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