DE60008214T2

DE60008214T2 - Optischer Schalter mit zweiachsigen Mikrospiegeln

Info

Publication number: DE60008214T2
Application number: DE2000608214
Authority: DE
Inventors: Storrs T. Brisbane Hoen
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: US6253001B1; DE60008214D1; JP2001242396A; EP1130442B1; EP1130442A3; EP1130442A2

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft allgemein optische Schalter und insbesondere optische querverbundene Schalter mit Mikrospiegeln, die individuell betätigt werden.
Stand der Technik
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurzbeschreibung der Erfindung
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm eines optischen 16 × 16 Schalters; bei dem Dual-Achsen-Mikrospiegelfelder gemäß der Erfindung verwendet werden.
2 ist eine Draufsicht auf eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform zur Positionierung zweier Felder von Dual-Achsen-Mikrospiegeln gemäß der Erfindung.
3 ist eine Seitenansicht der Darstellung von 2.
4 ist eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform zur Positionierung von Dual-Achsenfeldern von Spiegeln gemäß der Erfindung.
5 ist eine Seitenansicht der Darstellung von 4.
6 ist eine Draufsicht auf ein Mikrospiegelfeld gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
7 ist eine Seitenansicht eines der Mikrospiegel von 6, der mit einem Antriebssubstrat mit Stellvorrichtungen zum Manipulieren des Mikrospiegels um zwei Achsen verbunden ist.
7A ist eine Draufsicht, in der das Paar der Stellvorrichtungen zum Bewegen des Mikrospiegels von 7 isoliert dargestellt sind.
8 ist eine Ansicht von unten eines Antriebs von 7, in der vertikal orientierte Antriebselektroden und horizontal orientierte Hebeelektroden gezeigt sind.
9 ist eine Seitenansicht des Antriebs und des Antriebssubstrats von 7, in der Spannungsverläufe an den Antriebselektroden zu einer bestimmten Zeit gezeigt sind.
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.
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.
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.
13 ist eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Mikrovorrichtung mit elektrostatisch angetriebenen Antrieben, die einen Mikrospiegel um zwei Achsen bewegen.
14 ist eine Draufsicht auf einen der Antriebe und einen Rahmen der Mikrovorrichtung von 13.
15 ist eine Seitenansicht des Antriebs und Rahmens von 14, die in einer Ruheposition gezeigt sind.
16 ist eine Seitenansicht des Antriebs und des Rahmens von 15, wobei diese jedoch in einem Betriebszustand gezeigt sind.
17 ist ein Ablaufdiagramm von Schritten zur Herstellung eines optischen Schalters gemäß der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
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.
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.
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.
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.
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.
Tabelle 1
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.
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.
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.
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.
Anforderungen an die mikrooptischen Komponenten
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.
Tabelle 2
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.
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.
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.
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.
Vorgeschlagene Konstruktion für den Mikrospiegel
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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. F_cap = –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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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°.
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°.
Funktionsweise
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.
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.
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.

Claims

Mikrovorrichtung zur Steuerung optischer Signale, welche umfaßt: ein Substrat (64; und 92) mit einer Substratoberfläche; einen Mikrospiegel (22, 26 und 28; 50; und 90), der neben dem Substrat befestigt ist, um eine Bewegung des Mikrospiegels relativ zur Substratoberfläche zu ermöglichen; eine erste Oberflächenelektrostatikanordnung, welche die Verschiebung eines ersten Antriebs (76; und 96) steuert, der funktionsmäßig dem Mikrospiegel zugeordnet ist, um den Mikrospiegel relativ zum Substrat in Reaktion auf erste elektrostatische Kräfte selektiv zu drehen, wobei die erste Oberflächenelektrostatikanordnung eine erste und eine zweite Gruppe von Elektroden (82 und 84) umfaßt, die so konfiguriert und angeordnet sind, daß sie erste elektrostatische Kräfte in Reaktion auf Spannungsverläufe erzeugen, die an die erste und zweite Gruppe angelegt werden; und eine zweite Oberflächenelektrostatikanordnung, welche die Verschiebung eines zweiten Antriebs (78; und 98) steuert, der funtionsmäßig dem Mikrospiegel zugeordnet ist, um den Mikrospiegel relativ zum Substrat in Reaktion auf zweite elektrostatische Kräfte selektiv zu drehen, wobei die zweite Oberflächenelektrostatikanordnung eine dritte und eine vierte Gruppe von Elektroden (114 und 116) umfaßt, die so konfiguriert und angeordnet sind, daß sie zweite elektrostatische Kräfte in Reaktion auf Spannungsverläufe erzeugen, die an die dritte und vierte Gruppe angelegt werden; wobei der erste und zweite Antrieb seitlich entlang von Strecken verschiebbar sind, die im allgemeinen parallel zur Substratoberfläche sind, und die Drehungen des Mikrospiegels durch Betriebsschritte der ersten Oberflächenelektrostatikanordnung Winkelstrecken folgen, die von Winkelstrecken getrennt sind, welchen die Mikrospiegelbetriebsschritte der zweiten Oberflächenelektrostatikanordnung folgen.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Antrieb (76; und 96) entlang einer ersten Strecke reziprok verschiebbar und funktionsmäßig mit dem Mikrospiegel (22, 26 und 28; 50; und 90) so gekoppelt ist, daß er eine Drehung um eine erste Achse steuert, wenn der erste Antrieb entlang der ersten Strecke verschoben wird, und der zweite Antrieb (78; und 98) entlang einer zweiten Strecke reziprok verschiebbar und funktionsmäßig mit dem Mikrospiegel so gekoppelt ist, daß er eine Drehung um eine zweite Achse steuert, wenn der zweite Antrieb entlang der zweiten Strecke verschoben wird.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite und vierte Gruppe von Elektroden (84 und 116) entlang der Substratoberfläche des Substrats (64; und 92) im wesentlichen zueinander senkrecht sind, die erste Gruppe von Elektroden (82) am ersten Antrieb (76; und 96) in allgemeiner Ausrichtung mit der zweiten Gruppe ausgebildet ist und die dritte Gruppe von Elektroden (114) am zweiten Antrieb (78; und 98) in allgemeiner Ausrichtung mit der vierten Gruppe ausgebildet ist.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 3, welche des weiteren Gruppen von Hebeelektroden (86) entlang des ersten und des zweiten Antriebs (76 und 78; 96 und 98) und entlang entsprechender Orte auf der Oberfläche des Substrats (64; und 92) umfaßt, wobei die Hebeelektroden mit Spannungsverläufen versorgt werden, die so konfiguriert sind, daß sie repulsive Kräfte zwischen dem Substrat und sowohl dem ersten als auch dem zweiten Antrieb erzeugen.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, welche des weiteren einen Rahmen (52; und 94) aufweist, der zum Tragen des Mikrospiegels (22, 26 und 28; 50; und 90) verbunden ist, wobei der erste Antrieb so angekoppelt ist, daß er den Rahmen derart bewegt, daß der Mikrospiegel um die erste Achse gedreht wird, und der zweite Antrieb (78; und 98) so mit dem Mikrospiegel verbunden ist, daß der den Mikrospiegel unabhängig vom Rahmen bewegt.
Mikrospiegel nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei der Mikrospiegel (22, 26 und 28; 50; und 90) einer aus einer Mehrzahl von im wesentlichen identischen Mikrospiegeln entlang des Substrats (64; und 92) ist, wobei jeder Mikrospiegel dazu angepaßt ist, sich um zwei Achsen zu drehen und funktionsmäßig einer ersten und einer zweiten dafür vorgesehenen Oberflächenelektrostatikanordnung zugeordnet ist.
Mikrovorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, die des weiteren eine Steuerungseinrichtung aufweist, die mit der ersten, zweiten, dritten und vierten Gruppe von Elektroden (82, 84, 114 und 116) verbunden ist, um selektiv Spannungsverläufe zu va riieren, die an zumindest zwei Gruppen angelegt sind, wodurch selektiv die ersten und die zweiten elektrostatischen Kräfte variiert werden.
Verfahren zum Herstellen optischer Mikrovorrichtungen, welches die Schritte umfaßt: Bereitstellen eines Substrats (64; und 92); Herstellen einer Mehrzahl von Oberflächenelektrostatikantrieben (76 und 78; 96 und 98) auf einer Substratoberfläche des Substrats derart, daß die Elektrostatikantriebe unabhängig in Reaktion auf elektrostatische Kräfte bewegbar sind, wobei jeder Elektrostatikantrieb eine Antriebsoberfläche aufweist, die der Substratoberfläche zugewandt ist und die Elektrostatikantriebe individuell auf die elektrostatischen Kräfte reagieren, um sich in Richtungen zu bewegen, die im allgemeinen parallel zum Substrat und zu den Antriebsoberflächen sind; und Befestigen einer Mehrzahl von Mikrospiegeln (22, 26 und 28; 50; und 90) relativ zum Substrat, so daß jeder Mikrospiegel um eine erste und zweite im wesentlichen senkrechte Achse drehbar ist und derart, daß Bewegungen der Elektrostatikantriebe Drehungen der Mikrospiegel um die erste und zweite Achse bewirken.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Befestigens der Mikrospiegel (22, 26 und 28; 50; und 90) ein Herstellen von Rahmen (52; und 94) auf dem Substrat (64; und 92) und ein Herstellen der Mikrospiegel auf dem Substrat in der Art beinhaltet, daß die Mikrospiegel durch die Rahmen gehalten werden, wobei die Elektrostatikantriebe (76 und 78; 96 und 98) dadurch in die Rahmen und die Mikrospiegel integriert werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Schritt eines Herstellens der Elektrostatikantriebe (76 und 78; 96 und 98) ein Gestalten einer ersten Gruppe von Elektroden (82) auf der Substratoberfläche eines Substrates und ein Gestalten einer zweiten Gruppe von Elektroden (84) auf der Antriebsoberfläche jedes Elektrostatikantriebs umfaßt.