 kann dabei zumindest entlang einer ersten Richtung 241 mit positiver oder negativer Amplitude erfolgen, das bedeutet, hin und/oder her. In manchen Ausführungsformen ist ferner vorgesehen, die Lichtemissionseinrichtung 12 auch entlang einer zweiten, orthogonalen Richtung 242 zu bewegen, um so insgesamt eine Positionierung der Lichtemissionseinrichtung 12 in einer zweidimensionalen Ebene zu ermöglichen. Die MEMS-Positioniereinrichtung 16 kann dabei ausgebildet sein, um eine entsprechende Stellkraft entlang einer jeweiligen positiven und negativen Orientierung der Richtung 241 und/oder 242 bereitzustellen. Alternativ kann es ebenfalls ausreichend sein, die Kraft jeweils nur entlang positiver oder negativer Orientierung aufzubringen und beispielsweise rückstellende Elemente, etwa Federelemente oder dergleichen, zu verwenden, um das Element in eine Ausgangslage zurück zu bewegen. Beide Konzepte sind miteinander kombinierbar, so dass eine Ruhelage entlang einer oder mehrerer Richtungen vermittels mechanischer rückstellender Elemente erhalten werden kann und darüber hinaus die MEMS-Positioniereinrichtung 16 entlang positiver und negativer Orientierung der Richtung 241 und/oder 242 Kräfte aufbringen kann.The
Die Steuerungsinformation 22 kann eine Information aufweisen, dass die Position der Lichtemissionseinrichtung 12 zu verändern ist. Diese kann auf unterschiedliche Weise gewonnen werden. Ausführungsbeispiele sehen vor, diese Information durch eine geeignete Sensorik zu erhalten, etwa eine positionsbestimmende Sensorik. Alternativ oder zusätzlich sehen Ausführungsbeispiele vor, eine Rückkopplung des ausgesendeten Lichts zu nutzen, um zu bestimmen, ob die Lichtemissionseinrichtung 12 bezüglich einer das Licht 14 empfangenden Einrichtung korrekt positioniert ist, was wiederum eine Quelle für die Steuerungsinformation 22 bereitstellen kann. Insofern kann die Steuerungsinformation 22 beispielsweise mit einer Lichtamplitude eines empfangenen Lichts assoziiert sein, so dass eine Lichtamplitude unterhalb eines lokalen oder globalen Maximums als optimierungsbedürftige Position ausgelegt werden kann, wobei alternativ oder zusätzlich auch eine konkrete Positionsinformation, etwa im Hinblick auf eine x/y-Koordinate oder dergleichen, erhalten werden kann.The
Die Steuerungseinrichtung kann ausgebildet sein, um die Lichtemissionseinrichtung 12 innerhalb eines Suchraums, etwa begrenzt durch die Bewegungsamplituden der MEMS-Positioniereinrichtung 16 oder andere Kriterien, zu bewegen, bis ein Maximum einer Lichtamplitude des Lichts 28 durch die Steuerungseinrichtung 18 innerhalb des Suchraums festgestellt ist.The control device can be designed to move the
In Ausführungsbeispielen kann die Positionsbestimmung über in der Vorrichtung integrierte Sensoren durchgeführt werden, da dies eine hochintegrierte und sensitive Methode ist. Eine Positionsbestimmung mittels externer Sensoren ist denkbar, führt aber zu zusätzlichem Aufwand. Eine Positionsbestimmung wird im Grunde genommen ohne zusätzliche Information von Positionssensoren innerhalb von Ausführungsbeispielen durchgeführt, da Antriebsspannung und Position der MEMS-Positioniereinrichtung einen in erster Näherung gut beschreibbaren Zusammenhang aufweisen und die Steuerung der MEMS-Positionseinrichtung, etwa durch eine Antriebsspannung, auf das Lichtleistungssignal als Regelgröße erfolgen kann, wie es nachfolgend noch ausgeführt wird. Eine zusätzliche genauere Bestimmung der Position vermittels externer oder integrierter Sensoren kann für Anwendungen von Interesse sein, bei denen die exaktere Position beziehungsweise deren Veränderung eine zusätzliche Information trägt.In exemplary embodiments, the position can be determined using sensors integrated in the device, since this is a highly integrated and sensitive method. A position determination by means of external sensors is conceivable, but leads to additional effort. A position determination is basically carried out without additional information from position sensors within exemplary embodiments, since the drive voltage and position of the MEMS positioning device have a relationship that can be described well in a first approximation and the control of the MEMS position device, for example by a drive voltage, on the light output signal as a control variable can take place, as will be explained below. An additional, more precise determination of the position by means of external or integrated sensors can be of interest for applications in which the more exact position or its change carries additional information.
Die Steuerungseinrichtung 22 kann ausgebildet sein, um basierend auf dem Licht 28 die Steuerungsinformation 22 zu bestimmen. So kann beispielsweise die Lichtempfangseinrichtung 26 ausgebildet sein, um eine Information über eine Wellenlänge, Amplitude, eine Phase des Lichts 28 oder andere Informationen als Signal 22' an die Steuerungseinrichtung 18 bereitzustellen, welche diese Information verarbeitet und daraus die Steuerungsinformation 22 zumindest teilweise ableiten kann.The
Das Licht 28 kann auf dem Licht 14 basieren. Beispielsweise kann das Licht 28 ein Ausgangssignal eines optischen Chips oder eines anderen optischen Elements sein, welches das Licht 14 empfängt und verarbeitet. Alternativ kann das Licht 28 auf einer Reflexion des Lichts 14 basieren.
So kann beispielsweise die Steuerungseinrichtung 18 ausgebildet sein, um die MEMS-Positioniereinrichtung 16 so anzusteuern, dass diese die Lichtemissionseinrichtung 12 entlang der Richtung 241 und/oder 242 hin- und herbewegt. Aus einem dergestalt abgefahrenen Suchraum kann die Steuerungseinrichtung 22 beispielsweise diejenige Position auswählen und die Lichtemissionseinrichtung 12 vermittels der MEMS-Positioniereinrichtung 16 dorthin bewegen, wo beispielsweise eine größte Lichtamplitude des Lichts 28 zurückempfangen wird. Alternativ kann auch eine Auswahl der Position dergestalt getroffen werden, an welcher Position zuerst eine gewisse Schwelle einer Lichtamplitude oder dergleichen erreicht oder überschritten wird.For example, the
Die Steuerungseinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um für eine Bestimmung einer Zielposition der Lichtemissionseinrichtung 12 die MEMS-Positioniereinrichtung 16 anzusteuern, um die Lichtemissionseinrichtung 12 in unterschiedliche Positionen zu bewegen. Ferner kann die Steuerungseinrichtung 18 das Licht 28 in den unterschiedlichen Positionen auswerten, um eine Mehrzahl von Auswerteergebnissen zu erhalten, beispielsweise im Sinne der empfangenen Lichtamplitude. Basierend auf der Mehrzahl von Auswerteergebnissen kann die Steuerungseinrichtung die Zielposition der Lichtemissionseinrichtung 12 bestimmen, und damit eine Positionierung der Lichtemissionseinrichtung 12 zumindest zeitweise zu beenden, beispielsweise um für die korrespondierende Sensorchip-Anwendung eine gleichbleibende Position bereitzustellen. Eine Neupositionierung der Lichtemissionseinrichtung 12 kann beispielsweise dann erfolgen, wenn ein optisch aktiver Chip, der mit der Vorrichtung 10 oder 20 gekoppelt wird, ausgewechselt wird.The
Die Vorrichtung 10 und/oder die Vorrichtung 20 kann dabei ausgebildet sein, um das Licht 14 einer anderen Vorrichtung bereitzustellen, etwa einer optisch aktiven Einrichtung oder einem optisch aktiven Element, das es beispielsweise ermöglicht, unter Verwendung des Lichts 14 Messungen auszuführen. Von einem derartigen Element zurück bereitgestelltes Licht, etwa in Form des Lichts 28, kann von der Steuerungseinrichtung 18 vor, während oder nach der Neupositionierung der Lichtemissionseinrichtung 12 ausgewertet werden, um entsprechende Messergebnisse zu erhalten. Hierzu zählen beispielsweise Veränderungen im Spektrum und/oder der Lichtamplitude basierend auf unterschiedlichen Stoffen, mit denen das optisch aktive Element in Kontakt gebracht wird oder andere auf Optik basierende Messungen.The
Während die Vorrichtungen 10 und/oder 20 das für die Messungen implementierte Licht 14 auch dafür nutzen können, um die Positionierung der Lichtemissionseinrichtung 12 zu ermöglichen, wie es detailliert im Zusammenhang mit der
Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht hierauf beschränkt. Alternativ kann die Lichtemissionseinrichtung 12 auch gegenüber der Lichtquelle 32 und/oder der Lichtempfangseinrichtung 38 bewegt werden, etwa indem das optisch aktive Element das Licht 36 aktiv erzeugt, um damit anzuzeigen, inwieweit sich ein dortiger Empfang des Lichts 14 verändert.However, exemplary embodiments are not limited to this. Alternatively, the light-emitting
Das Licht 14 kann einer anderen Einrichtung, etwa einem optisch aktiven Element wie einem auswechselbaren Chip bereitgestellt werden, etwa zu Messzwecken. Zusätzlich zur Lichtemissionseinrichtung 12, die mit einer Lichtquelle verbunden sein kann, um der Lichtemissionseinrichtung 12 eine Quelle für das Licht 14 bereitzustellen. Die Vorrichtung kann eine zweite bzw. zusätzliche Lichtquelle und/oder Lichtemissionseinrichtung aufweisen, um ein Positionslicht, das Licht 34, auszusenden. Ferner kann eine weitere Lichtempfangseinrichtung 38 angeordnet sein, die ausgebildet ist, um ein auf dem Positionslicht 34 basierendes von dem optisch verbundenen Element empfangenes Licht 36 zu empfangen. Die Steuerungseinrichtung 18 kann ausgebildet sein, um basierend auf dem empfangenen Licht 36 die Steuerungsinformation zu bestimmen.The light 14 can be provided to another device, for example an optically active element such as a replaceable chip, for example for measurement purposes. In addition to the
Die zusätzliche Anordnung der Lichtquelle 32 und/oder der Lichtempfangseinrichtung 38 ermöglicht es, das Licht 14 und/oder das Licht 28 für die Messungen zu verwenden, was beispielsweise eine längere Nutzungsdauer des Lichts und/oder speziell abgestimmte Wellenlängenbereiche ermöglicht.The additional arrangement of the
Beispielsweise weist die MEMS-Positioniereinrichtung eine Kammelektrodenstruktur auf, die ausgebildet ist, um eine elektrostatische Kraft zu erzeugen. Die MEMS-Positioniereinrichtung kann ausgebildet sein, um die Lichtemissionseinrichtung 12 unter Einfluss der elektrostatischen Kraft zu verschieben. Hierfür können Aktuatoren 161 und/oder 162 ausgebildet sein, um die Lichtemissionseinrichtung 12 entlang der Richtung 242 zu verschieben. Aktuatoren 163 und/oder 164 können ausgebildet sein, um die Lichtemissionseinrichtung 12 entlang einer zweiten, verschiedenen und beispielsweise orthogonalen Richtung zu verschieben. Die jeweiligen Aktuatoren können mittelbar oder unmittelbar mit dem beweglichen Substratabschnitt 42 beziehungsweise 46 verbunden sein. Mittelbar, über den Zwischenbereich 42, können auch die Aktuatoren 161 und 162 mit dem beweglichen inneren Bereich 42 verbunden sein.For example, the MEMS positioner has a comb electrode structure configured to generate an electrostatic force. The MEMS positioning device can be designed to displace the light-emitting
Die Lichtemissionseinrichtung 12 kann beispielsweise an einem beweglichen Substrat 46 angeordnet sein, wobei dieser Substratabschnitt vermittels des Aktuators 163 und/oder 164 bewegbar an der beweglichen Zwischenstruktur 42 aufgehängt sein kann. Die bewegliche Zwischenstruktur 42 kann beweglich gegenüber dem äußeren Substrat 46 angeordnet sein. Die Aktuatoren 161 und 162 können ausgebildet sein, um die bewegliche Zwischenstruktur 42 auszulenken.The
Die MEMS-Positioniereinrichtung umfasst beispielsweise Kammelektrodenanordnungen 161 und 162, um einen Zwischenbereich 42 gegenüber einem äußeren Bereich 44 entlang der Richtung 242 zu verschieben. Gegenüber dem Zwischenbereich 42 ist ein innerer Bereich 44 über Kammelektrodenstrukturen 163 und 164 so angeordnet, dass die Kammelektrodenstrukturen 163 und 164 eine Bewegung parallel zu der Richtung 241 bewirken können.The MEMS positioning device comprises, for example, comb
Federelemente 481 und 482 können angeordnet sein, um den Zwischenbereich 42 gegenüber dem äußeren Bereich 44 abzustützen und/oder beweglich aufzuhängen. Alternativ oder zusätzlich können Federelemente 483 und 484 den inneren Bereich 46 gegenüber dem Zwischenbereich 42 beweglich aufhängen.Spring elements 48 1 and 48 2 may be arranged to support and/or movably suspend the
Die Federelemente 481, 482, 483 und/oder 484 können dabei jeweils eine rückstellende Kraft bereitstellen, die als relevant betrachtet werden kann, etwa im Sinne der Kraftauslegung oder der Auslegung der Aktuatorik. Die Lichtemissionseinrichtung 12 kann auf einem beweglichen Substratabschnitt angeordnet sein, beispielsweise dem inneren Bereich 46. Der Substratabschnitt kann über eine Federelementanordnung, beispielsweise die Federelemente 483 und 484 mit einer Substratumgebung, beispielsweise dem inneren Bereich 42 oder direkt mit dem äußeren Bereich 44 mechanisch verbunden sein. Die MEMS-Positioniereinrichtung kann eine Antriebseinrichtung aufweisen, etwa die Kammelektrodenstruktur, die ausgebildet ist, um den beweglichen Substratabschnitt unter Verformung der Federelementanordnung zu bewegen.The spring elements 48 1 , 48 2 , 48 3 and/or 48 4 can each provide a restoring force that can be considered relevant, for example in terms of the force design or the design of the actuator system. The
In der dargestellten Implementierung der Vorrichtung 40 können die Federelemente 481 und 484 darüber hinaus genutzt werden, um eine Trägerstruktur für einen optischen Wellenleiter 52 bereitzustellen, der eine Lichtquelle 54 optisch mit der Lichtemissionseinrichtung 12 verbindet. Die Lichtquelle 54 kann beispielsweise eine optische Ader oder ein optisches Kabel sein, kann aber alternativ oder zusätzlich auch einen Laser, eine lichtemittierende Diode (LED) oder dergleichen aufweisen.In the illustrated implementation of the
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Federelements, das eine relevante Rückstellkraft bereitstellen kann, kann ein vernachlässigbar weiches Element, das gegenüber den beschriebenen Federelementen keine relevante Rückstellkraft bereitstellt, als Trägerstruktur für den optischen Wellenleiter genutzt werden. Alternativ ist es ebenfalls möglich, den optischen Wellenleiter 52 über Luftspalte oder dergleichen zu führen, das heißt, auf eine zwischen zwei relativ zueinander beweglich angeordneten Substratabschnitten angeordnete Trägerstruktur zu verzichten. Das bedeutet, der Wellenleiter 52 kann auch über eine separate Struktur geführt werden, welche mechanisch sehr viel weicher ist und nicht signifikant zur Federhärte der Aufhängung beiträgt.As an alternative or in addition to using a spring element that can provide a relevant restoring force, a negligibly soft element that does not provide any relevant restoring force compared to the described spring elements can be used as a support structure for the optical waveguide. Alternatively, it is also possible to route the
Ferner kann die Lichtempfangseinrichtung 26 über eine vergleichbare Struktur beweglich gegenüber dem äußeren Bereich 44 angeordnet sein. Die Lichtempfangseinrichtung 26 kann alternativ oder zusätzlich gegenüber der Lichtemissionseinrichtung 12 beweglich angeordnet und von der MEMS-Positioniereinrichtung bewegbar angeordnet sein. Die Steuerungseinrichtung kann ausgebildet sein, um eine Relativposition der Lichtempfangseinrichtung 26 gegenüber der Lichtemissionseinrichtung 12 anzupassen. Dies kann beispielsweise unter sequenzieller oder paralleler Ansteuerung entsprechender Bewegungsräume der Lichtemissionseinrichtung 12 und/oder der Lichtempfangseinrichtung 26 gegenüber dem optisch gekoppelten externen Element erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann zusätzliche Steuerungsinformation verwendet werden, etwa eine Art, ein Typ, eine Bauform oder dergleichen der externen Einrichtung.Furthermore, the
Die Lichtempfangseinrichtung 26 kann ebenfalls mit einem optischen Wellenleiter 56 gekoppelt sein, der das empfangene Licht beispielsweise an eine Lichtsenke weiterleiten kann, beispielsweise einen Photodetektor oder ebenfalls ein optisches Kabel oder dergleichen.The
Unter Bezugnahme auf die Vorrichtung 30 könnte die Vorrichtung 40 ferner auch eine zusätzliche Struktur zum Aussenden und/oder Empfangen von Licht aufweisen, etwa einen Gitterkoppler auf dem MEMS, der nur zu Positionierzwecke genutzt wird und ein gegenüber dem Licht der Lichtemissionseinrichtung 12 zusätzliches Lichtsignal aussendet, welche von einer Struktur des gegenüberliegenden Sensorchips (nicht gezeigt) reflektiert oder weiterverarbeitet und zurückgeschickt wird. Dies würde eine Trennung von Sensormesssignal und Positionssignal ermöglichen.Further, with reference to
Die Lichtempfangseinrichtung 26 kann ebenso wie die Lichtemissionseinrichtung 12 eine Gitterkoppelstruktur aufweisen und ausgebildet sein, um das Licht aus einer Richtung senkrecht zu einer dargestellten Verschaltungsebene zu erhalten und in eine Richtung parallel zu der Verschaltungsebene umzulenken. So kann beispielsweise das empfangene Licht aus Richtung der Betrachtungsebene auf die Lichtempfangseinrichtung 26 treffen und in etwa um 90 Grad umgelenkt werden. Sowohl für die Lichtempfangseinrichtung 26 als auch für die Lichtemissionseinrichtung 12 gilt dabei, dass das Funktionsprinzip muss das Licht nicht notwendigerweise vollständig senkrecht zur Bewegungsrichtung ausgesandt werden muss, es genügt vielmehr, dass das Licht eine Richtungskomponente aufweist, die senkrecht zu der Verschaltungsebene liegt. Es genügt also, das Aussenden aus der Ebene heraus, was auch unter einem Winkel verschieden von 90° erfolgen kann.Like the
Wie es in
Die MEMS-Positioniereinrichtung umfasst beispielhaft Kammelektrodenstrukturen 161 und 162, die jeweils ausgelegt sind, um entlang einer positiven und einer negativen Orientierung der Richtung 241 beziehungsweise 242 eine Bewegung des inneren Bereichs 46 und mithin der Lichtemissionseinrichtung 12 und der Lichtempfangseinrichtung 26 zu wirken. Federelemente 483 und 484 können als Trägerstrukturen für optische Wellenleiter 52 beziehungsweise 56 genutzt werden, die eine optische Kopplung zu einer als beispielsweise Laser gebildeten Lichtquelle 54 beziehungsweise einer als Photodiode oder Photoempfänger gebildeten Lichtsenke 58 bereitstellen.The MEMS positioning device comprises, for example,
Während die Vorrichtung 40 einen MEMS-aktuierten Gitterkoppler, der durch Kammelektroden angetrieben ist, zeigt, zeigt die
Die Lichtemissionseinrichtung 12 weist eine Reflexionsschicht 66 auf, die ausgehend von der Gitterkoppelstruktur 64 entgegengesetzt zu der Zielrichtung 62 angeordnet ist und ausgebildet ist, um von der Gitterkoppelstruktur 64 in die entgegengesetzte Richtung ausgesendetes Licht 14 in die Zielrichtung 14 zu reflektieren. Hierdurch kann die optische Effizienz der Lichtemissionseinrichtung 12 sehr hoch ausgestaltet werden. Die Reflexionsschicht 66 kann beispielsweise an einem Substrat 68 angeordnet sein und durch optisch transparentes Material 721 von der Gitterkoppelstruktur 64 beabstandet sein.The
Das System 70 ist ausgebildet, um ein optisch aktives Element 74 aufzunehmen. Hierfür können Eintrittsöffnungen, Austrittsöffnungen oder mechanische Führungen vorgesehen sein, um eine Bewegung und/oder Position des optisch aktiven Elements 74 gegenüber der Vorrichtung 50 zu steuern oder zu beeinflussen. Beispielsweise kann das System 70 mechanische Stopper 761 und/oder 762 aufweisen, die ausgebildet sind, um eine Grobpositionierung des optisch aktiven Elements 74 bereitzustellen, insbesondere gegenüber der Lichtemissionseinrichtung und/oder der Lichtempfangseinrichtung der Vorrichtung 50. Die Vorrichtung 50 kann ausgebildet sein, um das Licht 14 dem optisch aktiven Element 74 bereitzustellen und/oder um ein hierauf basierendes Licht zu empfangen.The
Beispielsweise kann das optisch aktive Element 74 mit einer Bewegung 78 in die mechanische Führung der mechanischen Stopper 761 und/oder 762 eingeführt werden, so dass das Licht 14 an eine entsprechende Empfangseinrichtung des optisch aktiven Elements 74 geleitet wird. Beispielhaft weist das optisch aktive Element 74 mehrere Ringresonatoren 82 auf, die mit einem Wellenleiter 84 in optischer Wechselwirkung stehen, so dass das Licht von einer Empfangseinrichtung 86 des optisch aktiven Elements 74 hin zu einer Lichtemissionseinrichtung 88 des optisch aktiven Elements 74 beeinflusst wird, beispielsweise aufgrund von Stoffen oder Medien, die mit den Ringresonatoren 82 interagieren. Das von der Lichtemissionseinrichtung 88 ausgesendete Licht, etwas das Licht 28, kann von der Lichtempfangseinrichtung 26 der Vorrichtung 50 wieder empfangen und ausgewertet werden. For example, the optically
Die Vorrichtung 50 kann für eine Aufnahme und eine Entnahme, das bedeutet, zum Wechsein eines auswechselbaren optischen Elements, dem optisch aktiven Element 74 ausgebildet sein, das unter Verwendung des bereitgestellten Lichts 14 das Licht 28 bereitstellen kann.The
Das Aussenden des Lichts 14 kann vermittels der Lichtemissionseinrichtung 12 erfolgen. Das auswechselbare optische Element kann beispielsweise ein optischer Chip sein oder einen solchen Chip umfassen.The light 14 can be emitted by means of the
Die
Ein System gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann somit eine Lichtquelle zum Bereitstellen des Lichts 14 aufweisen. Die Lichtquelle kann mit der Lichtemissionseinrichtung 12 vermittels eines Lichtwellenleiters optisch verbunden sein, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein System die Lichtquelle, die ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen Lichtsignalen bereitzustellen. Die Lichtquelle kann ausgebildet sein, um eines aus der Mehrzahl von Lichtsignalen an die Lichtemissionseinrichtung 12 bereitzustellen. So kann beispielsweise unter Verwendung der Steuerungseinrichtung oder anderer Einrichtungen für die Positionierung ein anderes Licht ausgesendet werden als für die Messung, etwa im Hinblick auf einen Wellenlängenbereich, eine Phase, eine Lichtamplitude oder dergleichen. Alternativ kann auch für die Messung zwischen mehreren möglichen Lichtarten ausgewählt werden, etwa in Abhängigkeit eines optisch aktiven Elements und/oder einer auszuführenden Messung.According to one embodiment, a system includes the light source, which is designed to provide a plurality of light signals that are different from one another. The light source can be designed to provide one of the plurality of light signals to the
Das System 70 ist so beschrieben und dargestellt, dass die Vorrichtung eine Lichtemissionseinrichtung aufweisen kann, die einer einzelnen Lichtempfangseinrichtung des optisch aktiven Elements zugeordnet beziehungsweise gegenüberliegend angeordnet ist. Es ist jedoch ebenfalls möglich, optisch aktive Elemente einzusetzen, die eine Mehrzahl von Lichtempfangseinrichtungen aufweisen, etwa um eine Mehrzahl von Messungen auszuführen, die nacheinander auszuführen sind oder von denen eine auszuwählen ist. Ein System gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann ausgebildet sein, um die Lichtemissionseinrichtung 12 nacheinander gegenüberliegend zu einer Mehrzahl von optisch aktiven Elementen und/oder Lichtempfangseinrichtung eines optisch aktiven Elements zu positionieren, um der Mehrzahl von optisch aktiven Elementen nacheinander das Licht bereitzustellen. Das bedeutet, der Verfahrweg oder der Aktuatorweg oder Stellweg der MEMS-Positioniereinrichtung ist nicht auf die Feinpositionierung der Lichtemissionseinrichtung 12 beschränkt, sondern kann vielmehr auch einen Wechsel zwischen verschiedenen Positionen zu verschiedenen Lichtempfangseinrichtungen auf einem oder auf mehreren verteilten Chips bereitstellen.The
Die Vorrichtungen 80 und 90 können somit eine Mehrzahl von Lichtemissionseinrichtungen aufweisen. Die Lichtemissionseinrichtungen 121, 122 und 123 können jeweils mit einer gleichen, gemeinsamen Lichtquelle verbunden sein oder können, alternativ, zumindest teilweise mit einrichtungsindividuellen Lichtquellen, etwa unterschiedlichen LEDs oder unterschiedlichen Lasern, verbunden sein. Die Vorrichtung 80 und/oder 90 kann ausgebildet sein, um eine korrespondierende Anzahl von Lichtsignalen einem oder mehreren optischen aktiven Elementen bereitzustellen.
Das bedeutet, Ausführungsbeispiele sind darauf gerichtet, dass möglicherweise ein MEMS-Aktor mehrere Gitter (Lichtemissionseinrichtungen) aufweisen kann, so dass gleichzeitig auf mehreren Kanälen Licht gesendet wird beziehungsweise empfangen werden kann. Ausführungsbeispiele sehen ferner vor, dass das MEMS-seitige Gitter, die Lichtemissionseinrichtung 12 und/oder die Lichtempfangseinrichtung 26 entlang einer oder mehrerer Richtungen bewegbar ist, um nacheinander verschiedenen sensorchipseitige Gitter anzusprechen.This means that exemplary embodiments are aimed at the possibility that a MEMS actuator can have a number of gratings (light emission devices), so that light can be sent or received simultaneously on a number of channels. Embodiments further provide that the MEMS-side grating, the light-emitting
Obwohl vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele so beschrieben sind, dass die Steuerungseinrichtung die Steuerungsinformation selbst bestimmen kann, kann in hierin beschriebenen Systemen auch eine Positionsbestimmungseinrichtung angeordnet sein, die ausgebildet ist, um die Steuerungsinformation zu bestimmen und der Steuerungseinrichtung ein auf der Positionsbestimmung basierendes Ansteuersignal bereitzustellen. Hierzu können beispielsweise zusätzliche Sensoren oder dergleichen verwendet werden.Although the exemplary embodiments described above are described such that the control device can determine the control information itself, a position determination device can also be arranged in the systems described herein, which is designed to determine the control information and to provide the control device with a control signal based on the position determination. Additional sensors or the like can be used for this purpose, for example.
Das System 70 kann eine Auswerteeinrichtung aufweisen, die ein zusätzliches Element darstellen kann oder Teil der Steuerungseinrichtung 18 sein kann, und die ausgebildet ist, um ein auf dem ersten Licht 14 basierendes zweites Licht 28 von dem optisch aktiven Element 74 zu empfangen und auszuwerten. Das bedeutet, die Auswertung der Messungen auf dem Chip kann in der Vorrichtung erfolgen, beispielsweise der Vorrichtung 50.The
Hierin beschriebene Systeme können eine Auswertung vermittels der Auswerteeinrichtung dergestalt ausführen, dass diese für eine kohärente Phasendetektion basierend auf dem Licht 14 und dem Licht 28 eingerichtet ist.Systems described herein can carry out an evaluation by means of the evaluation device in such a way that it is set up for a coherent phase detection based on the light 14 and the light 28 .
Hierin beschriebene Vorrichtungen und/oder Systeme können beliebig ausgestaltet sein, sind aber gemäß Ausführungsbeispielen als Handgerät gebildet, das bedeutet, als für den Handbetrieb während eines Tragens durch einen Benutzer eingerichtete Einrichtungen. Devices and/or systems described herein can be embodied in any way, but according to exemplary embodiments are formed as hand-held devices, ie as devices set up for manual operation while being carried by a user.
Ein Schritt 130 umfasst ein Bereitstellen einer Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, um eine Steuerungsinformation, die mit einer Position der Lichtemissionseinrichtung assoziiert ist, zu erhalten, etwa durch eigene Berechnungen oder durch Kommunikation von extern, und um basierend auf der Steuerungsinformation die MEMS-Positioniereinrichtung zu steuern, um die Position der Lichtemissionseinrichtung zu verändern.A
In anderen Worten kann, um die Aufgabe eines hochintegrierten Interposers mit günstigen Chips zu adressieren, ein MEMS-aktuierter Gitterkoppler in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen umgesetzt werden. Die
Gitterkoppler können mit optischen Kabeln oder Leitungen kontaktiert werden, wie es beispielsweise in
Die automatisierte Ausrichtung zwischen Lichtemissionseinrichtung und gegenüberliegender Lichtempfangseinrichtung ist möglich, insbesondere für Gitterkoppler und Bewegungsumfänge in der Größenordnung der Gittergrößen. Für eine Bewegungsamplitude, die zum Teil auch wesentlich größer sein kann, als dieser Abstand, kann ein Umschalten zwischen verschiedenen Gittern an dem Sensorchip implementiert sein. Hierfür können auch kapazitive oder piezoresistive Sensoren eine Positionsbestimmung ermöglichen.Automated alignment between the light-emitting device and the opposing light-receiving device is possible, in particular for grating couplers and ranges of movement in the order of magnitude of the grating sizes. Switching between different grids on the sensor chip can be implemented for a movement amplitude that can in part also be significantly larger than this distance. For this purpose, capacitive or piezoresistive sensors can also enable position determination.
Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf MEMS-aktuierte photonische Gitterkoppler, wie in den Figuren hierin dargestellt. Alternativ oder zusätzlich können integrierte Elektronikschaltungen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann eine kohärente Phasendetektion, etwa mittels eines IQ-Empfängers, ermöglicht werden, der mit einer integrierten Elektronik zum Auswerten verschaltet sein kann. Auch kann ein Schalten zwischen verschiedenen Signaleingängen oder Signalausgängen implementiert werden und/oder eine separate Positionsbestimmung vorgesehen sein.Embodiments thus relate to MEMS-actuated photonic grating couplers as illustrated in the figures herein. Alternatively or additionally, integrated electronic circuits can be provided. As an alternative or in addition to this, a coherent phase detection can be made possible, for example by means of an IQ receiver, which can be connected to integrated electronics for evaluation. Switching between different signal inputs or signal outputs can also be implemented and/or a separate position determination can be provided.
Ausführungsbeispiele beziehen sich sofern auf einen translatorisch verschiebbaren und MEMS-aktuierten Gitterkoppler für eine aktive Ausrichtung zwischen einem auswechselbaren optischen Chip und dem optischen Kabel, dem Wellenleiter beziehungsweise der Lichtemissionseinrichtung, die mit einem Laser oder einer LED gekoppelt ist und Licht zu einem Empfängermodul aussendet.Exemplary embodiments relate insofar to a translationally displaceable and MEMS-actuated grating coupler for active alignment between an interchangeable optical chip and the optical cable, the waveguide or the light-emitting device, which is coupled to a laser or an LED and emits light to a receiver module.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.Although some aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations to the arrangements and details described herein will occur to those skilled in the art. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the embodiments herein.
Claims (35)
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