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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft allgemein optische Schalter und insbesondere
optische querverbundene Schalter mit Mikrospiegeln, die individuell
betätigt
werden.
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Stand der
Technik
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Eine
fortgesetzte Innovationstätigkeit
auf dem Gebiet der Faseroptik hat bei verschiedenen Technologien
zu einer Ausweitung der. Anwendungen von optischen Fasern beigetragen.
Mit dem zunehmenden Gebrauch optischer Fasern entstand ein Bedarf
an wirksamen optischen Vorrichtungen zur Unterstützung der Übertragung und des Schaltens
optischer Signale. Gegenwärtig
besteht ein Bedarf an optischen Schaltern, mit welchen Lichtsignale
von einer optischen Eingangsfaser zu einer von mehreren optischen
Ausgangsfasern gerichtet werden können, ohne daß das optische
Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt werden muß.
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Die
Kopplung optischer Fasern durch einen Schalter kann mit verschiedenen
Methoden erfolgen. Ein relevantes Verfahren umfaßt die Verwendung eines Mikrospiegels,
der im optischen Weg einer Eingangsfaser angeordnet wird, um optische
Signale von der Eingangsfaser zu einer von mehreren alternativen
Ausgangsfasern zu reflektieren. Die Eingangs- und Ausgangsfasern
können
entweder eindirektionale oder bidirektionale Fasern sein. Bei der
einfachsten Umsetzung eines Verfahrens mit Spiegeln wird die Eingangsfaser
mit einer von zwei optischen Ausgangsfasern so ausgerichtet, daß sich die
ausgerichteten Fasern in einem Kommunikationszustand befinden, wenn
der Spiegel nicht im optischen Weg zwischen den beiden Fasern angeordnet ist.
Ist der Spiegel jedoch zwischen den beiden ausgerichteten Fasern
angeordnet, steuert (d. h. reflektiert) er optische Signale von
der Eingangsfaser zur zweiten Ausgangsfaser. Die Positionierung
des Spiegels relativ zum optischen Weg der Eingangsfaser kann mit
einer Vorrichtung erfolgen, mit der der Spiegel mechanisch bewegt
wird. Es existiert eine Reihe von Ansätzen zur Erzeugung optischer
Signale unter Verwendung einer Technik zur Mikrobearbeitung. Im
allgemeinen lassen sich die Ansätze
in zwei Kategorien unterteilen: Räumlich freie Schalter in der
gleichen Ebene und Schalter für
geführte
Wellen in der gleichen Ebene. Räumlich
freie optische Schalter sind durch die Ausdehnung der sich durch
den freien Raum ausbreitenden optischen Strahlen begrenzt. Bei planaren
Ansätzen
skaliert die optische Weglänge
linear mit der Anzahl der Eingangsfasern. Schalter, die größer sind
als 30H30 erfordern große
Spiegel und Strahldurchmesser in der Größenordnung von 1 Millimeter
(nun). Bei diesen planaren Ansätzen
skaliert die Anzahl (N) der Eingangsfasern linear mit der Strahleinschnürung und
der Größe der optischen
Komponenten. Somit wächst
die Gesamtgröße des Schalters gemäß N2. Eine Abschätzung ergibt, daß ein 100H100-Schalter eine Fläche von
1 m2 erforderlich machen würde, wobei
es sich somit um einen sehr großen
Schalter handelt. Darüber
hinaus ist es wahrscheinlich, daß Beschränkungen, wie die optische Ausrichtung,
die Spiegelgröße und die
Kosten für
Stellglieder den Schalter auf viel kleinere Ausdehnungen beschränken würden. In
einem planaren Ansatz wird geltend gemacht, daß der optische Schaler so konstruiert
werden kann, daß er
mit der optischen Wegdifferenz und nicht mit dem gesamten optischen
Weg skaliert. Falls dies möglich
ist, würde
dies sicherlich größere Schalter
zulassen. Allerdings skaliert bei einem planaren Ansatz die optische
Wegdifferenz auch linear mit der Anzahl der Eingangsfasern, so daß der Schalter
sehr stark anwächst,
wenn er für
eine große
Anzahl von Fasern bemessen wird.
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Bei
Ansätzen
mit geführten
Wellen, stellt die Ausdehnung des Strahls kein Problem dar. Jedoch
ist anzunehmen, daß Verluste
an den Kreuzungspunkten und die Schwierigkeit, große Vorrichtungen
mit geführten Wellen
herzustellen, die Anzahl der Eingangsfasern in derartigen Schaltern
beschränken.
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Bei
beiden Ansätzen
besteht die Tendenz, daß Beschränkungen,
wie beispielsweise Verluste, die Größe der optischen Komponenten
und die Kosten mit der Anzahl der Fasern zunehmen. Daher besteht
ein Bedarf für
einen optischen Querverbindungsschalter, der mit der Anzahl der
Eingangs- und Ausgangsfasern besser skaliert. Mit einigen räumlich freien
optischen Systemen kann eine bessere Skalierung erreicht werden.
Bei diesen Systemen wird die Möglichkeit
der Verwendung einer optischen Rundumsteuerung in zwei Dimensionen
ausgenutzt, um die Zahl der optischen Fasern zu erhöhen. In
letzter Zeit wurden optische Schalter angekündigt, bei welchen derartige
Spiegel verwendet werden. Bei diesen Systemen werden piezoelektrische
Elemente oder magnetisch oder elektrostatisch betätigte Mikrospiegel
verwendet. Das Stellverfahren ist bei diesen Ansätzen häufig nicht präzise. Um
einen variablen Schalter zu erhalten, ist es typischerweise notwendig, eine
optische Rückkopplung
auf sehr hohem Niveau einzusetzen.
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Im
US-Patent 5,408,355 von Rauch et al. wird ein mikromechanischer
Transducer beschrieben, der zur Ablenkung dreidimensional bewegt
werden kann. Der sich bewegende Teil ist mittels Federn mit einem
Stator verbunden und kann mit Hilfe einer sphärischen Oberfläche vom
Stator getrennt gehalten werden. Die Stromversorgung der Elektroden
wird so gesteuert, daß die
Position des sich bewegenden Teils auf der sphärischen Oberfläche wählbar geändert werden
kann. Die Oberfläche
des sich bewegenden Teils, das dem Stator gegenüberliegt, ist reflektierend.
Ein weiteres reflektierendes Element, das durch federähnliche
Stäbe über einem
Stator gehalten wird, ist im US-Patent 5,959,760 von Yamada et al.
beschrieben.
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Es
besteht ein Bedarf für
eine Mikrovorrichtung, die eine Steuerung optischer Signale von
zumindest einem Eingang zu einer Anzahl alternativer Ausgänge zulässt, wobei
die Anordnung der Ausgänge
nicht auf eine lineare Konfiguration beschränkt ist. Des weiteren besteht
ein Bedarf für
ein Verfahren zur Herstellung und Anordnung von Arrays bzw. Feldern
der Mikrovorrichtungen, mit welchen das Schalten präzise und
wiederholbar ausgeführt
werden kann.
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Kurzbeschreibung
der Erfindung
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Bei
einer Ausführungsform
eines optischen Schalters werden bei einer Mikrovorrichtung zur
Steuerung optischer Signale elektrostatische Kräfte verwendet, um seitlich
verschiebbare Antriebe zu betätigen,
die eine Drehung eines Dual-Achsen-Mikrospiegels bewirken. Der Mikrospiegel
ist neben einem Substrat gehalten, um die Mikrospiegel relativ zum
Substrat bewegen zu können,
wenn die Antriebe in im allgemeinen zur Oberfläche des Substrats parallele
Richtungen bewegt werden. Eine erste Oberflächenelektrostatikanordnung ist
so konfiguriert, daß elektrostatische
Kräfte
zum Drehen des Mikrospiegels um eine erste Achse erzeugt werden. Ähnlich ist
eine zweite Oberflächenelektrostatikanordnung
so konfiguriert, daß elektrostatische
Kräfte zum
Drehen des Mikrospiegels um eine zweite Achse erzeugt werden. Die
beiden Elektrostatikanordnungen können zum Ansteuern eines einzigen
Antriebs, mit dem die Positionierung des Mikrospiegels gesteuert
wird, oder von getrennten Antrieben verwendet werden.
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Vorzugsweise
ist auf einem Substrat ein Array von Mikrospiegeln ausgebildet.
Bei einer Anwendung werden die Mikrospiegel getrennt von den elektrostatisch
angetriebenen Antrieben hergestellt. Beispielsweise kann ein Substrat
für die
Mikrospiegel so ausgebildet sein, daß es ein Array von Seite an
Seite angeordneten Mikrospiegeln umfaßt, wobei die Mikrospiegel
so gehalten sind, daß eine
Drehung um eine erste und eine dazu senkrechte zweite Achse möglich ist.
Das Substrat für
die Mikrospiegel kann dann an einem Substrat für die Antriebe befestigt werden,
auf dem die Antriebe so ausgebildet sind, daß die Mikrospiegel im allgemeinen
parallel zu den Bewegungsstrecken der Antriebe ausgerichtet sind.
Jeder Mikrospiegel kann mit einem Vorsprung verbunden sein, der
sich in Richtung des Substrats der Antriebe erstreckt und der durch
zumindest einen Antrieb gesteuert wird. Bei dieser Ausführungsform
werden die Vorsprünge
durch die Antriebe in einer ähnlichen Weise
wie bei der Handhabung eines Joysticks betätigt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
sind die Mikrospiegel und Antriebe in ein einziges Substrat integriert.
Jeder Mikrospiegel kann am Substrat mit Hilfe eines Rahmens befestigt
sein. Ein erster Antrieb wird durch elektrostatische Kräfte angetrieben,
um die Position des Rahmens zu verändern, wodurch der Mikrospiegel
um eine Achse gedreht wird. Ein zweiter elektrostatisch angetriebener
Antrieb kann mit dem Mikrospiegel verbunden sein, um den Mikrospiegel
um die zweite Achse zu drehen. Jedoch sind auch Ausführungsformen
denkbar, bei welchen ein einziger Antrieb verwendet wird, um Drehungen
um beide Achsen zu steuern. Beispielsweise kann der Antrieb elektrostatisch
in zwei zueinander senkrechte Richtungen bewegt werden.
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Jede
Oberflächenelektrostatikanordnung
umfaßt
zumindest zwei Gruppen von Elektroden. Für eine spezielle Oberflächenelektrostatikanordnung
kann eine erste Gruppe von Antriebselektroden längs einer Oberfläche eines
Antriebs ausgebildet sein, während
eine zweite Gruppe von Antriebselektroden längs einer Oberfläche des
Substrates ausgebildet ist.
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Die
Längsseiten
der Elektroden sind senkrecht zur Bewegungsrichtung des Antriebs
angeordnet. Die Antriebselektroden sind elektrisch mit einer oder
mehreren Spannungsquellen gekoppelt, die verwendet werden, um einen
einstellbaren Spannungsverlauf an zumindest eine der Gruppen von
Antriebselektroden anzulegen. Die Änderung der elektrostatischen
Kraft, die aus den Änderungen
der Spannungsverläufe
resultiert, bewirkt eine Bewegung des Antriebs. Beispielsweise kann
die erste Gruppe von Antriebselektroden elektrisch mit einer Spannungsquelle
verbunden sein, die einen festen Spannungsverlauf liefert, während die
zweite Gruppe elektrisch mit einem Mikrokontroller verbunden ist,
der so konfiguriert ist, daß selektiv
ver schiedene Spannungen an die individuellen Antriebselektroden
angelegt werden können.
Die Umkonfigurierung des angelegten Spannungsverlaufs modifiziert
die elektrostatischen Kräfte
zwischen dem Substrat und dem Antrieb, wodurch der Antrieb seitlich
verschoben wird.
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Jede
Oberflächenelektrostatikanordnung
umfaßt
vorzugsweise Hebeelektroden auf derselben Oberfläche wie die Antriebselektroden.
Anders als die Antriebselektroden sind die Hebeelektroden mit ihren
Längsseiten
parallel zur Bewegungsrichtung des Antriebs positioniert. Ein geeigneter
fester an die Hebeelektroden angelegter Spannungsverlauf wechselt
zwischen hohen und niedrigen Spannungen. Repulsive elektrostatische
Kräfte
zwischen den Hebeelektroden bewirken, daß der Antrieb von der Oberfläche beabstandet
ist. Da die Hebeelektroden zur Bewegungsrichtung des Antriebs parallel
sind, sind die Hebeelektroden nicht fehlausgerichtet, wenn der Antrieb
seitlich verschoben wird. Darüber
hinaus wirken die repulsiven elektrostatischen Kräfte, die
zwischen den beiden Gruppen von Hebeelektroden erzeugt werden, so,
daß jegliche
anziehenden Kräfte,
die von den Antriebselektroden erzeugt werden, aufgehoben werden.
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In
einer separaten Ausführungsform
der Erfindung ist ein optischer Schalter so konfiguriert, daß er zwei
getrennte Arrays von Dual-Achsen-Mikrospiegeln und zwei getrennte
Arrays von optischen Signalleitern, wie beispielsweise Kollimatoren,
umfaßt.
Ein Mikrospiegelarray ist im Verhältnis zu einem ersten Kollimatorfeld so
positioniert, daß jeder
Dual-Achsen-Mikrospiegel
für einen
Kollimator zum Empfang einfallender optischer Signale bestimmt ist.
Das zweite Mikrospiegelfeld ist im Verhältnis zum ersten Mikrospiegelfeld
so positioniert, daß ein
optisches Signal, das am ersten Feld reflektiert wird, auf irgendeinen
der Mikrospiegel des zweiten Feldes reflektiert werden kann. D.
h. durch Manipulieren eines bestimmten Dual-Achsen-Mikrospiegels
im ersten Feld kann ein auf einen bestimmten Mikrospiegel einfallendes
optisches Signal auf irgendeinen der Mikrospiegel des zweiten Feldes
reflektiert werden. Das zweite Kollimatorfeld ist relativ zum zweiten
Mikrospiegelfeld so positioniert, daß das von einem Mikrospiegel
des zweiten Feldes reflektierte optische Signal auf einen zugeordneten
Kollimator im zweiten Kollimatorfeld gerichtet wird. D. h., daß die Mikrospiegel
des zweiten Feldes eindeutig den Kollimatoren des zweiten Feldes
zugeordnet sind, jedoch so manipuliert werden können, daß der Winkel des Strahls vom
ersten Feld kompensiert wird. Bei dieser Ausführungsform des optischen Schalters kann
die Manipulation der Mikrospiegel mit Hilfe anderer Mittel als elektrostatischen
Kräften
erreicht werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
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Wieder
unter Bezugnahme auf die Ausführungsform,
bei der die Manipulation der Mikrospiegel durch Variieren erzeugter
elektrostatischer Kräfte
umgesetzt wird, umfaßt
ein Verfahren zum Herstellen optischer Mikrovorrichtungen ein Ausbilden
der Oberflächenelektrostatikantriebe
auf einer Oberfläche
eines Substrats und ein Befestigen von Mikrospiegeln relativ zum
Substrat, so daß jeder
Mikrospiegel um eine erste und eine im wesentlichen dazu senkrechte
zweite Achse drehbar ist und durch die Bewegung zumindest eines
Antriebs manipulierbar ist. Wie zuvor erläutert, können die Antriebe und Mikrospiegel
auf getrennten Substraten ausgebildet sein oder können integral
auf einem einzigen Substrat hergestellt sein. Die Antriebe und das
Substrat der Antriebe umfassen die Felder von Antriebselektroden
und Hebeelektroden. Das Stellverfahren für die elektrostatische Oberfläche ist
für die
Positionierung der Mikrospiegel im beschriebenen optischen Schalter
gut geeignet, da jeder Mikrospiegel um ungefähr 10° um jede der beiden Achsen geneigt
werden kann und aus der Perspektive der Mikrovorrichtung gesehen
relativ groß ist.
Ein Mikrospiegel kann eine Breite in der Größenordnung von ungefähr 1 mm
umfassen. Der Antrieb, der einen Mikrospiegel bewegt, kann längs von
Stellstrecken von ungefähr
100 μm mit
einer sehr präzisen
und wiederholbaren Positionierung verschoben werden. Geeignete elektrostatische
Kräfte
können
unter Verwendung von Spannungen von 12 Volt oder darunter erzeugt werden.
Der Betrieb mit niedriger Spannung lässt es zu, daß der optische
Schalter mit Schaltungen basierend auf der ergänzenden Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Technik
gekoppelt werden kann. Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche 1 und
8 definiert.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist ein schematisches
Diagramm eines optischen 16 × 16
Schalters; bei dem Dual-Achsen-Mikrospiegelfelder gemäß der Erfindung
verwendet werden.
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2 ist eine Draufsicht auf
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zur Positionierung
zweier Felder von Dual-Achsen-Mikrospiegeln gemäß der Erfindung.
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3 ist eine Seitenansicht
der Darstellung von 2.
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4 ist eine Draufsicht auf
eine zweite Ausführungsform
zur Positionierung von Dual-Achsenfeldern von Spiegeln gemäß der Erfindung.
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5 ist eine Seitenansicht
der Darstellung von 4.
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6 ist eine Draufsicht auf
ein Mikrospiegelfeld gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung.
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7 ist eine Seitenansicht
eines der Mikrospiegel von 6,
der mit einem Antriebssubstrat mit Stellvorrichtungen zum Manipulieren
des Mikrospiegels um zwei Achsen verbunden ist.
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7A ist eine Draufsicht,
in der das Paar der Stellvorrichtungen zum Bewegen des Mikrospiegels von 7 isoliert dargestellt sind.
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8 ist eine Ansicht von unten
eines Antriebs von 7,
in der vertikal orientierte Antriebselektroden und horizontal orientierte
Hebeelektroden gezeigt sind.
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9 ist eine Seitenansicht
des Antriebs und des Antriebssubstrats von 7, in der Spannungsverläufe an den
Antriebselektroden zu einer bestimmten Zeit gezeigt sind.
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10 ist eine Endansicht einer
Anordnung von Hebeelektroden auf dem Antrieb und dem Antriebssubstrat
von 7, in der mögliche Spannungsverläufe an den
Hebeelektroden gezeigt sind.
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11 zeigt Grafiken seitlicher
Kräfte
(d. h. Kräfte
in der gleichen Ebene) und Kräfte
außerhalb
der gleichen Ebene für
elektrostatische Oberflächenantriebe
mit einer Oberfläche
von 1 mm2 und welche sowohl Antriebselektroden
als auch Hebeelektroden umfassen.
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12 zeigt Grafiken seitlicher
Kräfte
(d. h. Kräfte
in der gleichen Ebene) und Kräfte
außerhalb
der gleichen Ebene, wenn der 1 mm2-Antrieb
nur Antriebselektroden umfaßt.
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13 ist eine Draufsicht auf
eine andere Ausführungsform
einer Mikrovorrichtung mit elektrostatisch angetriebenen Antrieben,
die einen Mikrospiegel um zwei Achsen bewegen.
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14 ist eine Draufsicht auf
einen der Antriebe und einen Rahmen der Mikrovorrichtung von 13.
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15 ist eine Seitenansicht
des Antriebs und Rahmens von 14,
die in einer Ruheposition gezeigt sind.
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16 ist eine Seitenansicht
des Antriebs und des Rahmens von 15,
wobei diese jedoch in einem Betriebszustand gezeigt sind.
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17 ist ein Ablaufdiagramm
von Schritten zur Herstellung eines optischen Schalters gemäß der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist
ein optischer Schalter 10 gezeigt, der ein erstes Kollimatorfeld 12, ein
zweites Kollimatorfeld 14, ein erstes Mikrospiegelfeld 16 und
ein zweites Mikrospiegelfeld 18 umfaßt. Beim optischen Querverbindungsschalter
werden Dual-Achsen-Mikrospiegel
verwendet, um optische Eingangstrahlen zu irgendeinem der optischen
Ausgangselemente abzulenken. Gemäß der Beschreibung
von 1 umfaßt das erste
Kollimatorfeld 12 die Eingangselemente und das zweite Kollimatorfeld 14 die
Ausgangselemente. Dies ist jedoch nicht kritisch. Die individuellen
Leiter können
bidirektionale Elemente sein, so daß sich die optischen Signale
in beide Richtungen ausbreiten können.
Darüber
hinaus ist die Verwendung von Kollimatoren nicht kritisch, falls
sie durch andere Mittel zur Steuerung der Strahlausbreitung substituiert
werden können.
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Es
ist lediglich eine einzige mit dem ersten Kollimatorfeld 12 verbundene
optische Faser 20 dargestellt. In der Praxis können bis
zu sechzehn optische Fasern mit dem 4 × 4-Feld verbunden sein. Die
Anzahl der Elemente in dem Feld ist für die Erfindung nicht kritisch.
Der wesentliche Aspekt des optischen Schalters besteht darin, daß jeder
Mikrospiegel individuell um zwei physikalische Achsen manipulierbar
ist. In 1 ist im ersten Feld 16 nur
ein einziger Mikrospiegel 22 und sind im zweiten Feld 18 nur
die beiden Mikrospiegel 26 und 28 gezeigt. Jedoch
ist für
jedes der sechzehn Segmente des ersten und zweiten Feldes ein getrennt
manipulierbarer Dual-Achsen-Mikrospiegel vorgesehen.
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Jede
Eingangsfaser, wie beispielsweise die Faser 20, ist mit
ihrem eigenen Kollimator im ersten Kollimatorfeld 12 gekoppelt.
Ein optisches Eingangssignal 30 von der Faser 20 tritt
aus dem Kollimatorfeld 12 als ein schwach konvergierender
Strahl aus. Der konvergierende Strahl ist so gerichtet, daß er auf
einen bestimmten Mikrospiegel 22 im ersten Mikrofeld 16 einfällt. Somit
ist jeder Mikrospiegel im ersten Feld für einen Kollimator bestimmt.
Jeder Mikrospiegel wird jedoch so manipuliert, daß ein einfallender
Strahl auf irgendeinen der Mikrospiegel im zweiten Feld 18 abgelenkt
wird. Beispielsweise stellen die gestrichelten Linien vom Mikrospiegel 22 des
ersten Feldes 16 zum Mikrospiegel 28 des zweiten
Feldes 18 eine Ablenkung des Eingangsstrahls 30 infolge
einer Manipulation des Mikrospiegels 22 dar. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
wird die Manipulation eines Mikrospiegels, wie beispielsweise des
Mikrospiegels 22 durch Verwendung elektrostatischer Kräfte erreicht.
Es können
jedoch auch andere Methoden angewandt werden.
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Wenn
der Mikrospiegel 22 um eine seiner Achsen geschwenkt wird,
schwenkt der reflektierte Strahl 32 horizontal über das
zweite Mikrospiegelfeld 18. Andererseits schwenkt der reflektierte
Strahl 32 vertikal über das
zweite Feld 18, wenn der Mikrospiegel 22 um seine
zweite Achse gedreht wird. Jeder der Mikrospiegel, wie beispielsweise
der Mikrospiegel 26 im zweiten Feld ist einem Kollimator
des zweiten Kollimatorfeldes 14 zugeordnet. Die Dual-Achsenfähigkeit
der zweiten Mikrospiegel ermöglicht,
daß jeder
Mikrospiegel präzise
positioniert werden kann, um den Winkel zu kompensieren, unter dem
der Strahl von einem bestimmten Mikrospiegel im ersten Mikrospiegelfeld 16 einfällt. Somit
wird der Mikrospiegel 26 präzise um jede seiner beiden Drehachsen
positioniert und lenkt den optischen Strahl 36 zum entsprechenden
Kollimator 34 im Feld 14 ab. Die Drehung des Mikrospiegels 26 hängt davon
ab, welcher Mikrospiegel des ersten Feldes 16 einen optischen Strahl
auf den Mikrospiegel 26 richtet. Der optische Schalter 10 von 1 ist symmetrisch, so daß Lichtstrahlen
mit gleicher Wirksamkeit in jeder Richtung verlaufen können.
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Wie
im Nachfolgenden in weiteren Einzelheiten erläutert wird, ist ein Merkmal
der dreidimensionalen Natur der Konstruktion von 1, daß es einfach möglich ist,
die Abmessungen des optischen Schalters 10 so zu variieren,
daß eine
sehr große
Zahl von Fasern untergebracht werden kann. 2 veranschaulicht eine Draufsicht auf
einen optischen Schalter 38. In der Zeichnung ist absichtlich
keine bestimmte Anzahl von Eingangs- und Ausgangsanschlüssen gezeigt.
Vielmehr zeigt 2 die
Orte verschiedener optischer Elemente, um das Verhältnis zwischen
der Breite des Kollimatorfeldes und der maximalen optischen Weglänge zu bestimmen.
Alle angegebenen Abmessungen des Schalters sind auf die Breite (W)
der Kollimatorfelder 40 und 42 bezogen. In der
Figur ist auch der längste
optische Weg 44 eingezeichnet, der auftreten kann, wenn
ein Eingangskollimator zu irgendeinem Ausgangskollimator geschaltet
wird. Bei dieser Konstellation beträgt der längste optische Weg 7,3W. Das
Verhältnis
zwischen dem längsten
optischen Weg und der Größe der Kollimatorfelder
setzt der Zahl der optischen Fasern, die mit einer bestimmten Strahlbreite
gekoppelt werden kann, ein Limit. Tabelle 1 faßt die Beschränkungen
zusammen, die dem optischen Schalter durch die Winkeldivergenz eines
Gauß'schen Strahls gesetzt
werden, der sich im freien Raum ausbreitet. Der Parameter √A charakterisiert
das radiale Gradientenprofil bei einer Gradientenlinse (GRIN) (d.
h. n(r) = n0x(1 – Ar2/2)).
Ein Hersteller geeigneter Gradientenlinsen ist NSG America, Inc.
in Somerset, New Jersey.
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Für einen
gegebenen Kollimator existiert eine maximale Länge, die ein optischer Strahl
durchlaufen kann, der an beiden Strahlenden dieselbe Einschnürung hat.
In der Tabelle 1 wird diese Länge
die maximale symmetrische Strahllänge genannt. Sie wächst ungefähr mit dem
Quadrat des Kollimatordurchmessers an. Da der optische Weg im System 38 mit
dem Kollimatordurchmesser linear anwächst, ist es immer möglich, durch Verwenden
größerer Kollimatoren
eine größere Zahl
von Fasern zu erreichen. Diese Tatsache ist in Tabelle 1 wiedergegeben,
in der Kollimatoren mit einem Durchmesser von 1,0 mm verwendet werden
können,
um einen 121 × 121-Schalter
zu erhalten, während
Kollimatoren von 4,0 mm verwendet werden können, um einen 1000 × 1000-Schalter
mit höherer
optischer Systemgröße zu erhalten.
Die Anzahl der Fasereingänge
sollte unter der Annahme, daß die
Einschnürung
des Strahls, der den Kollimator verlässt, genauso skaliert wie der
Durchmesser des Kollimators, ungefähr mit dem Quadrat des Kollimatordurchmessers
anwachsen. Dies ist bei den drei in der Tabelle 1 analysierten Kollimatoren
vermutlich aufgrund der Schwierigkeiten bei der Dotierung der GRIN-Linsen
nicht zu erkennen.
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3 ist eine Seitenansicht
des optischen Schalters 38 von 2. In den beiden Figuren sind das erste
und zweite Mikrospiegelfeld 46 und 48 als planare
Vorrichtungen gezeigt und es sind keine individuellen Mikrospiegel
gezeigt. Jedoch sind die individuell bewegbaren Mikrospiegel in
die zwei Felder 46 und 48 integriert, so daß jeder
Eingangskollimator im Kollimatorfeld 40 optisch mit irgendeinem
der Kollimatoren im Kollimatorfeld 42 gekoppelt werden
kann.
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Es
besteht eine Anzahl verfügbarer
Verfahren, um die Zahl der Fasern für eine ausgewählte Kollimatorfeldgröße zu erhöhen. Erstens
kann das System etwas asymmetrisch hergestellt werden, indem zugelassen wird,
daß sich
der optische Strahl über
mehr als die maximale symmetrische in Tabelle 1 gezeigte Strahllänge ausbreitet.
Jedoch steigen bei diesem Verfahren damit verbunden die optischen
Verluste und das Übersprechen
an. Zweitens kann eine andere Geometrie für den Schalter verwendet werden,
wie beispielsweise jene, die in der oberen Ansicht von 4 und in der Seitenansicht
von 5 gezeigt ist. Während die
Geometrie anders ist, sind die Komponenten im wesentlichen identisch,
so daß die
Bezugszeichen der 2 und 3 auch in den 4 und 5 verwendet werden. Bei den Ausführungsformen
der 4 und 5 beträgt die maximale Strahllänge nur
4,1 W. In diesem Fall könnte
mit einer 4,0 mm GRIN-Linse ein 3600 × 3600-Schalter erhalten werden.
Diese Systemkonstruktion stellt an die Mikrospiegel in den Feldern 46 und 48 mehrere
hohe Anforderungen. Vor allem müssen
die Mikrospiegel in der Lage sein, sich in die Ebene des Substrats,
auf dem die Mikrospiegel ausgebildet sind, zu drehen.
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Ein
drittes Verfahren, um die Zahl der Fasern zu erhöhen, wäre die Verwendung wirksamerer
Kollimatoren, bei welchen die Ausgangseinschnürung ein größerer Bruchteil des Kollimatordurchmessers
ist. Ein viertes Verfahren wäre
die Verwendung eines dicht gepackten Faserfeldes anstelle des quadratischen
in 1 gezeigten Feldes.
Ein dichtes Packen würde
jedoch die Anzahl der optischen Fasern lediglich um 15% erhöhen und
würde die
Umsetzung des im Folgenden beschriebenen Kippens schwieriger gestalten.
Ein fünftes Verfahren
besteht darin, die Krümmung
der Mikrospiegel sehr genau zu kontrollieren, so daß sie als
Fokussierungselemente dienen können,
um die Gauß'sche Strahlaufweitung
zu kompensieren. Ein theoretisches sechstes Verfahren bestünde darin,
an den Eingangs- und Ausgangsstufen eine Optik zu verwenden, so
daß der
Schalter mit der optischen Wegdifferenz skaliert und nicht mit der
gesamten optischen Weglänge.
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Anforderungen
an die mikrooptischen Komponenten
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Es
besteht eine Anzahl von Beschränkungen,
die bei der Konstruktion eines optischen Schalters gemäß der Erfindung
berücksichtigt
werden müssen.
Die Tabelle 2 faßt
die den Kollimatoren, Mikrospiegeln und Stellvorrichtungen auferlegten
Beschränkungen
zusammen. In Tabelle 2 sind drei verschiedene Schaltergrößen angegeben.
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Für die Kollimatoren
wurde eine wirksame Brennweite von 1/√A für jeden GRIN-Kollimator berechnet, so
daß dieser
mit Standartlinsen verglichen werden kann. Die Mikro spiegel müssen sehr
stringenten Anforderungen genügen,
um die optischen Strahlen präzise
auf die Ausgangskollimatoren zu positionieren. Die großen Strahleinschnürungen,
die bei den Schaltern verwendet wurden, bedeuten, daß die Spiegel
groß sein
müssen und
typischerweise in der Größenordnung
mehrerer Milimeter liegen. Derartig große Spiegel können möglicherweise
mit einigen der bekannten Techniken zur Mikrobearbeitung von Oberflächen, die
zur Herstellung von Mikrospiegeln verwendet werden, nicht erreicht
werden. Bei einer Dicke von lediglich einigen wenigen μm könnte es
sein, daß diese
bekannten Spiegel nicht die gewünschte
Flachheit (Krümmungsradius)
haben, um sicherzustellen, daß sich
der Strahl ohne Verzerrungen ausbreitet. Vorteilhafterweise werden
bei der Herstellung mikrobearbeiteter Komponenten zunehmend Methoden
mit gebondeten Wafern verwendet, so daß es nicht mehr so schwierig
ist, einen Spiegel mit einer Dicke zwischen 100 μm und mehreren hundert μm herzustellen.
Diese Dicke ist notwendig, um sicherzustellen, daß der für eine reflektierende
Beschichtung auf den Spiegeln. verwendete Goldfilm keine übermäßige Krümmung verursacht.
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Jeder
Mikrospiegel sollte sich um 10° um
zwei senkrechte Achsen drehen können,
um jede Eingangsfaser mit jeder Ausgangsfaser koppeln zu können. Jedoch
kann der Bereich von 10° eine
starke Beschränkung für andere
Komponenten des Systems, wie beispielsweise die Stellvorrichtungen
zum Betätigen
der Mikrospiegel darstellen. Für
die Stellvorrichtungen, die im Nachfolgenden umfassend beschrieben
werden, erfordert eine Bewegung von 10° eines Spiegels mit einem Durchmesser
von 2 mm, daß sich
der Antrieb über
eine Strecke von ungefähr
50 bis 100 μm
bewegt. Diese Anforderung schränkt
die Arten der mikrobearbeiteten Antriebe, die verwendet werden können, ein.
Bei der bevorzugten Ausführungsform
werden elektrostatische Oberflächenstellvorrichtungen
verwendet.
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Tabelle
2 beinhaltet ferner drei verschiedene Anforderungen an die Winkelposition
der Mikrospiegel. Eine Winkelpräzision
von ~0,5 mrad ist erforderlich, um sowohl den Strahl auf dem zweiten
Mikrospiegelfeld zu positionieren als auch eine Kopplung von ~40
dB (d. h. einen maximalen Überlappungsverlust
von ~40 dB) für
die Ausgangsfaser zu erhalten. Der Moden-Kopplungspegel von ~40
dB wird gewählt,
da dann ein Sensor verwendet werden kann, um diesen Signalpegel
zu detektieren. Bei diesem Signalpegel könnte die optische Leistung
der Ausgangsfaser selbst verwendet werden, um eine Steuerungsschleife
zu schließen,
mit der die Mikrospiegel positioniert werden. Die Steuerung der
Strahlposition auf dem zweiten Mikrospiegelfeld mit einer offenen
Schleife stellt einen beträchtlichen
Vorteil dar. Sonst sind Sensoren längs der Fläche des zweiten Mikrospiegelfeldes
erforderlich, um den Strahl zu lenken, wenn er sich von einem Mikrospiegel
zu einem anderen bewegt. Es können
auch Sensoren erforderlich sein, um sicherzustellen, daß der Strahl
präzise
auf dem richtigen Ausgangsmikrospiegel zentriert ist. Gleichermaßen sind
Sensoren erforderlich, um den Strahl auf den richtigen Ausgangskollimator
zu steuern, falls die Präzision
für den
Moden-Überlappungsverlust
von ~40 dB nicht erreicht wird.
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Zusammenfassend
spielen die oben genannten Eigenschaften der Mikrospiegel mit Bezug
auf die Beschränkungen
bei der Verwendung der Stellvorrichtungen eine wichtige Rolle bei
der Bestimmung der Anforderungen für die Stellvorrichtungen, die
zum Antrieb der Mikrospiegel verwendet werden. Für die bevorzugte Größe und den
bevorzugten Winkelbereich der Mikrospiegel müssen sich die Stellvorrichtungen über eine Strecke
von ungefähr
100 μm bewegen.
Eine Stellvorrichtung muß wiederholt
mit einer Genauigkeit von ~0,1 μm
positioniert werden, um den Strahl zwischen den Spiegeln im zweiten
Feld zu bewegen, den Strahl in der Mitte eines bestimmten Spiegels
in diesem Feld zu positionieren und eine Kopplung von ~40 dB in
die Ausgangsfaser zu erreichen. Diese Positionierungsgenauigkeit
kann durch eine elektrostatische Oberflächenstellvorrichtung gewährleistet
werden.
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Vorgeschlagene Konstruktion
für den
Mikrospiegel
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6 ist eine Draufsicht auf
ein Feld von sechzehn auf einem Mikrospiegelsubstrat 52 ausgebildeten Mikrospiegeln 50. 7 ist eine Seitenansicht
eines der Mikrospiegel und des Mechanismus zum Drehen des Mikrospiegels. 7A ist eine Draufsicht auf
den Mechanismus zum Drehen der Mikrospiegel. Zunächst unter Bezugnahme auf 6 ist jeder Mikrospiegel
mit einem Ringelement 54 durch erste und zweite Torsionsstäbe 56 und 58 gekoppelt.
Die Positionen der Torsionsstäbe
definieren die erste Drehachse des Spiegels 50. In der Orientierung
von 6 ist die erste
Achse eine x-Achse. Das Ringelement 54 ist mit dem Substrat 52 durch dritte
und vierte Torsionsstäbe 60 und 62 gekoppelt,
die die zweite Achse definieren (d. h. die y-Achse). Lediglich der
dritte und vierte Torsionsstab sind in der Seitenansicht von 7 zu sehen.
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Die
Torsionsstäbe 56, 58, 60 und 62 sind
dünne Membranbiegeelemente,
die verwendet werden, um getrennte Elemente miteinander zu verbinden.
Geeignete Materialien für
die drehbaren Biegeelemente sind Siliziumnitrid, Polysilizium oder
kristallines Silizium. Die Dicke der Biegeelemente kann sehr gering
sein, d. h. ungefähr
1000 Å betragen
oder sehr groß sein,
d. h. 100 μm.
Die spezielle Wahl der Dicke hängt
von der erforderlichen Schaltzeit ab. Man geht davon aus, daß Siliziumnitridfilme
und Filme aus Polysilizium eine hervorragende Widerstandsfähigkeit
gegen eine zyklische Ermüdung
haben. Da die Torsionsstäbe
lediglich innerhalb der elastischen Grenzen des Materials gedreht
werden, ruft eine bestimmte Bewegung durch die Stellvorrichtungen,
die im Nachfolgenden beschrieben wird, dieselbe Spiegelposition
hervor. Wenn sich die Torsionsstäbe im
entspannten Zustand befinden, liegt der Mikrospiegel 50 parallel
zum festen Abschnitt des Mikrospiegelsubstrats 52.
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In 7 ist zu erkennen, daß das Substrat
des Mikrospiegels 52 mit einem Substrat 64 des
Antriebs gekoppelt ist. Das Mittel zur Kopplung der zwei Substrate
ist für
die Erfindung nicht kritisch. In 7 wird
ein Siliziumstab 66 mit einem Paar von Zwischenschichten 68 und 70 verbunden.
Jedoch können
andere Mechanismen zur Befestigung der Substrate verwendet werden.
Der Spiegel 50 kann eine Dicke von ungefähr 100 μm aufweisen.
Wie zuvor erwähnt,
ist die Krümmung
des Spiegels von besonderem Interesse, da die Wegstrecken des Strahls
relativ groß sind.
Für die
1000 × 1000-Schalter
muß der
Krümmungsradius
des Spiegels größer als
11 m sein. Ein derartig großer
Krümmungsradius
kann relativ leicht erreicht werden, da der Spiegel relativ dick
ist und primär
aus einkristallinem Silizium besteht. Eine dünne Metallschicht 72 beschichtet
die freigelegte Oberfläche
des Siliziummikrospiegels 50, um die gewünschten
Reflexionseigenschaften zu erreichen. Ein geeignetes Metall ist
ein Goldfilm 72 mit einer maximalen Dicke von 2000 Å, so daß die Spannung
des Goldes auf weniger als 150 MPa für den Spiegel mit einer Krümmung von
mehr als 11 m begrenzt werden kann. Die Spannungskontrolle ist relativ
einfach, wenn eines der vielen bekannten Abscheidungs- und Temperverfahren
verwendet wird.
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Vom
Spiegel 50 abwärts
erstreckt sich ein Vorsprung 74. Die Verwendung des Vorsprungs
ermöglicht, daß der Mikrospiegel
in derselben Weise wie eine mit einem Joystick gesteuerte Vorrichtung
bedient werden kann. D. h., daß ein
auf den Vorsprung 74 ausgeübter Druck eine Drehung des
Mikrospiegels 50 bewirkt. Das Ausmaß der Drehung und die Drehachse
hängen
vom Umfang und der Richtung der Bewegung des Vorsprungs 74 ab.
Ein Paar von Antrieben 76 und 78 wird dazu verwendet,
die Bewegung des Vorsprungs 74 zu steuern. Der Antrieb 76 ist
mit dem Vorsprung durch eine Verbindungsstange 80 gekoppelt
gezeigt, mit der der Vorsprung gedreht werden kann, wenn der Antrieb
linear verschoben wird.
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Ein
Bewegen des Antriebs 76 bewirkt, daß sich der Spiegel 50 relativ
zum Ringelement 54 und dem Substrat 52 des Mikrospiegels
dreht. In 6 findet eine
Drehung um die x-Achse statt, die durch die Torsionsstäbe 56 und 58 definiert
ist. Der zweite Antrieb 78 wird elektrostatisch angetrieben,
um den Antrieb in die und aus der Darstellungsebene von 7 zu bewegen. Somit bewirkt
die Verschiebung des zweiten Antriebs 78 die Drehung des
Ringelementes 54 (und folglich des Mikrospiegels 50)
um die durch die Torsionsstäbe 60 und 62 definierte
y-Achse.
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Der
verwendete Motor, um den Mikrospiegel 50 um eine der Achsen
zu drehen, besteht aus zwei Elementen, einem Stator und einer Translationsvorrichtung.
Bei der Ausführungsform
von 7 ist der Stator
das Antriebssubstrat 64 und es sind zwei Translationsvorrichtungen,
d. h. die Antriebe 76 und 78 vorgesehen. Jedoch
kann ein einzelner Antrieb bei einigen Anwendungen verwendet werden.
Beispielsweise kann das Ende des Vorsprungs 74 mit einem
einzigen Antrieb gekoppelt sein, der elektrostatisch betätigt wird,
um eine Bewegung in eine der zwei Richtungen zu bewirken. Der Motor
ist hier als eine elektrostatische Oberflächenstellvorrichtung beschrieben,
da die Bewegung parallel zu den Oberflächen der zwei Elemente erfolgt
und die Kraft durch die an diese Oberflächen angelegten Spannungen
erzeugt wird. Elektrostatische Oberflächenstellvorrichtungen sind
auch im US-Patent 5,986,381 von Hoen et al. beschrieben, das an
den Abtretungsempfänger der
vorliegenden Erfindung abgetreten wurde.
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7A zeigt eine Draufsicht
auf die zwei Antriebe 76 und 78 und das Mittel
zur Verbindung der Antriebe mit dem Vorsprung 74. Die Antriebe
sind über
der Oberfläche
des Antriebssubstrats (in 7A nicht
gezeigt) durch sich biegende Stabbiegeelemente gehalten, die eine
Verschiebung der Antriebe um 100 μm
in der gewünschten
Bewegungsrichtung ermöglichen,
welche jedoch die Antriebe an einer Bewegung in andere Richtungen
hindern. Jeder der Verbindungsstäbe 80 und 83 muß für Verschiebungen
längs der
zugeordneten gewünschten
Bewegungsachse steif sein und für
Verschiebungen senkrecht zur gewünschten
Bewegungsachse nachgiebig sein. Beispielsweise muß der Verbindungsstab 80,
der mit dem Antrieb 76 verbunden ist, die Verschiebungen
des Antriebs 76 direkt an den Vorsprung 74 koppeln,
während
er sowohl die Verschiebungen, die durch die Betätigung des zweiten Antriebs 78 verursacht
werden, als auch die Neigung des Vorsprungs 74, die auftritt,
wenn er verschoben wird, aufnimmt. Die Verbindungsstäbe 80 und 83 von 7A sind mit den Antrieben 76 und 78 durch
erste dünne
Biegeelemente 85 und 87 verbunden. In ähnlicher
Weise sind die Verbin dungsstäbe
mit den Enden des Vorsprungs 74 durch zweite dünne Biegeelemente 89 und 91 verbunden.
Diese Biegeelemente nehmen einen Teil der Neigung des Vorsprungs
auf. Zusätzlich
wird ein Bereich jedes Verbindungsmechanismus dünner gemacht, so daß er gegenüber Verschiebungen,
die durch die Betätigung
des Antriebs erfolgen, mit dem er nicht verknüpft ist, relativ weich ist.
Dieser verdünnte
Bereich ist auch gegenüber Torsionen
relativ weich, so daß Drehungen
des Vorsprungs aufgenommen werden können.
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Die
unteren Oberflächen
der Antriebe 76 und 78 umfassen Gruppen von Elektroden 82.
Die Gruppen von Elektroden sind im allgemeinen mit Gruppen von Elektroden 84 entlang
der Oberfläche
des Substrats 64 ausgerichtet. Durch Beeinflussung der
Spannungsverläufe
einer der beiden Gruppen von Elektroden, die einem Antrieb zugeordnet
sind, kann der Antrieb betätigt
werden.
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Eine
Ausführungsform
eines Elektrodenmusters an einem Antrieb 76 oder 78 ist
in 8 gezeigt. Die untere
Oberfläche
des Antriebs umfaßt
zwei verschiedene Gruppen von Elektroden. In der Orientierung von 8, sind die Antriebselektroden 82 so
dargestellt, daß sie
sich parallel zur x-Achse erstrecken, während die Hebeelektroden 86 sich
parallel zur y-Achse erstrecken. Ähnliche Gruppen von Elektroden
sind in den entsprechenden Bereichen des Antriebsubstrats 64 ausgebildet.
Die Antriebselektroden 82 sind senkrecht zur Bewegungsrichtung
ausgerichtet und werden dazu verwendet, den Antrieb in der Bewegungsrichtung
zu positionieren. Wenn geeignete Spannungsverläufe an diese Antriebselektroden
angelegt werden, erzeugen die Elektroden eine Gruppe von Potentialtöpfen, die
bezüglich
der Position des Antriebs periodisch sind.
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Ein
Spannungsverlauf für
die Antriebselektroden ist in 9 gezeigt.
Die Elektroden sind so konfiguriert, daß für jeweils sechs Antriebselektroden 82 am
Antrieb 76 sieben Antriebselektroden 84 längs des
Substrats 64 vorgesehen sind. Die Antriebselektroden weisen
ein räumlich
alternierendes Muster angelegter Spannungen auf. D. h. falls eine
bestimmte Elektrode auf 12 V gehalten wird, wird die nächste benachbarte Elektrode
auf 0 V gehalten. Das Muster wird längs der unteren Oberfläche des
Antriebs wiederholt. Ein ähnliches
Spannungsmuster wird an die Substratelektroden 84 angelegt.
Jedoch umfaßt
der Spannungsverlauf des Substrats eine einzige Unterbrechung, d.
h. einen Ort, an dem das alternierende Muster unterbrochen ist.
Diese Unterbrechung tritt bei dieser speziellen Ausführungsform
einmal für
jeweils sieben Elektroden auf, jedoch kann sie durch andere Anordnungen
ersetzt werden. Um den Antrieb 76 zu verschieben, werden
diese Unterbrechungen in die eine oder die andere Richtung bewegt.
In 9 wird die Unterbrechung
durch ein zentrales Paar von Elektroden gebildet, an die eine Spannung
von 12 V angelegt wird. Um die Unterbrechung nach rechts zu bewegen,
wird die Elektrode, die sich rechts vom zentralen Paar befindet,
von 12 V auf 0 V umgeschaltet. Die Unterbrechung wird jetzt durch
ein Paar benachbarter Elektroden gebildet, an welche beide eine Spannung
von 0 V angelegt ist. In ähnlicher
Weise kann die Unterbrechung sukzessive nach rechts bewegt werden.
Das Bewegen der Unterbrechung nach rechts bewirkt, daß der Antrieb
nach links verschoben wird. Die Größe des Verschiebungsschrittes
wird sowohl durch die Elektrodenschrittweite längs des Antriebs als auch durch
die Anzahl von Substratelektroden in einer Gruppe bestimmt. Insbesondere
ist die Größe des Verschiebungsschrittes
die Antriebselektrodenschrittweite geteilt durch die Anzahl der
Substratelektroden in einer Gruppe. Beträgt beispielsweise die Schrittweite
des Antriebs 1 μm,
bewirkt das Umschalten des in 9 gezeigten
Spannungsverlaufs, daß die
Translationsvorrichtung um 0,143 μm
bewegt wird.
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Ein
zusätzliches
Merkmal dieses elektrostatischen Antriebs besteht darin, daß die Position
des Antriebs linear von der relativen Spannung abhängt, die
an die Unterbrechungselektrode angelegt wird. Falls beispielsweise
35% der Antriebsspannung an die Unterbrechungselektrode angelegt
wird, bewegt sich die Translationsvorrichtung um 35% der gesamten
Schrittdistanz bzw. in diesem Fall um 50 nm. Man beachte, daß eine gleichmäßige Änderung
der Antriebsspannung für
jede Elektrode 82 und 84 die Position des Antriebs
nicht ändert,
da damit lediglich der Betrag der Kraft, die der Antrieb aufbringen
kann, geändert
wird. Ein zweites Merkmal dieser Konfiguration des Antriebs ist,
daß mit
ihr für
eine gegebene Spannung eine sehr große Kraft erzeugt werden kann.
Die maximale Kraft, die elektrostatisch aufgebracht werden kann,
ist die Anziehungskraft zwischen den zwei Platten eines Kondensators,
d. h. Fcap = –ε0AV2/(2d2), wobei A
die Oberfläche
des Kondensators und d der Abstand zwischen den Platten ist. Die
durch diesen Motor aufgebrachte Kraft beträgt ~25% dieser maximalen Kraft
und wird seitlich angewandt.
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Von
den Antriebselektroden 82 und 84 kann auch eine
beträchtliche
Anziehungskraft zwischen dem Antrieb 76 und dem Antriebssubstrat 64 aufgebracht
werden, wenn sie mit Strom versorgt werden. Diese Anziehungskraft
würde den
Bewegungsbereich begrenzen, falls die Antriebselektroden das einzige
elektrostatische Element wären,
da lediglich ein schmaler Bereich von Anziehungskräften existiert,
in dem die Befestigungsbiegeelemente stabil sind. Wie zuvor erläutert, ist
der Antrieb 76 über
dem Substrat 64 vorzugsweise durch Biegeelemente befestigt.
Das Hinzufügen
von Hebeelektroden (abstoßenden
Elektroden) zum System wirkt den Anziehungskräften entgegen und ermöglicht einen
wesentlich größeren Bewegungsbereich
und wesentlich größere seitliche
Kräfte.
Eine Konfiguration der Hebeelektroden ist in den 8 und 10 gezeigt.
Die Schrittweite der Hebeelektrode auf dem Rotor (d. h. dem Antrieb 76)
ist identisch mit der Schrittweite der Hebeelektrode auf dem Stator
(d. h. dem Substrat 64). Sowohl an die Rotorelektroden 86 als
auch an die Statorelektroden (nicht gezeigt) werden solche Spannungsverläufe angelegt,
mit welchen die unter Spannung gesetzten Elektroden auf dem Rotor
den unter Spannung gesetzten Elektroden auf dem Stator direkt gegenüberliegend
positioniert werden können.
In ähnlicher
Weise sind die geerdeten Elektroden auf den beiden Oberflächen direkt
gegenüberliegend
zueinander positioniert. Durch Auswählen geeigneter Elektrodenspannungen und
Elektrodenabstände,
ist es möglich,
durch elektrostatische Spannungen eine abstoßende Kraft zwischen den beiden
Elementen 64 und 76 zu erzeugen. Dieser Effekt
tritt aufgrund der Streuung der Felder zwischen den Elektroden auf.
Die Hebeelektroden, die in 8 und 10 gezeigt sind, erzeugen
bis zu 30% der maximalen durch einen Kondensator mit ähnlicher
Größe erzeugten
Kraft und in diesem Fall drückt
die Kraft die zwei Elemente direkt auseinander. Wie oben angemerkt,
sind die Hebeelektroden parallel zur Bewegungsrichtung des Antriebs 76 ausgerichtet.
Somit ist die Kraft, die sie ausüben,
konstant, wenn der Antrieb seitlich versetzt wird.
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Der
Effekt eines Hinzufügens
von Hebeelektroden 86 und 88 zum Motor ist grafisch
in den 11 und 12 gezeigt. Die Grafik von 12 zeigt die seitlichen
Kräfte
und die Kräfte
außerhalb
der Ebene in Abhängigkeit
von dem Spalt zwischen dem Antrieb und dem Substrat für einen
Antrieb mit einer Oberfläche
von 1 mm2 und mit Substratelektroden mit
einer Schrittweite von 1 μm.
Bei dieser Berechnung wird angenommen, daß der Antrieb durch 500 μm lange gefaltete
Stabbiegeelemente befestigt ist, die eine Breite von 1 μm und eine
Dicke von 40 μm
umfassen. Eine Vorspannung von 1,75 V ist die größte Vorspannung, die an die
Hebeelektroden angelegt werden kann, bevor der Antrieb instabil
wird und nach unten auf das Substrat schlägt. Diese Instabilität ist in
der Grafik von 12 dadurch
gezeigt, daß die
Kraft außerhalb
der Ebene mit Ausnahme eines einzigen Punktes, an dem sie Null ist,
immer negativ ist. In diesem nur wenig stabilen Fall ist die seitliche
Kraft gerade groß genug,
um die Federn um 150 μm
auszulenken. Das Hinzufügen
von Hebeelektroden zum Antrieb erhöht die verfügbare Kraft und Bewegungslänge beträchtlich.
Die Grafik von 11 zeigt
die seitlichen Kräfte und
die Kräfte
außerhalb
der Ebene für
einen Motor, bei dem die Fläche
von 1 mm2 gleichmäßig zwischen den Hebe- und
Antriebselektroden aufgeteilt ist. Man beachte, daß selbst
bei einer angelegten Spannung von 12 V der Motor sehr stabil bei
1,25 μm
positioniert werden kann. Die seitliche Kraft, welche der Motor
aufbringen kann, ist nun viermal so groß wie die Kraft, die benötigt wird,
um die Biegeelemente um 150 μm
auszulenken.
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Es
wird erwartet, daß der
Motor viele der in den oben angegebenen Tabellen dargelegten Leistungserfordernisse
erfüllt.
Die Positionsgenauigkeit wird fast vollkommen durch die mittlere
Elektrodenschrittweite bestimmt, die im Zeitpunkt der Herstellung
festgelegt wird. Änderungen
der Biegesteifigkeit oder der angelegten Vorspannung haben nur einen
sehr kleinen Effekt. Daher sollte der Mikrospiegel 50 mit
dem Motor genau und wiederholbar positioniert werden können. Aufgrund
der Effektivität
der Umwandlung der Spannung in eine seitliche Kraft muß der Motor
nicht sehr groß sein,
was zulässt,
daß die
Mikrospiegel nur einen sehr geringen Anstand zwischen sich haben.
Die in den 11 und 12 gezeigte seitliche Kraft
ist ausreichend groß,
um eine Beschleunigung des Antriebs 76 von 10 g zu bewirken.
Unter der Annahme, daß der
Antrieb 100 μm
dick ist und sich über
150 μm bewegen
muß, um
den Mikrospiegel zu positionieren, und unter der Annahme, daß der Mikrospiegel
eine effektive Größe mit ungefähr dem dreifachen
Gewicht des Antriebs umfaßt,
wäre die
Zeit, um den Mikrospiegel ohne Rückkopplung
zu positionieren ungefähr
5 ms. Daher sollte es möglich
sein, selbst mit einer Rückkopplung,
um die Position des Strahls auf dem Ausgangskollimator fein abzustimmen,
den Mikrospiegel innerhalb von 10 ms zu positionieren. Die Gesamtkonstruktion
ist ziemlich stoßunempfindlich,
da die Kräfte,
mit welchen der Antrieb positioniert wird, Beschleunigungen von
bis zu 10 g verkraften können.
Der Stromverbrauch ist ziemlich gering, da der Motor selbst keine
Leistung verbraucht, außer
wenn er angesteuert wird. Dies erfordert jedoch eine stabile Vorspannung.
Es ist somit eine gewisse Leistung erforderlich, um die zugeordnete
CMOS-Elektronik zu bedienen. Die thermische Stabilität sollte
gut sein, da sich die Position der Stellvorrichtung relativ zum
Substrat nicht ändert,
wenn sich die Antriebs- und Substratelektrodengruppen ausdehnen
oder zusammenziehen. Die Winkelposition des Mikrospiegels wird durch
Komponenten bestimmt, die alle aus einkristallinem Silizium bestehen,
so daß Temperaturänderungen
die Mikrospiegelwinkel nicht beeinflussen, solange die Temperaturverteilung
gleichmäßig ist.
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Alternative
Ausführungsform
-
In
den 13–16 ist eine weitere Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Seite eines
Mikrospiegels 90 durch einen Rahmen 94 relativ
zu einem Substrat 92 befestigt. Die Struktur des Mikrospiegels
kann identisch zu der oben beschriebenen sein. Das bedeutet, daß der Mikrospiegel
aus einkristallinem Silizium mit einer Dicke von ungefähr 100 μm mit einer
dünnen
Beschichtung (z. B. 2000 Å)
eines reflektierenden Materials, wie beispielsweise Gold, hergestellt
sein kann. Der Mikrospiegel ist eine Dual-Achsenvorrichtung. Die Ausführungsform
umfaßt
zwei Antriebe 96 und 98, die sich in parallele
Richtungen bewegen. Jedoch werden auch andere Ausführungsformen
in Betracht gezogen. Beispielsweise können die Antriebe mit dem Mikrospiegel 90 so
verbunden sein, daß die
Mikrospiegel sich auf zueinander senkrechten Strecken bewegen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird ein einzelner Antrieb vorgesehen, der abhängig von der Anlage elektrostatischer
Kräfte
in zueinander senkrechte Richtungen verschoben werden kann.
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Jeder
Antrieb 96 und 98 ist über dem Substrat 92 durch
drei Stabbiegeelemente 100, 102 und 104 befestigt.
Jedes Stabbiegeelement weist eine E-Form, mit Beinen am Ende, die
am Substrat befestigt sind, und einem mittleren Bein auf, das an
dem zugeordneten Antrieb befestigt ist. Die Biegeelemente können eine Dicke
von 2 μm
und eine Tiefe von 100 μm
aufweisen.
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Der
Antrieb 96 ist mit dem Mikrospiegel 90 durch einen
Spiegelantriebsstab 106 und ein dünnes Membranbiegeelement 108 gekoppelt. Ähnlich ist
der Antrieb 98 mit dem Rahmen 94 durch einen Rahmenantriebsstab 110 und
ein Paar dünner
Membranbiegeelemente 112 verbunden. Die dünnen Membranbiegeelemente 108 und 112 sind
im wesentlichen identisch zu den Torsionsstäben 56, 58, 60 und 62,
die mit Bezugnahme auf die Ausführungsform
von 2 beschrieben wurden.
Die Membranbiegeelemente sind auf den oberen Oberflächen der
Stäbe 106 und 110 ausgebildet.
Zusätzliche
Membranbiegeelemente, die jedoch in 13 nicht deutlich
gezeigt sind, sind entlang der unteren Oberflächen der Antriebe ausgebildet,
um die Antriebe an den Antriebsstäben 106 und 110 zu
befestigen. Auch in diesem Fall kann das Material Siliziumnitrid
oder Polysilizium mit einer Filmdicke von ungefähr 1000 Å sein. Die ineinandergreifende
Struktur eines Gelenkteils, das den Rahmen 94 mit einem
Stützelement 122 verbindet,
wie in 13 und 14 gezeigt ist, ermöglicht,
daß das Gelenkteil
sowohl durch Beaufschlagung mit Druck als auch unter Zug belastet
werden kann. Das bedeutet, daß Kräfte auf
beide Seiten des Gelenkteils ausgeübt werden können, die einerseits die Tendenz
haben, die beiden Seiten des Gelenkteils auseinander zu ziehen,
und Kräfte
auf das Gelenkteil ausgeübt
werden können, die
andererseits die Tendenz haben, die beiden Seiten des Gelenkteils
zusammenzudrücken.
Das veranschaulichte Gelenkteil umfaßt ein Vorsprungselement mit
T-Form 118,
das betätigt
wird, wenn das Gelenkteil mit Druck beaufschlagt wird, und umfaßt ein zweites
Vorsprungselement 120, das durch Ausüben eines Zugs auf das Gelenkteil
betätigt
wird.
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Wie
in den 14–16 gezeigt ist, sind die
Vorsprungselemente 118 und 120 des Gelenkteils
mit dem Stützelement 122 durch
Membranbiegeelemente 124 gekoppelt. Das Stützelement 122 ist
mit dem Substrat 92 durch eine Verbindungsschicht 126 verbunden.
Ferner wird ein Membranbiegeelement 128 verwendet, um den
Antrieb 98 mit einem angelenkten Bereich 130 der
Rahmenantriebsstange 110 zu verbinden.
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Der
Mikrospiegel 90 ist in 15 in
einer Ruheposition gezeigt. Die elektrostatische Oberflächenanordnung,
die den Antrieb 98 antreibt, umfaßt eine Gruppe von Elektroden 114 auf
dem Antrieb und eine zweite Gruppe von Elektroden 116 auf
dem Substrat 92. Die Strukturen der Elektroden stimmen
vorzugsweise mit den unter Bezugnahme auf 8 beschriebenen Strukturen überein.
Somit sind für
jeweils sechs Antriebselektroden 114 sieben Substratelektroden 116 vorgesehen.
Dies ist die bevorzugte Ausführungsform,
jedoch können andere
Anordnungen verwendet werden, ohne von der Erfindung abzuweichen.
Bei den Elektrodengruppen 114 und 116 handelt
es sich um Antriebselektroden. Der Antrieb 98 und das Substrat 92 umfassen
jedoch auch Hebeelektroden, die in 15 und 16 nicht gezeigt sind. Der
Antrieb 96 von 13 umfaßt eine ähnliche Oberflächenelektrostatikanordnung
zum Heben und Bewegen des Antriebs.
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Wenn
der Antrieb 98 sich in einer Ruheposition befindet, liegt
die reflektierende Oberfläche
des Mikrospiegels 90 parallel zur oberen Oberfläche des
Antriebs. D. h., daß der
Rahmen 94 und der Mikrospiegel sich in den in 15 veranschaulichten Positionen
befinden. Jedoch übt
der Antrieb, wenn er durch Verändern
der Spannungsverläufe
entweder an einer oder beiden Gruppen der Antriebselektroden 114 und 116 angesteuert wird,
eine Kraft entlang des Rahmenantriebsstabs 110 aus. Durch
Verschieben des Antriebs nach rechts, werden der Rahmen 94 und
der Mikrospiegel durch die auf den Rahmenantriebsstab ausgeübte Kraft
tendenziell aus der Ebene des Antriebs geschwenkt. Die Membranbiegeelemente 112, 124 und 128 lassen
es zu, daß der Rahmen 94 in
die in 16 gezeigte Position
außerhalb
der Ebene ge schwenkt wird. Vorzugsweise kann der Mikrospiegel sich
zumindest um ungefähr
20° aus
der Ruheposition von 15 drehen.
Noch bevorzugter erstreckt sich die Drehung bis auf zumindest 30°. Bei der
am meisten bevorzugten Ausführungsform
erstreckt sich die Drehung bis auf 45°.
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Wiederum
unter Bezugnahme auf 13 ist
die Funktionsweise des Antriebs 96 im allgemeinen identisch
zur Funktionsweise des Antriebs 98. Jedoch ist dieser noch
komplizierter. Die Biegeverbindung zwischen dem Spiegelantriebsstab 106 und
dem Mikrospiegel 90 ist aufwändiger, da die Verbindung zwischen
dem Antrieb 96 und dem Mikrospiegel 90 eine gewisse
Drehung zulassen muß,
wenn der Mikrospiegel relativ zum Rahmen 94 und relativ
zum Substrat 92 geneigt wird. Ein verjüngter Abschnitt 132 entlang
des Spiegelantriebsstabs 106 erleichtert das Biegen, wenn
der Mikrospiegel geschwenkt wird. Man beachte, daß das Drehen des
Mikrospiegels durch den Antrieb 96 nicht beginnen sollte,
solange der Rahmen 94, der Mikrospiegel 90 und
der Rahmenantriebsstab 110 koplanar sind, wie in 15 gezeigt ist, da sonst
der Rahmenantriebsstab die Bewegung des Rahmens 94 behindert.
Folglich sollte der Mikrospiegel vor dem Beginn der Bewegung des Antriebs 96 geschwenkt
werden. Vorzugsweise kann der Antrieb 96 den Mikrospiegel 90 um
zumindest 20° drehen.
Bevorzugter beträgt
die Drehung zumindest 30°.
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Funktionsweise
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Der
Betrieb des optischen Schalters 10 von 1 unter Verwendung einer der oben beschriebenen Ausführungsformen
der Dual-Achsen-Mikrospiegel kann eine Kombination von Elektronik
mit einer offenen und geschlossenen Schleife beinhalten. Wenn ein
Signal empfangen wird, um den optischen Eingangsstrahl 30 von
einer ersten Ausgangsfaser des Kollimatorfeldes 14 zu einer
zweiten Ausgangsfaser zu bewegen, dreht sich der Mikrospiegel 22 im
ersten Mikrospiegelfeld 16 um zwei Achsen und bewegt den
optischen Strahl 32 vom Mikrospiegel 26 im zweiten
Mikrospiegelfeld 18 zu einem dritten Mikrospiegel 28.
Während
der Drehung des Mikrospiegels 22 wird der Strahl 32 über solche
Flächen
des zweiten Mikrospiegelfeldes 18 bewegt, in welchen der
Strahl nicht auf dazwischen liegende Mikrospiegel trifft. Folglich
kann ein optisches Übersprechen vermieden
werden. Dies ist möglich,
da die Mikrospiegel nur 25% bis 33% des Raumes des Mikrospiegelfeldes abdecken.
Während
der Bewegung des Strahls wird der der zweiten Ausgangsfaser zugeordnete
Mikrospiegel um zwei Drehachsen bewegt, um den Strahl vom ersten
Mikrospiegel 22 zu empfangen und präzise zur zweiten Ausgangsfaser
zu reflektieren. Da die elektrostatischen Oberflächenstellvorrichtungen eine
hervorragende Präzision
und Wiederholbarkeit haben, sind diese Bewegungen und Positionierungen
unter Verwendung einer Elektronik mit einer offenen Schleife möglich. Diese
Art von Präzision
und dieser Bewegungsbereich können bei
alternativen Antriebsmechanismen, wie beispielsweise Schneckenantrieben,
Kratzantrieben (scratch drives), piezoelektrischen Elementen oder
elektrostatischen spaltschließenden
Antrieben nicht erwartet werden. Der Strahl wird mit einem sehr
präzisen
Einfallswinkel auf die optische Ausgangsfaser ausgerichtet. Sobald
der Strahl auf die Ausgangsfaser ausgerichtet ist, wird das optische
Signal kontrolliert und zur Feinabstimmung der Position des Mikrospiegels
verwendet, um damit die Kopplung zu optimieren.
-
Herstellung
-
Unter
Bezugnahme auf 17 umfaßt der Herstellungsprozeß eines
optischen Schalters gemäß der Erfindung
einen Schritt 134 zur Ausbildung eines Feldes von elektrostatischen
Oberflächenantrieben.
Dieser Schritt umfaßt
ein Strukturieren von elektrostatischen Oberflächenanordnungen mit welchen
die Antriebe elektrostatisch betätigt
werden können.
Elektrostatische Oberflächenanordnungen
der Bauart, wie sie mit Bezugnahme auf 8, 9 und 10 beschrieben sind, können auf
den Oberflächen
der Antriebe und des Substrats, auf welchem die Antriebe ausgebildet
werden, hergestellt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform
umfassen die elektrostatischen Oberflächenanordnungen sowohl Antriebs-
als auch Hebeelektroden.
-
In
den Schritten 136 und 138 wird ein Feld von Dual-Achsen-Mikrospiegeln
hergestellt und so befestigt, daß sie durch die Antriebe betrieben
werden können.
Bei der Ausführungsform
gemäß der 13–16 werden
die Schritte 136 und 138 gleichzeitig ausgeführt und
die Mikrospiegel und die Antriebe in einem gleichzeitigen Bearbeitungsschritt
auf demselben Substrat hergestellt. Bei der Ausführungsform gemäß der 6 und 7 werden andererseits die Schritte unabhängig voneinander
durchgeführt
und die Antriebe und die Mikrospiegel auf getrennten Substraten
hergestellt, die darauffolgend verbunden werden, so daß die in 7 gezeigte Anordnung erhalten
wird.
-
Ein
wesentliches Merkmal der Konstruktion ist, daß die Mikrospiegel auf 4 × 4-Feldern
(als ein Beispiel) hergestellt und dann miteinander verbunden werden
können,
um ein Gesamtsystem zu erhalten. Beispielsweise kann ein 576 × 576-Schalter
durch Verbinden von sechsunddreißig 4 × 4-Feldern hergestellt werden.
Somit können
die 4 × 4-Felder
zur Produktion größerer optischer
Schalter getrennt voneinander hergestellt werden. Bei der Verwendung
eines 4 × 4-Feldes als Basiseinheit
kann ferner auf einfache Weise eine komplette Produktreihe von Schaltern
bereitgestellt werden. Das Zusammenfügen ist möglich, da ein einzelner Mikrospiegel
nur mit der zugeordneten Faser mit einer Toleranz von 25 μm ausgerichtet
werden muß.
Schrägstellungen,
die beim Zusammenfügeprozeß hervorgerufen
werden, können
von den einzelnen Spiegeln des Feldes ausgeglichen werden. Nachdem
das gesamte System zusammengebaut ist, können die einzelnen Spiegel
mit den in einem elektronischen Speicher gespeicherten Informationen
kalibriert werden und mit dem Kontroller für das Gesamtsystem versandt
werden.
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Der
Verbindungsschritt 140 in 17 kann
mit 4 × 4-Feldern
von Mikrospiegeln ausgeführt
werden, die jeweils 1,1 mm × 1,5
mm umfassen. Mikrospiegel dieser Abmessungen sind zur Steuerung
von Strahlen mit einer Einschnürung
von bis zu 320 μm
geeignet. Somit könnte
ein einziger Chip verwendet werden, um Schalter mit einer Größe von bis
zu 625 × 625
zusammenzusetzen. Der Zusammenbau ist möglich, da die laterale und
winkelmäßige Ausrichtung
des ersten und zweiten Feldes 16 und 18 von 1 ziemlich elementar sind.
Seitliche Toleranzen von ±25 μm sind zulässig und
Fehlausrichtungen bezüglich
des Winkels können durch
die Anfangskalibrierung des zusammengebauten optischen Schalters 10 kompensiert
werden. Durch den Zusammenbau können
die einzelnen 4 × 4-Felder
getrennt geliefert werden und es sind Schalter möglich, die wesentlich größer als
ein Wafer mit einer bestimmten Größe sind.
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Der
Schritt 142 ist ein Schritt zur Positionierung der Felder
der Mikrospiegel und Kollimatoren, um Systeme, wie das in 1 gezeigte, herzustellen.
Nachfolgend kann dann die Kalibrierung durchgeführt werden. Während die
bevorzugte Ausführungsform
des optischen Schalters elektrostatisch angetriebene Antriebe und ein
Paar von Mikrospiegelfeldern 16 und 18 umfaßt, werden
auch andere Ausführungsformen
in Betracht gezogen. Beispielsweise kann das optische System zwei
Mikrospiegelfelder umfassen, wobei die Mikrospiegel jedoch unter
Verwendung anderer Techniken als mit einer elektrostatischen Oberflächenverstellung
um zwei Achsen bewegt werden.