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TECHNISCHES
FELD
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Die Erfindung betrifft im allgemeinen
optische Schaltelemente und insbesondere Umschalter (switches),
die den Austausch von Signalen zwischen optischen Fasern und Substratwellenleitern erfordern.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Üblicherweise
werden innerhalb von Telekommunikationsnetzen und Datenkommunikationsnetzen
Signale durch die Übertragung
elektrischer Signale über
elektrisch leitende Leitungen ausgetauscht. Ein alternatives Medium
zum Austausch von Daten bietet hingegen die Übertragung optischer Signale über optische
Fasern. Zur effizienten Erzeugung und Übertragung optischer Signale
wurden Einrichtungen entworfen und implementiert, allerdings ist
der Entwurf optischer Umschalter (optical switch) zur Verwendung
in Telekommunikations- und Datenkommunikationsnetzen problematisch.
Datenkommunikationsnetze benutzen oft Paketumschalttechniken; in
denen die Information in Pakete mit fester Länge aufgeteilt wird, welche übertragen
werden und dann auf der Empfangsseite wieder zusammengesetzt werden.
Ein Vorteil der Paketumschalter besteht darin, daß diese
die Übertragungsresourcen
eines Systems effizient verwenden. Hinsichtlich optischer Paketübertragungen
ergibt sich der Nachteil, daß die
Umschalteinrichtungen nicht soweit entwickelt sind, wie vergleichbare
elektrische Umschalteinrichtungen. Insbesondere ist ein hauptsächlicher Nachteil
das Fehlen von optischem Speicher, der einfach zu verwenden ist.
Optische Querverbindungs-Umschalter (cross-connect circuit switches) werden
von Telekommunikationsunternehmen verwendet, um Signale, die eine
hohe Bitrate aufweisen, zwischen optischen Fasern umzuleiten. Insbesondere
sind diese in Systemen nützlich,
die Wellenlängenmultiplexing (WDM)
verwenden, wobei die Leistungsfähigkeit
der Übertragung
durch die Verwendung paralleler Kanäle bei verschiedenen Wellenlängen erhöht wird.
Umschalter dieses Typs sind im Handel erhältlich, weisen allerdings entweder
große
Abmessungen, schlechte Leistungsfähigkeit, einen hohen Preis
oder eine Kombination dieser Faktoren auf.
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In dem US Patent 5,669,462 von Fouquet
et al., das von derselben Anmelderin wie die vorliegende Erfindung
stammt, wird eine Umschaltmatrix beschrieben, die zum Umleiten optischer
Signale von einer beliebigen Anzahl optischer paralleler Eingangsfasern
auf eine beliebige Anzahl optischer paralleler Ausgangsfasern verwendet
werden kann. Eine funktional verknüpfte Matrix von Umschaltelementen
ist in
US 4,988,157 von
Jackel et al. beschrieben. Ein Umschaltelemente
10 ist
in
1 gezeigt, während in
2 eine 4 × 4-Matrix
32 aus
Umschaltelementen dargestellt ist. Der optische Umschalter von
1 ist auf einem Substrat
ausgebildet. Das Substrat kann ein Siliziumsubstrat sein, jedoch
können
auch andere Materialien verwendet werden. Der optische Umschalter
10 umfaßt planare Wellenleiter,
die durch eine untere Mantelschicht
14, einen Kern
16 und
eine obere Mantelschicht
18 definiert sind. Der Kern besteht
vornehmlich aus Siliziumdioxid, jedoch sind weitere Materialien
hinzugefügt,
die den Brechungsindex des Kerns beeinflussen. Die Mantelschichten
sollten aus einem Material ausgebildet sein, das einen Brechungsindex
hat, der sich von dem Brechungsindex des Kernmaterials deutlich
unterscheidet, so daß die
optischen Signale entlang des Kernmaterials geführt werden.
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Das Kernmaterial 16 ist
so strukturiert, daß ein
Eingangswellenleiter 20 und ein Ausgangswellenleiter 26 eines
ersten Wellenleiterwegs sowie ein Eingangswellenleiter 24 und
ein Augangswellenleiter 22 eines zweiten Wellenleiterwegs
ausgeformt wird. Ein Graben 28 ist durch das Kernmaterial
bis auf das Siliziumsubstrat geätzt.
Die Wellenleiter schneiden den Graben mit einem Einfallswinkel,
der größer als der
kritische Winkel der totalen inneren Reflexion (TIR) ist, wenn der
Graben mit Dampf oder Gas gefüllt
ist. Daher lenkt die TIR Licht von dem Eingangswellenleiter 20 zu
dem Ausgangswellenleiter 22 um, außer wenn sich ein Material
zur Anpassung des Brechungsindex in der Lücke zwischen den ausgerichteten
Segmenten 20 und 26 befindet. Idealerweise ist der
Graben 28 bezüglich
der vier Wellenleiter so positioniert, daß eine Seitenwand des Grabens
direkt durch den Schnitt der Achsen der Wellenleiter geht. In der 4 × 4-Matrix 32 von 2 kann jeder der vier Eingangswellenleiter 34, 36, 38 und 40 mit
einem der vier Ausgangswellenleiter 42, 44, 46 und 48 optisch gekoppelt
werden. Die Schaltanordnung wird als „nicht-blockierend" bezeichnet,
da jede freie Eingangsfaser mit jeder freien Ausgangsfaser verbunden
werden kann, unabhängig
von den Verbindungen, die bereits durch die Schaltanordnung hergestellt
wurden. Jeder der sechzehn optischen Umschalter hat einen Graben,
der bei Fehlen einer Flüssigkeit
mit passendem Index eine TIR verursacht, jedoch werden kolineare
Segmente eines bestimmten Wellenleiterwegs optisch verbunden, wenn
die Lücken
zwischen den kolinearen Segmenten mit einem Fluid gefüllt sind,
das einen passenden Index hat. Die Gräben, in denen die Wellenleiterlücken mit
Fluid gefüllt
sind, werden durch dünne
Linien dargestellt, die sich mit einem Winkel durch die Schnittflächen der optischen
Wellenleiter in der Anordnung erstrecken: Gräben, in denen sich an den Lücken kein
Fluid mit passendem Index befindet, werden hingegen mit dicken Linien
dargestellt, die durch einen Schnittpunkt gehen.
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Der Eingangswellenleiter 20 von 1 und 2 steht als Ergebnis der Reflexion an
dem leeren Graben 28 mit dem Ausgangswellenleiter 22 in
Verbindung. Da sich alle Schnittpunkte zur Kommunikation des Eingangswellenleiters 34 mit
dem Ausgangswellenleiter 44 in einem Übertragungszustand befinden, wird
ein Signal, das an dem Eingangswellenleiter 34 erzeugt
wird, an dem Ausgangswellenleiter 44 empfangen. In gleicher
Weise ist der Eingangswellenleiter 36 mit dem ersten Ausgangswellenleiter 42,
der dritte Eingangswellenleiter 38 mit dem vierten Ausgangswellenleiter 48 und
der vierte Eingangswellenleiter 40 mit dem dritten Ausgangswellenleiter 46 optisch
gekoppelt.
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Zur Veränderung eines optischen Umschalters
des in 1 gezeigten Typs
von einem übertragenden
Zustand in einen reflektierenden Zustand stehen eine Reihe von Techniken
zur Verfügung.
In dem oben genannten Patent von Jackel et al. befindet sich in
der Lücke
zwischen den Wellenleitern Wasser oder eine Flüssigkeit mit passendem Brechungsindex,
bis eine elektrochemisch erzeugte Blase gebildet wird. Um die Flüssigkeit
elektrolytisch in gasförmige
Blasen umzuwandeln, sind ein Paar Elektroden vorgesehen. Eine Blase
erzeugt an der Lücke
zwischen den kolinearen Wellenleitern eine Indexungleichheit und
verursacht die Reflexion von Licht an der Seitenwand eines Grabens.
Die Blase kann durch einen zweiten Impuls, der eine entsprechende
Polarität
hat, zerstört werden,
wodurch die Blase entfernt wird und der Umschalter in den übertragenden
Zustand zurückkehrt.
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Die japanische Anmeldung Nr. 6-229802
von Sato et al. (Kokai Nr. 8-94866) beschreibt die Verwendung von
Heizelementen, um eine Lücke,
die von zwei Wellenleitern geschnitten wird, mit Flüssigkeit zur
Anpassung des Index zu versorgen oder diese daraus zu entfernen.
Der Strom der Flüssigkeit
wird durch selektiv aktivierte Heizelemente gesteuert.
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Das Dokument
JP 06118317 beschreibt einen optischen
Wellenleiterumschalter, in dem jeder optische Wellenleiter eine
Breite aufweist, welche sich in der Nähe eines Schnittpunktes mit
einem anderen Wellenleiter vergrößert. Daher
erweitert sich in der Nähe
des Schnittpunktes der Durchmesser des Ausgangsstrahls. Zweck dieses
Dokumentes ist es, einen als Matrix ausgebildeten optischen Wellenleiterumschalter
vorzusehen, der eine geringe Eingangsdämpfung und eine hohe Leistungsfähigkeit hat,
indem optische Wellenleiterteile ausgebildet werden, wobei die optischen
Wellenleiter an der Eingangsseite und an der Ausgangsseite des Wellenleiters
der Länge
nach in bezug auf die Kernbreite verändert werden.
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Die Veröffentlichung „IEEE Photonics
Technology Letters", Band 4, Nr. 9 vom September 1992, Seiten 1028
bis 1031, beschreibt einen „Low-Loss Optical
Connector between Dissimilar Single-Mode Fibres using Local Core
Expansion Technique by Thermal Diffusion" (einen optischen Verbinder
mit geringem Verlust zwischen unterschiedlichen Single-Mode-Fasern
mit einer lokalen Kernexpansionstechnik durch thermische Diffusion).
Diese Schrift zeigt die Verwendung von sich verjüngenden Fasern anstelle sich
verjüngender
Wellenleiter, um eine Kopplung mit einem geringem Verlust zu erreichen.
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Die Quellen für Signalverluste bei Umschaltmatrizen
umfassen Kopplungsverluste an den Schnittstellen zwischen den optischen
Fasern und den Wellenleitern, Übertragungsverluste
entlang der Wellenleiter sowie Übertragungsverluste
als Ergebnis des Durchlaufens eines fluidgefüllten Grabens von einem Wellenleiter
zu einem kolinearen Wellenleiter. Eine übliche optische Faser besitzt
einen Durchmesser von ungefähr
8 μm. Um
Kopplungsverluste zu steuern, können
die Kerne der Wellenleiter so hergestellt werden, daß sie mit
dem Durchmesser der optischen Faser im wesentlichen übereinstimmen.
Die oben genannte Druckschrift von Sato et al. beschreibt das Herstellen
einer Kernschicht, die einen Aufbau mit einem quadratischen Querschnitt aufweist,
wobei sowohl die Dicke als auch die Breite des Wellenleiters ungefähr 8 μm beträgt. Der
Text des Patents von Jackel et al. beschreibt die Kernschicht mit
einer Dicke von ungefähr
7 μm, die
ungefähr
mit dem Durchmesser einer Single-Mode-Faser übereinstimmt. Abrupte Veränderungen
der Abmessungen würden
zu Signalverlust und Signalreflexion führen.
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Die Auswahl der Wellenleiterabmessungen zur
Minimierung der Kopplungsverluste an den Schnittstellen zwischen
den optischen Fasern und den Wellenleitern ist nicht notwendiger
Weise gleichzeitig eine wünschenswerte
Auswahl in Hinblick auf die Optimierung anderer Aspekte der Umschaltfunktion.
Daher müssen
Kompromisse eingegangen werden. Abhängig von der Breite der Gräben, welche
die Wellenleiter schneiden, können
breitere Wellenleiter die Übertragungsverluste über die
fluidgefüllten
Lücken
verringern. Beispielsweise in Anwendungen, bei denen höhere Verluste
toleriert werden können (beispielsweise
Datenkommunikation) kann es von Vorteil sein, optische Standardfasern
mit einem Kern von 8 μm
mit breiteren und dickeren Wellenleitern zu verbinden, wobei Kopplungsverluste
im Gegenzug zu einer verbesserten Leistungsfähigkeit in Kauf genommen werden,
die durch die größeren Abmessungen
des Querschnitts an der Schnittstelle mit dem Graben entsteht.
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Daher besteht ein Bedarf an einem
optischen Umschaltelement, wobei die Auswahl der Wellenleiterabmessungen,
Lückenabmessungen
und Faserabmessungen nicht zu Lasten der Leistungsfähigkeit geht.
Das heißt,
daß ein
optisches Umschaltelement benötigt
wird, das sowohl geringe Kopplungsverluste zwischen Faser und Wellenleiter
sowie geringe Übertragungsverluste über einer
fluidgefüllten
Lücke innerhalb
eines Wellenleiterpaars vorsieht.
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ABRISS DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung sieht ein
Umschaltelement nach Anspruch 1 vor.
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Ein Umschaltelement koppelt selektiv
einen ersten optischen Pfad mit einem zweiten optischen Pfad, wobei
jeder optische Pfad eine optische Faser umfaßt, die mit einem Substrat-Wellenleiter
gekoppelt ist, und jeder optische Pfad weiterhin einen sich ver
jüngenden
Bereich umfaßt,
in dem die Querschnittsfläche
des optischen Pfads mit der Entfernung von einer Lücke zwischen
den zwei optischen Fasern abnimmt. In einer Ausführung sind die sich verjüngenden
Bereiche der optischen Pfade entlang der Wellenleiter ausgebildet.
Jeder der zwei Wellenleiter hat ein inneres Ende mit einer ersten
Querschnittsfläche.
Die inneren Enden sind an der Lücke angeordnet,
in der die optischen Charakteristika selektiv umgeschaltet werden,
um festzulegen, wann die zwei optischen Pfade optisch gekoppelt
sind. Die erste Querschnittsfläche
wird ausgewählt,
um eine hohe Kopplungseffizienz entlang der Lücke zu bieten. Die Wellenleiter
verjüngen
sich auf eine zweite Querschnittsfläche, die ausgeführt ist,
eine hohe Kopplungseffizienz zu den Fasern zu unterstützen. In einer
zweiten Ausführung
sind die sich verjüngenden Bereiche
entlang der optischen Fasern ausgebildet. Beispielsweise können Fasern
mit thermisch erweitertem Kern (TEC-Fasern) verwendet werden, um
die optischen Pfade von einer ersten Querschnittsfläche auf
eine verringerte zweite Querschnittsfläche zu verjüngen.
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Bei vielen Anwendungen ergeben sich
Vorteile aus einer relativ breiten Lücke zwischen den zwei optischen
Fasern. Wenn beispielsweise die Lücke ein Abschnitt eines Grabens
ist, der Flüssigkeit enthält und in
dem eine Blase beeinflußt
wird, um die An- oder Abwesenheit einer Flüssigkeit zur Anpassung des
Index in der Lücke
festzulegen, kann die Bewegung der Blase verläßlicher sein, wenn die Grabenbreite
relativ groß ist
(beispielsweise 25 μm
im Vergleich zu 15 μm).
Es wurde ermittelt, daß sich
relativ geringe Verluste ergeben, wenn ein optisches Signal durch
einen im wesentlichen quadratischen Wellenleiter mit Seitenlängen von
ungefähr
16 μm von
dem ersten optischen Pfad zu dem zweiten optischen Pfad über das
Fluid zur Anpassung des Index läuft.
Jedoch ergeben sich an den abrupten Änderungen der Abmessungen bei
relativ großen
Wellenleitern starke Kopplungsverluste, wenn optische Signale den
Wellenleiter verlassen und in Standard-Single-Mode-Fasern eintreten,
die einen Kerndurchmesser von ungefähr 7 oder 8 μm für Single-Mode-Telekommunikationsanwendungen
im 1,55 μm-Bereich haben.
Der sich verjüngende
Bereich eines optischen Pfades reduziert die nachteiligen Effekte
wesentlich, die sich durch den Kompromiß zwischen der Kopplungseffizienz.
von Wellenleiter zu Faser und der Kopplungseffizienz entlang des
Grabens ergeben.
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Der sich verjüngende Bereich eines optischen
Pfades ist idealer Weise „adiabatisch".
Das heißt,
daß die
Querschnittsfläche
der sich verjüngenden
Wellenleiterfasern sich mit der Entfernung langsam verändern, so
daß die
lokale normale Mode geringster Ordnung des Wellenleiters/der Faser
durch den sich verjüngenden
Bereich läuft,
ohne daß eine kumulative Übertragung
von Leistung zu den lokalen normalen Moden höherer Ordnung auftritt. Auf
diese Weise werden Reflexionen innerhalb des sich verjüngenden
Bereichs minimiert.
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In der Ausführung, in der die sich verjüngenden
Bereiche auch entlang der optischen Fasern ausgebildet sind, können TEC-Fasern
in Klemmen oder in V-förmigen
Rillen innerhalb eines Siliziumsubstrats montiert werden, um Bandverbinder
(ribbon connectors) auszubilden, welche die Verbindung mit dem Substrat
vereinfachen, das die Wellenleiter umfaßt. Somit kann unter Verwendung
der Erfindung eine Matrix von Umschaltelementen ausgebildet werden.
Die Lichtkopplung der zwei TEC-Fasern an den entgegengesetzten Enden
des Bandverbinders kann dazu verwendet werden, alle genau positionierten TEC-Fasern
aktiv mit den genau positionierten Substratwellenleitern auszurichten.
Der Bandverbinder kann dann mittels Epoxidharz mit dem Wellenleitersubstrat
verbunden werden, wobei Epoxidharz mit passendem Index verwendet
wird. Ein Vorteil dieser Herangehensweise ist, daß ein großer symmetrischer
(zum Beispiel 16 μm × 16 μm) Wellenleiter
verwendet werden kann, so daß beide
Polarisationskomponenten eines Eingangssignals gleichermaßen behandelt
werden, wodurch sich die Gefahr polarisationsabhängiger Verluste verringert.
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Die Vorteile des Umschaltelementes
werden erreicht, ohne daß wesentliche
Veränderungen
bei der Wellenleiterherstellung erforderlich wären. Wie vorab bemerkt wurde,
ist die große
Querschnittsfläche
an den inneren Enden der Wellenleiter vorzugsweise für Anwendungen
vorgesehen, in denen breite Gräben
vorteilhaft sind. Als Alternative zur Blasenmanipulation kann ein
Graben mit einem Fluid, das einen passenden Index hat, oder mit
einem Fluid, das einen nicht passenden Index hat, z. B. Luft, gefüllt sein
und einen versetzbaren Spiegel umfassen, der in die Lücke zwischen
den zwei Wellenleitern bewegt wird, um ein optisches Signal zu einem
dritten Wellenleiter umzulenken.
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Die Bewegung des Spiegels kann in
einer Richtung senkrecht zur Oberfläche des Wellenleiters sein
oder in einer Richtung entlang des Grabens verlaufen. Wenn ein mikromechanisch
angetriebenes Stellglied verwendet wird, um den Spiegel zu manipulieren,
muß die
Breite des Grabens groß genug sein,
um das Stellglied aufzunehmen. Daher ergeben sich durch die Spiegelmanipulation, ähnlich wie
bei der Blasenmanipulation, Vorgaben hinsichtlich der Größe des Wellenleiters,
um Verluste unter Kontrolle zu halten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Aufsicht eines optischen Umschaltelementes, das gemäß dem Stand
der Technik totale interne Reflexion verwendet.
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2 ist
eine Matrix aus Umschaltelementen nach 1 gemäß dem Stand
der Technik, die es erlaubt, um eine Anzahl von Eingangswellenleitern mit
einer Anzahl von Ausgangswellenleitern zu verbinden.
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3 ist
eine Aufsicht einer Matrix aus Umschaltelementen gemäß einer
Ausführung
der Erfindung mit optischen Pfaden, welche Wellenleiter mit sich
verjüngenden
Bereichen umfassen.
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4 ist
eine graphische Darstellung des Anteils des Signalenergieverlustes
entlang des Pfades mit dem größten Verlust
in einer 16 × 16-Umschaltmatrix
als Funktion der Größe der fluidgefüllten Gräben, durch
die das Signal läuft,
wobei Wellenleiter mit drei verschiedenen Größen durch drei Kurven dargestellt
werden.
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5 ist
eine Aufsicht der sich verjüngenden Abschnitte
der vier Wellenleiter von 1.
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6 ist
ein Querschnitt einer TEC-Faser, die in einer zweiten Ausführung der
Erfindung verwendet wird.
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7 ist
eine Aufsicht der TEC-Faser von 6,
die mit einem Wellenleiter gemäß der zweiten Ausführung der
Erfindung verbunden ist.
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8 ist
eine Stirnansicht von vier optischen Fasern, die innerhalb eines
Siliziumsubstrats positioniert sind, um Umschaltelementen mit den
Wellenleitern gemäß der Erfindung
optisch zu koppeln.
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9 ist
eine perspektivische Ansicht der Struktur von 8 mit einem oberen Siliziumsubstrat,
das die optischen Fasern festhält.
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10 ist
eine Aufsicht eines Umschaltelementes mit Techniken zur Blasenmanipulation,
um zwischen einem reflektierenden Zustand und einem übertragenden
Zustand umzuschalten.
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11 ist
eine Aufsicht des Umschaltelementes von 10 im übertragenden Zustand.
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BESTE ART UND
WEISE DER AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß 3 umfaßt eine Matrix 50 aus Umschaltelementen
ein Wellenleitersubstrat 52, das an vier Substraten zur
Faseranordnung 54, 56, 58 und 60 befestigt
ist. Das Wellenleitersubstrat ist vorzugsweise ein Siliziumchip,
jedoch können
auch andere Materialien, beispielsweise Quarz, verwendet werden.
Ein Vorteil eines Siliziumsubstrats ist, daß dieses die Verwendung von
Techniken zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen erleichtert,
um lichtübertragende
Wellenleiterstrukturen und fluidzuführende Löcher auszubilden.
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Das Wellenleitersubstrat 52 ist
vierseitig ausgestaltet. Die Winkel der benachbarten Seiten legen die
Schnittwinkel der Wellenleiter mit den Gräben fest, die von dem Typ sind,
der oben mit Bezug auf 1 beschrieben
wurde. Wenn das Substrat quadratisch ist und jeder Wellenleiter
so hergestellt ist, daß er
sich senkrecht zu einer Kante des Substrats erstreckt, ist jedes
optische Umschaltelement im wesentlichen identisch mit dem Umschaltelement 10, das
in 1 gezeigt wird. Jedoch
liegt in der bevorzugten Ausführung
der Auftreffwinkel des Wellenleiters auf den Graben im Bereich zwischen
45° und 60°.
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Obwohl dies nicht in der Aufsicht
von 3 gezeigt ist, können die
Schnittflächen
zwischen dem Wellenleitersubstrat 52 und jedem Faseranordnungssubstrat 54, 56, 58 und 60 absichtlich
mit einem Winkel, beispielsweise acht Grad, geneigt sein. Diese
absichtliche Neigung dient dazu, den Betrag der Reflexion zwischen
den Wellenleitern auf dem Substrat 52 und den optischen
Fasern auf dem Substrat 54, 56, 58 und 60 zu
verringern.
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In 3 umfaßt das Wellenleitersubstrat 52 sechzehn
Ein-/Ausgangswellenleiter 62, 64, 66, 68, 70, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 86, 88, 90 und 92.
Zusätzlich
sind vierundzwanzig Zwischenwellenleiter vorgesehen, um die Flexibilität der Umschaltanordnung
zu erhöhen.
Um den Ein-/Ausgangswellenleiter 62 optisch mit dem Ein-/Ausgangswellenleiter 84 zu koppeln,
muß ein
optisches Signal durch drei Zwischenwellenleiter und vier fluidgefüllte Lücken laufen,
die zwischen den benachbarten Wellenleitern angeordnet sind. Wie
oben anhand der 1 beschrieben
ist, können
die Lücken
durch Gräben
an den Schnittstellen der Wellenleiter ausgebildet werden. In 3 sind die Gräben durch
Linien 94 an den Schnittpunkten dargestellt. Wenn der unterste
Graben in 3 kein Fluid
mit passendem Index umfaßt, wird
jedes Eingangssignal von dem Wellenleiter 62 durch totale
interne Reflexion zu dem Eingangs-/Ausgangswellenleiter 92 umgeleitet.
Wenn andererseits der unterste Graben ein Fluid mit passendem Index
an der Lücke
zwischen den Wellenleitern umfaßt,
läuft das
optische Signal durch den Graben von dem Wellenleiter 62 zu
dem nächsten
Graben. Abhängig
von der An- oder Abwesenheit von Fluid kann das Eingangssignal von
dem Wellenleiter 62 zu einem der vier Wellenleiter 86, 88, 90 und 92 umgeleitet
werden. Diese Vielseitigkeit trifft auch für die drei anderen Wellenleiter 64, 66 und 68 zu,
die zu dem Wellenleiter 62 benachbart sind.
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Jeder der Wellenleiter 62–92 ist
aus einem Kernmaterial, beispielsweise aus Siliziumdioxid, das mit
Germanium oder Titandioxid dotiert ist, gebildet, um einen ersten
Brechungsindex zu definieren. Das Mantelmaterial kann auch aus Siliziumdioxid
bestehen, allerdings mit einem anderen Dotierstoff, beispielsweise
B2O3 und/oder P2O5, um einen zweiten Brechungsindex
zu definieren, der sich von dem ersten Brechungsindex unterscheidet.
Durch der Differenz der Brechungsindizes werden optische Signale entlang
der Wellenleiterkerne geführt.
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Jeder der Faseranordnungs-Substrate 54, 56, 58 und 60 umfaßt vier
optische Fasern 96, 98, 100 und 102.
In der Ausführung
von 3 sind die Fasern
konventionelle Fasern mit einem gleichmäßig bemessenem Querschnitt,
beispielsweise ein kreisförmiger
Querschnitt mit einem Durchmesser von ungefähr 8 μm. Der Abstand der Fasern auf
dem Faseranordnungs-Substrat 54–60 paßt zu dem Abstand der Eingangs-/Ausgangswellenleiter 62–92 auf
dem Wellenleitersubstrat 52. Ein akzeptabler Abstand beträgt, ungefähr 250 μm, allerdings
können
andere Mittenabstände
verwendet werden, beispielsweise 500 μm. Bei dem Ausrichtungsprozeß kann Licht,
das von den äußeren zwei
Fasern 96 und 102 eines bestimmten Faseranordnungs-Substrats
gekoppelt wird; in einem aktiven Ausrichtungsarbeitsschritt verwendet
werden. Dies ist möglich,
wenn der Faserabstand genau beibehalten wird. Hochgenaues Positionieren
der Fasern kann erreicht werden, indem die einzelnen Fasern in Klemmen
oder V-förmigen
Rinnen montiert werden, die auf photolithographischem Wege in ein
Siliziumsubstrat einstrukturiert werden. Unter solchen Voraussetzungen
führt die
aktive Ausrichtung der äußeren Fasern 96 und 92 zu
einer präzisen
Positionierung der dazwischenliegenden Fasern 98 und 100.
Die Fasern und die Wellenleiter können an diesen Stellen mit
einem Epoxidharz, das einen passenden Index hat, fixiert werden.
Zusätzlich zu
den vernachlässigbaren
Einfügungsverlusten
hat diese Lösung
den Vorteil, daß beide
optische Polarisationskomponenten eines Eingangssignals oder eines
Ausgangssignals so gleich wie möglich
behandelt werden, wodurch die Gefahr von polarisationsabhängigen Verlusten
reduziert wird. Ferner stehen weitere Verfahren zum Fixieren und
zum Beibehalten der Faserpositionen in Anordnungen zur Verfügung.
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Idealerweise hätten die Wellenleiter 62–92 die
gleiche Querschnittsgeometrie wie die optischen Fasern 96–102.
Jedoch ist es nicht möglich,
Substratwellenleiter mit einem kreisförmigen Querschnitt herzustellen.
Darüber
hinaus ist die 8 μm-Abmessung
einer üblichen
Faser nicht notwendigerweise optimal für Wellenleiter, bei denen die
optischen Signale fluidgefüllte
Gräben
durchlaufen, um von einem Wellenleiter zu einem im wesentlichen
kolinearen Wellenleiter zu gehen. Bezüglich 4 wurde ein Modell erzeugt, um den Anteil
des einfallenden Lichtes zu ermitteln, das während der Übertragung durch fluidgefüllte Lücken entlang
des Pfades mit dem höchsten
Verlust in einer 16 × 16-Umschaltematrix als
Funktion der Breite der Lücke
verloren geht. In diesem Modell wurde angenommen, daß der Wellenleiter
senkrecht auf einen Graben auftrifft, so daß die Breite der Lücke gleich
der Breite des Grabens ist. In der Praxis ist der Einfallwinkel
ein schiefer Winkel, so daß die
physikalische Weglänge
eines optischen Signals in dem Graben größer als die nominale Breite des
Grabens ist. Eine erste Kurve 104 vergleicht die Übertragungsverluste
als Funktion der Breite der Lücke
für eine
Querschnittsgeometrie des Wellenleiters mit einer Breite von 8 μm und einer
Dicke von 8 μm. Für Wellenleiter
mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer Breite von 16 μm und einer
Dicke von 8 μm wird
eine zweite Kurve dargestellt. Eine dritte Kurve 108 wird
für eine
Wellenleiterstruktur dargestellt, die eine quadratische Querschnittsfläche von
16 μm mal 16 μm aufweist.
Offensichtlich bieten die quadratischen Wellenleitern mit 16 μm die geringsten Übertragungsverluste über die
fluidgefüllte
Lücke,
unabhängig
von der Lückenbreite.
Ein komplexeres aber weniger verläßliches Programm wurde verwendet, um
die schrägen
Eintrittswinkel zu verarbeiten, und das Programm berechnete, daß die Wellenleitergeometrie
mit 16 μm
mal 8 μm
wünschenswertere
Ergebnisse erzielen würde,
als die Ergebnisse, welche von der zweiten Kurve 106 der 4 angegeben werden.
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In bezug auf 3 ist jeder Ein-/Ausgangswellenleiter 62–92 von
einer relativ großen
Querschnittsfläche
an einem inneren Ende an den Gräben 94 adiabatisch
verjüngt
auf eine relativ geringe Querschnittsfläche an einer Schnittstelle
mit einer der optischen Fasern 96–102. Die Querschnittsgeometrie am
inneren Ende wird gewählt,
um eine effiziente optische Kopplung zwischen den Gräben 94 zu
erreichen. Die Querschnittsgeometrie an dem äußeren Ende wird gewählt, um
eine hohe Kopplungseffizienz mit der optischen Faser zu erzielen.
In einer Ausführung
ist eine quadratische Querschnittsgeometrie von 16 μm auf eine
quadratische Querschnittsgeometrie von 8 μm adiabatisch verjüngt. Jedoch
können auch
andere Ausführungen
in Betracht kommen. Der Wert von 16 μm ist insbesondere deshalb geeignet, weil
er die Übertragungsverluste
auf akzeptablen Niveaus verringert, ohne von vorhandenen Techniken zur
Wellenleiterherstellung abweichen zu müssen. Ferner ist 16 μm nicht so
groß,
daß sich
der Seitenwandwinkel, der für
eine angemessene Seitenwandreflexion eines optischen Signals benötigt wird,
wesentlich verengt. Ein Wellenleiter mit 35 μm würde Seitenwände benötigen, die näher bei
einem senkrechten Winkel zu dem Substrat liegen, als dies mit vorhandenen
Techniken zu erreichen wäre.
Beispielsweise müßten die
Seitenwände
weniger als 0,5° von
der Senkrechten abweichen, um einen besseren Reflexionsverlust als
1,5 dB zu lie fern, der kaum akzeptabel sind. In der Praxis genügt ein Bereich
der Breite der aktiven Region von 4 μm bis ungefähr 35 μm den Anforderungen. Wenn jedoch
die Übertragungsverluste über die
Lücken
auf ein akzeptables Niveau gebracht werden sollen, liegt der Bereich
zwischen 6 μm
und 35 μm,
wobei die Breite vorzugsweise ungefähr 16 μm ist.
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Die adiabatische Verjüngung ist
in 5 genauer dargestellt.
Jeder Wellenleiter 62–68 umfaßt einen
sich verjüngenden
Bereich 110, in dem die Seitenwände des Wellenleiters sich
mit der Entfernung von einer Kante 112 des Wellenleitersubstrats 52 verändert. Jeder
Wellenleiter umfaßt
zudem einen inneren Bereich 114, in dem die Seitenwände parallel sind.
Optional haben die Bereiche jedes Wellenleiters in der Nähe der Kante 112 ebenfalls
parallele Seitenwände,
so daß der
sich verjüngende
Bereich 110 ein Zwischenbereich zwischen den zwei Bereichen
mit konstanter Breite darstellt. Der innere Bereich 114 beginnt
mit dem Erreichen der gewünschten
Entfernung der Seitenwände
zueinander. Die Seitenwände können an
dem inneren Bereich 16 μm
voneinander entfernt sein und an der Kante 112 des Substrats 52 8 μm voneinander
entfernt sein. Obwohl dies nicht in 5 gezeigt
ist, verjüngen
sich die Dicken der Wellenleiter 62–68, um den Änderungen
der Breitenabmessungen zu entsprechen. Jedoch findet die Verjüngung bei
einer Ausführung,
die einfacher herzustellen ist, nur in einer Dimension statt, das
heißt
von einem Wellenleiter mit 16 μm
Breite und 8 μm
Höhe auf
einen Wellenleiter mit 8 μm
Breite und 8 μm
Höhe.
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In 3 haben
die Zwischenwellenleiter zwischen den zwei Gräben 94 vorzugsweise
eine konstante Querschnittsgeometrie. Das Verjüngen der Zwischenwellenleiter
ist nicht vorteilhaft, da die Zwischenwellenleiter nicht direkt
mit einer der optischen Fasern 96–
102 gekoppelt
sind.
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Als Alternative zu der Ausführung nach
den 3 und 5 kann die adiabatische Verjüngung an
der Faser ausgeführt
werden: Das heißt,
daß der
Kern einer optischen Faser erweitert werden kann, um die Übereinstimmung
mit einem Kern eines Substratwellenleiters zu verbessern, der eine
feste Dicke und eine feste Breite hat. Als weitere Alterative können sowohl
der Wellenleiter als auch die optische Faser sich adiabatisch verjüngende Bereiche
aufweisen.
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Ein Typ von Faser mit erweitertem
Kern wird als thermisch diffundierte Faser mit erweitertem Kern (TEC-Faser)
bezeichnet. Die Struktur einer TEC-Faser wird in den 6 und 7 gezeigt. Die TEC-Faser hat entlang
eines Hauptabschnitts 120 der Faser einen optischen Kern 118 mit
einem konstanten Durchmesser. Der Hauptabschnitt 120 ist
in 6 abgeschnitten dargestellt.
Ein Endabschnitt 122 der Faser hat einen Kerndurchmesser,
der sich zunehmend erweitert, je näher dieser einem Wellenleitersubstrat 124 ist,
das den Wellenleiter mit konstanter Breite 126 aufweist.
Der Erweiterungsfaktor der üblichen TEC-Faser
liegt typischerweise im Bereich zwischen 2 und 5, und der Erweiterungsabschnitt
hat typischerweise eine Länge
im Bereich zwischen 4 und 6 mm. Für geringe Kopplungsverluste
mit üblichen
TEC-Fasern sind Wellenleiterabmessungen von 16 μm mal 16 μm geeignet. Jedoch kann jeder
dieser Parameter verändert
werden, um vorgegebenen Anforderungen gerecht zu werden.
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Der erweiterte optische Kern 118 an
dem Endabschnitt der TEC-Faser 116 verringert im Vergleich zu
optischen Fasern, die einen geringeren Durchmesser aufweisen, den
Winkel, mit dem das Licht seitlich divergiert. Die Verringerung
des Winkels, mit dem das Licht divergiert, entspricht ungefähr dem Erweiterungsfaktor.
Die verringerte seitliche Ausbreitung eines optischen Signals, das
von der TEC-Faser abgestrahlt wird, bietet Wellenleitern mit fester
Breite 126 eine hohe Kopplungseffizienz.
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Anhand der 8 und 9 wird
eine bevorzugte Ausführung
der genauen Ausrichtung entweder der TEC-Fasern oder der Fasern
mit festem Durchmesser mit einem Substrat beschrieben. Ein Halbleitersubstrat,
beispielsweise eine Siliziumscheibe 128, wird geätzt, um
V-förmige
Rinnen auszubilden. Es können übliche Herstellungstechniken
für integrierte Schaltkreise
verwendet werden. Beispielsweise können die Rinnen auf photolithographischem
Weg ausgebildet werden, indem eine Maske zur Definition der Rinnen
und ein chemisches Ätzmittel
verwendet wird. Der Winkel einer Wand einer Rinne bildet vorzugsweise
einen Winkel von 70,5° mit
der anderen Wand, wobei dies nicht entscheidend ist. Vorzugsweise
wird die Schutzschicht von den optischen Fasern 138, 140, 142 und 144 entfernt.
In die Rinnen werden dann die Faserkerne ohne Mantelmaterial plaziert.
Die Verwendung von Silizium-Bearbeitungstechniken erlaubt eine genaue
Einrichtung des Abstandes der Mitten der Faserkerne. Es werden Toleranzen
von weni ger als 1 μm
(10–6 m)
erreicht. Daher kann der Abstand der Kerne so hergestellt werden, daß dieser
mit den Abständen
der Wellenleiter übereinstimmt.
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In 9 wird
mit einer entsprechenden Anordnung von V-förmigen Rinnen eine zweite Siliziumscheibe 146 auf
die untere Siliziumscheibe 128 durch eine Klebeschicht 148 fixiert.
Die Verwendung einer Klebeschicht ist nicht entscheidend. Alternativ
kann eine Verbindung der Scheibe (Waferbonding) verwendet werden,
um die beiden Siliziumscheiben zu verbinden. Die Ausrichtung von
Single-Mode-Fasern und Multimode-Fasern
durch Silizium ist aus dem Stand der Technik bekannt.
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Ein Vorteil der Silizium-Mikrobearbeitung,
die bei der Ausrichtung von TEC- oder üblichen Fasern Toleranzen im
Sub-Mikronbereich erreicht, ist, daß alle Fasern mit einer in
gleicher Weise hergestellten Anordnung von Substratwellenleitern
in Deckung gebracht werden, indem lediglich zwei äußere Fasern mit
zwei äußeren Wellenleitern
ausgerichtet werden. Beispielsweise können die Fasern 96–102 auf
dem Faseranordnungs-Substrat 60 von 3 mit den Wellenleitern 62–68 ausgerichtet
werden, indem die Fasern 96 mit dem Wellenleiter 62 und
die Faser 102 mit dem Wellenleiter 68 ausgerichtet
wird. Die Vorteile dieses Ausrichtungsverfahrens steigen mit zunehmender
Anzahl von Fasern und Wellenleitern.
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Eine Ausführung des Betriebs eines Umschaltelements
wird anhand der 10 und 11 beschrieben. In dieser
Ausführung
steuern zwei Steuer-Mikroerhitzer 150 und 152 die
Position einer Blase 154 innerhalb eines Grabens 156,
der ein Fluid enthält.
Das Fluid innerhalb des Grabens hat einen Brechungsindex, der im
wesentlichen zu dem Brechungsindex des Kernmaterials der vier Wellenleiter 158, 160, 162 und 164 paßt. Eine
verwendbare Flüssigkeit
ist eine Kombination von Isopropanol und Glycerin. Eine weitere
mögliche
Flüssigkeit
ist M-Pyrol® (N-methyl-2-Pyrrolidon).
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Beim Betrieb der Umschaltelemente 166 der 10 und 11 wird einer der Mikroerhitzer 150 und 152 auf
eine Temperatur gebracht, die hoch genug ist, um eine Gasblase zu
bilden. Die Blase 164 kann mit einem kleineren Strom durch
den Mikroerhitzer in Position gehalten werden, wenn die Blase einmal
gebildet ist. In 10 ist
die Blase an dem Schnittpunkt der vier Wellenleiter 158-164 angeordnet.
Daher trifft ein Ein gangssignal entlang des Wellenleiters 158 auf ungleiche
Brechungsindizes, wenn das Signal den Graben 156 erreicht.
Die totale innere Reflexion lenkt das Signal von dem Ausgangswellenleiter 164 ab. Daher
wird das Umschaltelement in 10 in
einem reflektierenden Zustand dargestellt. Die Aktivierung der Mikroerhitzer 150 fixiert
die Blase an dem Schnittpunkt, so daß der reflektierende Zustand
beibehalten wird, solange der Mikroerhitzer aktiviert ist.
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In 11 wurde
der Mikroerhitzer 150 an dem Schnittpunkt der Wellenleiter 158–164 deaktiviert,
und der zweite Mikroerhitzer 152 wurde aktiviert. Die Blase 154 wird
stark zu dem aktivierten Mikroerhitzer hingezogen. Dadurch kann
die Flüssigkeit mit
dem passenden Index die Lücke
an dem Schnittpunkt der Wellenleiter schließen. Das Umschaltelement befindet
sich in einem übertragenden
Zustand, da der Eingangswellenleiter 158 mit dem kolinearen Wellenleiter 160 optisch
gekoppelt ist und der Eingangswellenleiter 162 mit dem
kolinearen Wellenleiter 164 optisch gekoppelt ist.
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Als Alternative zum Umschalten des
Umschaltelements von einem reflektierenden Zustand in einen übertragenden
Zustand durch Manipulation einer Blase kann ein Spiegel verwendet
werden. Ein Spiegel kann innerhalb eines fluidgefüllten Grabens manipuliert
werden. Für
den voreingestellten übertragenden
Zustand ist der Graben mit einem Fluid gefüllt, das einen passenden Brechungsindex
hat, und der Spiegel ist entfernt von dem Schnittpunkt der Wellenleiter
angeordnet. Um einen Strahl von einem Eingangswellenleiter zu einem
Wellenleiter umzuleiten, der den Eingangswellenleiter schneidet,
wird der Spiegel in den Schnittpunkt eingesetzt. In dieser Ausführung sollte
der Graben relativ zu den in den 10 und 11 gezeigten Positionen geringfügig versetzt
sein. Der Spiegel sollte in den Schnittpunkt der Achsen der vier
Wellenleiter versetzbar sein, anstatt an diesem Schnittpunkt eine
Seitenwand des Grabens anzuordnen.
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Der Spiegel kann in den Schnittpunkt
und von diesem weg bewegt werden, indem eine Spiegelbewegung in
eine Richtung erzeugt wird, die senkrecht zu der Oberfläche des
Wellenleitersubstrats ist. Alternativ kann die Bewegung des Spiegels
parallel zu der Oberfläche
des Wellenleitersubstrats sein. In Ausführungen, bei denen die Bewegung
senkrecht zu der Substratoberfläche
ist, kann eine Implementierung vorgesehen werden, in der ein Modul
eines Matrix-Nadeldruckers verwendet wird, welches mehrere Nadeln
aufweist. Der Abstand der Nadeln bei solchen Druckermodulen ist
typischerweise grö ßer als
der bevorzugte Abstand zwischen den Umschaltelementen, beispielsweise
ein Abstand von 250 μm. Daher
kann es notwendig sein, die Wellenleiterstruktur auszudehnen, so
daß diese
zu dem Nadelabstand des Druckermoduls paßt. Alternativ sind neuerdings erhältliche
mikro-elektromechanische Stellgliedsysteme (MEMS) in einer Richtung
verschiebbar, die senkrecht zu der Substratoberfläche ist,
und können dazu
verwendet werden, den Spiegel senkrecht zu der oberen Fläche des
Substrats zu bewegen.
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Es können übliche MEMS-Stellglieder verwendet
werden, um den Spiegel in der Rich- tung parallel zu der Achse des
Grabens zu manipulieren. Solche Stellglieder können in Anwesenheit von nicht leitendem
Fluid arbeiten, beispielsweise Fluide mit passendem Brechungsindex,
die in den optischen Umschaltelementen des oben beschriebenen Typs verwendet
werden. Die gegenwärtige
Technik der elektrostatischen Stellglieder ist auf einen Bewegungsbereich
von ungefähr
25 μm begrenzt,
der möglicherweise
nicht ausreichend ist, um einen kleinen Spiegel aus einem Schnittpunkt
mit einer Länge von
32 μm entlang
des Grabens zu entfernen, um Wellenleiter mit einer Breite von 16 μm zu queren. Daher
wird dieser zweite Ansatz attraktiv werden, wenn entweder Verbesserungen
durchgeführt
wurden, die zusätzlichen „Hub" für elektrostatische
Stellglieder bereitstellen, oder eine Kombination von Spiegel und
Stellglied hergestellt wird, die in einen Graben paßt und eine
Breite von ungefähr
12,5 μm oder
weniger hat, so daß sich
der Spiegel um nicht mehr als 25 μm
bewegen muß.
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Während
die Erfindung mit einem Fluid mit passendem Index innerhalb des
Grabens beschrieben und dargestellt wurde, wurden auch andere Ausführungen
betrachtet. Die Gräben
können
versetzbare Spiegel aufnehmen, die sich in Luft befinden, das heißt ein Fluid,
dessen Index kaum mit dem der Wellenleiter übereinstimmt. Die Anwesenheit
oder Abwesenheit eines Spiegels innerhalb einer Lücke an dem Schnittpunkt
zweier oder mehrerer Wellenleiter legt dann fest, ob die Wellenleiter
optisch gekoppelt werden. In dieser Ausführung sollte der Auftreffwinkel der
Wellenleiter auf den Graben in Abwesenheit eines Fluids mit passendem
Index keine totale interne Reflexion hervorrufen. In bezug auf diese
Ausführung
besteht das Problem, daß die
Steuerung des Übersprechens
schwierig ist, da kleine Anteile des Lichts an der Schnittstelle
zwischen Wellenleiter und Luft reflektiert werden, sofern diese
nicht antireflexionsbeschichtet ist, wobei es schwierig ist, Antireflexionsbeschichtungen
auf den vertikalen Seitenwänden des
Grabens abzulagern. Jedoch kann der Abstand zwischen dem Spiegel
und der Grenzfläche
zwischen Wellenleiter und Luft so gewählt werden, daß der Betrag
des von der Grenzfläche
reflektierten Lichts minimiert wird, das entlang des reflektierten Pfads
in den Wellenleiterkern gekoppelt wird.