DE69223227T2

DE69223227T2 - Optischer Schalter mit einer Vorrichtung zur räumlichen Lichtmodulation

Info

Publication number: DE69223227T2
Application number: DE69223227T
Authority: DE
Inventors: Gregory A Magel
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1991-12-31
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1998-05-14
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: JPH05341213A; EP0550017A3; CA2086158A1; DE69223227D1; JP3184653B2; EP0550017A2; EP0550017B1; US5199088A

Description

[Verwandte Patentanmeldungen]

Die folgende Patentanmeldung ist mit der vorliegenden Anmeldung verwandt, wobei deren Inhalt als Teil des Standes der Technik betrachtet wird: EP-A-525 395, die Priorität beansprucht vom US-Patent mit der laufenden Nr. 723.105, Patentanwaltsaktenzeichen Nr. TI-15723, "Apparatus and Method for Optical Switching".

[Technisches Gebiet der Erfindung]

Diese Erfindung bezieht sich auf Lichtleitfaserübertragungsausrüstungen und insbesondere auf einen Lichtleitfaserschalter auf der Grundlage einer Raumlichtmodulatorvorrichtung.

[Hintergrund der Erfindung]

Mit der zunehmenden Verwendung von Lichtleitfasern für die Kommunikation entstand ein Bedarf an verbesserten Einrichtungen zum Leiten von Signalen, die von Lichtleitfasern geführt werden. Das Schalten für diese Fasern wurde früher mittels optoelektronischer Vorrichtungen bewerkstelligt. Lichtleitfasern sind mit einer Schaltung gekoppelt, die das elektrische Schalten ermöglicht, wobei die elektrischen Signale zur weiteren Übertragung zurück in Lichtsignale umgesetzt werden. Die Umsetzungsprozesse führen Verluste und Störungen in die Signale ein, wobei die Datenrate, die von solchen Schaltern gehandhabt werden kann, durch die Geschwindigkeit der elektronischen Schaltung begrenzt ist.
Rein optische Verfahren zum Lichtleitfaserschalten versprechen die Unterstützung höherer Datenraten. Ein solches optisches Verfahren nutzt die Verwendung von Vorrichtungen auf der Grundlage von Raumlichtmodulatorentwürfen (SLM-Entwürfen), insbesondere derjenigen mit reflektierenden Elementen. Ein SLM ist eine Matrix von elektronisch adressierbaren Elementen, die jeweils als Antwort auf ein elektrisches Eingangssignal zu einer separaten mechanischen Bewegung fähig sind. Im Fall von reflektierenden SLMs beleuchtet das einfallende Licht die Oberfläche des SLM und wird durch jene reflektierenden Elemente, die so positioniert sind, daß sie das Licht in eine bestimmte Richtung reflektieren, in diese vorgegebene Richtung umgelenkt.
Viele SLMs sind binär, in dem Sinne, daß jedes Pixelelement einen von zwei Zuständen aufweisen kann. Das Element kann ausgeschaltet sein, was bedeutet, daß es kein Licht liefert. Andererseits kann das Element eingeschaltet sein, was bedeutet, daß es Licht mit einer maximalen Intensität liefert. Andere SLMs besitzen drei Zustände, in welchen Licht in eine von zwei Positionen umgelenkt werden kann. Die Wirkung, die der SLM auf Licht ausübt, ist im großen Maß abhängig vom optischen System, in das der SLM eingebaut ist.
Es sind verschiedene SLM-Architekturen entwickelt worden, die Variationen bezüglich des Typs der reflektierenden Elemente und der Adressierungsschaltung enthalten. Typen reflektierender Elemente umfassen Elastomer-, Membran- und Hebel- oder Torsionsbalkentypen. Die Adressierung kann mittels e-Strahl- Eingang optisch oder mittels einer integrierten Schaltung bewerkstelligt werden. Hebel- und Torsionsbalkenarchitekturen in Verbindung mit integrierter Schaltungsadressierung sind beschrieben in einem Artikel mit dem Titel "Deformable-Mirror Spatial Light Modulators", von Larry J. Hornbeck, veröffentlicht in Proc. SPIE 1150, S. 86-102 (1990).
In Schaltanwendungen wird der SLM verwendet, um wahlweise eine Eingangsfaser mit einer oder mehreren Ausgangsfasern zu koppeln. Zum Beispiel kann bei einem "Ein/Aus"-Typ-Schalter das Licht von einer ankommenden Faser auf ein Spiegelelement fokussiert werden, das so positioniert ist, daß es entweder das Licht in eine Ausgangsfaser reflektiert oder nicht. Oder es kann in einem "Eins-zu-n"-Leitschalter das ankommende Licht auf eine Matrix von Spiegelelementen fokussiert sein, die so positioniert sind, daß sie das Licht wahlweise längs weiterer Pfade umleiten. Hierbei wird bezug genommen auf die US-A-5.037.173.
Ein Problem bei der Verwendung von SLMs als Lichtleitfaserschalter besteht darin, daß viele bestehende Entwürfe nicht einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Ein wichtiger Punkt in vielen Entwürfen ist, wie das Licht in einer Faser des Schalters auf ein Spiegelelement des SLM gelenkt wird, ohne das Licht in den anderen Fasern des Schalters zu stören. Um diese isolierte Einkopplung zu erreichen, erfordern einige Entwürfe, daß die Fasern in einem bestimmten Winkel auf das Spiegelelement zulaufen. Die Entwürfe erfordem eine genaue Positionierung und Befestigung der Fasern sowie eine individuelle Ausrichtung entsprechender Linsen während der Herstellung. Es ist ferner schwierig, ausreichend kompakte und starre Strukturen herzustellen, um alle diese verschiedenen Komponenten in einem bestimmten Winkel zu unterstützen, insbesondere für Leittypschalter. Es besteht Bedarf an einem optischen Schalter auf SLM-Basis, der einfacher hergestellt werden kann und der eine gute Steifigkeit besitzt, um Vibrationen und Stößen standzuhalten.

[Zusammenfassung der Erfindung]

Ein Aspekt der Erfindung ist ein Schalter für Lichtleitfasern. Der Schalter ist über einem Kippspiegel angeordnet, der mittels der elektrostatischen Anziehung von den darunterliegenden Elektroden in seine gekippte Position bewegt wird. Der Kippspiegel und die zugehörigen Elektroden können diejenigen einer herkömmlichen Raumlichtmodulatorvorrichtung sein. Mehrere zusätzliche Schichten über jedem Kippspiegelelement richten das Eingangslicht und das Ausgangslicht derart aus, daß die Enden der Eingangs- und Ausgangsfasern parallel aufeinander ausgerichtet werden können. Eine Lichtleitfaserhalteschicht hält die Enden der zwei äußeren Fasern und einer mittleren Faser aufeinander ausgerichtet. Eine Linsenschicht, die jeweils den Faserenden zugeordnete Linsen besitzt, koppelt das Licht von einer oder mehreren Eingangsfasern in eine oder mehrere Ausgangsfasern ein. Eine Abstandhalterschicht trennt die Faserhalteschicht und die Linsenschicht mit einem vorgegebenen Abstand voneinander oberhalb der Raumlichtmodulatorschicht. Eine Streifspiegelschicht unterhalb der Linsenschicht und oberhalb des Kippspiegelelements besitzt einen Streifspiegel, der jeweils den äußeren Fasern zugeordnet ist, um das Licht von der mittleren Faser auf eine äußere Faser oder von einer äußeren Faser auf die mittlere Faser in einem vorgegebenen Streifwinkel zu richten. Der Kippspiegel kann in einen Kippwinkel in eine von zwei Richtungen bewegt werden, um das Licht von der mittleren Faser auf eine äußere Faser oder von einer äußeren Faser auf die mittlere Faser zu richten.
Ein technischer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Schalter leicht aus mehreren Schichten zusammengefügt werden kann, die einen vorgegebenen Pfad für die Eingangs- und Ausgangsstrahlen auf der Oberseite einer herkömmlichen SLM- Vorrichtung schaffen. Die Verarbeitungsschritte für die Erzeugung der jeweiligen Schicht, wie z. B. das Schneiden und Polieren, werden durch die Tatsache vereinfacht, daß die Oberflächen eben sind.

[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]

Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Lichtleitfaserschalters gemäß der Erfindung.
Fig. 2A und 2B zeigen ein Torsionsbalken-Kippspiegelelement einer Raumlichtmodulatorvorrichtung.
Fig. 3 ist eine aufgeschnittene Ansicht eines Hebelbalken- Kippspiegelelements einer Raumlichtmodulatorvorrichtung.
Fig. 4 ist eine Draufsicht der Faserhalteschicht einer linearen Matrix von Schaltern, die V-Rillen-Faserhalteabschnitte verwendet.
Fig. 5 zeigt die Geometrie des Schalters.

[Genaue Beschreibung der Erfindung]

Wie im folgenden erläutert wird, ist die Erfindung auf diejenigen SLM-Entwürfe gerichtet, die Torsionsbalken- oder Hebelbalkentyp-Spiegelelemente verwenden. Obwohl die Verwendung von Raumlichtmodulatoren für das Schalten von Lichtleitfasern nicht die Anwendung ist, nach der solche Vorrichtungen bezeichnet sind, wird hier trotzdem der Ausdruck "Raumlichtmodulator (SLM)" verwendet. Wie im folgenden erläutert wird, nutzt die Erfindung die Wiederverwendung einige SLM-Konzepte. Die Erfindung besitzt jedoch unterschiedliche strukturelle Aspekte, wie z. B. ihre zugehörige Optik sowie Unterschiede im Betrieb.
Die Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht eines Lichtleitfaserschalters 10, der versehen ist mit einer Faserhalteschicht 11, einer Abstandshalterschicht 12, einer Linsenschicht 13, einer Streifspiegelschicht 14 und einer Kippspiegelschicht 15. Die Kippspiegelschicht 15 kann Teil einer SLM-Matrix sein, die mehrere Kippspiegel 16 besitzt, wie z. B. im folgenden in Verbindung mit Fig. 4 erläutert wird. Alternativ kann der Schalter 10 mit einem einzigen Kippspiegel 16 versehen sein.
Im Betrieb wird der Schalter 10 verwendet, um Lichtstrahlen von den Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern 17a-17c umzulenken. Der Schalter 10 ist bidirektional in dem Sinne, daß jede Faser 17a-17c entweder ein Eingangskanal oder ein Ausgangskanal sein kann. Die Richtung des Ausgangslichts über eine der Fasern 17a-17c hängt von der gekippten oder nicht gekippten Position des Kippspiegels 16 ab.
Allgemein ausgedrückt, gelangt das Licht über die Fasern 17a-17c in oder aus dem Schalter 10, deren Enden von der Faserhalteschicht 11 gehalten werden. Das Licht wird von einer Linsenschicht 13 fokussiert. Das Licht zwischen der jeweiligen äußeren Faser 17a und 17c und dem Kippspiegel 16 folgt einem geknickten Pfad, der einen Einfallspunkt auf der Oberfläche einer Streifspiegelschicht 14 enthält. Das Licht zwischen der mittleren Faser 17b und dem Kippspiegel 16 folgt einem geraden Pfad durch die Linsenschicht 13 zum Kippspiegel 16.
Typischerweise wird der Schalter 10 als einpoliger Umschalter verwendet, bei dem für jeden Kippspiegel 16 ein Eingang auf einen der zwei Ausgänge geschaltet wird. Das Licht kommt aus der Faser 17b an und wird entweder auf die Faser 17a oder 17c geschaltet, in Abhängigkeit von der Richtung, in der der Kippspiegel 16 gekippt ist. Der Schalter 10 kann jedoch ferner als 2-zu-1-Auswahlvorrichtung zum Wählen zwischen den Eingängen von 17a und 17c auf einen Ausgang bei 17b verwendet werden. Ferner kann der Schalter 10 als Ein/Aus-Schalter für irgendwelche zwei benachbarten Fasern verwendet werden, d. h. für die Fasern 17a und 17b oder 17b und 17c. Wenn der Schalter 10 schließlich eine Matrix von Kippspiegeln 16 enthält, kann irgendeiner von mehreren Eingängen auf irgendeinen von mehreren Ausgängen geschaltet werden, wie in einem Koordinatenschalter.
Der Schalter 10 kann einfach als Einzeleinheit implementiert werden, wobei die Schichten 11-14 auf der Oberseite einer SLM-Vorrichtung angeordnet sind. Der Kippspiegel 16 einer SLM-Schicht 15 kann einen Hebelbalken- oder Torsionsbalkenentwurf aufweisen, wie im folgenden erläutert wird, oder kann irgendeinen anderen Entwurf aufweisen, der dem Kippspiegel 16 ermöglicht, sich zwischen wenigstens zwei gekippten Positionen zu bewegen. Die Fig. 1, 2A und 2B zeigen einen Torsionsbalkenentwurf, bei dem der Kippspiegel 16 drei stabile Zustände haben kann. Fig. 3 zeigt einen Hebelbalkenentwurf, bei dem der Kippspiegel 16 zwei stabile Zustände haben kann. Wenn der Schalter 10 in einem Hebelentwurf implementiert wird, kann der Schalter 10 mit einem Kippspiegel 16 und nur zwei Eingangs- und Ausgangsfasern 17a und 17b oder 17b und 17c implementiert sein.
Die Fig. 2A und 2B zeigen einen Kippspiegel 16 mit einem Torsionsbalkenentwurf. Ein dicker reflektierender Balken, d. h. der Spiegel 22, ist über einem Luftspalt aufgehängt und zwischen zwei steifen Trägern mittels zweier dünner Torsionsscharniere 23a und 23b verbunden, die unter Spannung stehen. Wenn eine Adressenelektrode 24a oder 24b, die unter einer Hälfte des Spiegels 22 liegt, angeregt wird, werden die Torsionsscharniere 23a und 23b verdreht, wobei sich der Spiegel 22 um die Achse der zwei Scharniere 23a und 23b dreht.
Die drei stabilen Positionen des Spiegels 22 sind in Fig. 2B gezeigt. In einer Position nähert sich die Kante des Spiegels 22 der Landeelektrode 26a und befindet sich in der gekippten Position, die durch die gestrichelte Linie 25a dargestellt ist. Der Spiegel 22 wird durch Anlegen geeigneter Spannungen an die Adressierungselektroden 24a und 24b in diese Position bewegt. Über die Elektrode 27 kann eine Differentialvorspannung an den Spiegel 22 angelegt werden. Wenn eine entgegengesetzte Spannung an die Elektroden 24a und 24b angelegt wird, dreht sich der Spiegel 22 in die Position, die durch die gestrichelte Linie 25b dargestellt ist. Eine nicht bezeichnete, d. h. "flache" Position längs der Linie 25c wird durch Anlegen geeigneter Vorspannungen erreicht.
Die Fig. 3 ist eine aufgeschnittene Ansicht eines Kippspiegels 16 im Hebelbalkenentwurf. Ein dicker reflektierender Balken 31 ist über einem Luftspalt aufgehängt und mittels eines dünnen Hebelscharniers 32 mit einem starren Träger verbunden. Wenn eine darunterliegende Adressierungselektrode 33 angeregt wird, biegt sich das Hebelscharnier 32, wobei die Balkenspitze in Richtung zur Adressierungselektrode 33 ausgelenkt wird.
Unabhängig davon, ob der Torsionsbalken- oder der Hebelbalkenentwurf verwendet wird, besitzt der Kippspiegel 16 eine reflektierende Oberfläche. Diese Oberfläche wird im Idealfall als integrierte Schaltungsschicht hergestellt. Beispielsweise können die Scharnier- und die Balkenschichten mit einem "Vergrabenes-Scharnier-Prozeß" hergestellt werden. Eine Aluminiumlegierung, die das Scharnier bildet, wird mittels Sputtern auf der Abstandshalterschicht abgeschieden. Ein Maskierungsoxid wird im Plasmaverfahren abgeschieden und außerhalb der Flächen, die das Scharnier bilden, gemustert. Dieses Scharnieroxid wird anschließend mit einer zweiten Aluminiumlegierungsschicht bedeckt, die den Balken ausbildet. Als nächstes wird ein Maskierungsoxid im Plasmaverfahren abgeschieden und außerhalb der Bereiche, die die Balken und Trägerpfosten bilden, gemustert. Schließlich wird ein einziges Plasma-Aluminium-Atzen verwendet, um die Scharniere, Balken und Trägerpfosten zu mustern. Das Balkenmetall, das über dem Scharnierbereich liegt, wird weggeätzt, wodurch das vergrabene Scharnieroxid freigelegt wird, das als Ätzstoppschicht wirkt. Wenn das Plasma-Aluminium-Ätzen abgeschlossen ist, sind gleichzeitig die Bereiche des dünnen Scharniermetalls und des dicken Balkens sowie des Trägerpfostenmetalls gemustert. Es können andere Herstellungstechniken verwendet werden, wobei jedoch ein wichtiger Punkt bei der Herstellung die Fähigkeit ist, eine Matrix von Kippspiegeln 16 aus einer einzigen reflektierenden Schicht herzustellen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine Optikpfadeinheit, die mehrere Schichten 11 bis 14 mit unterschiedlich hergestellten Materialien umfaßt, auf der Oberseite einer SLM-Schicht 15 ausgebildet. Wie im folgenden genauer erklärt wird, können mehrere dieser Schichten mittels bekannter Techniken wie z. B. des orientierungsabhängigen Ätzens ausgebildet werden.
Die Schichten werden in einer vorgegebenen Geometrie aufgebaut, die es ermöglicht, daß diese in parallelen Ebenen ausgerichtet sind. Das Aufbringen der Schichten aufeinander kann mittels herkömmlicher Einrichtungen wie z. B. mittels UV-Licht aushärtendem oder mittels Wärme aushärtenden Epoxyd- Harz bewerkstelligt werden.
Die oberste Schicht ist die Faserhalteschicht 11, die verwendet wird, um die Eingangs- und Ausgangslichtleitfasern 17a-17c in Stellung zu halten. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Faserhalteschicht 11 ein V-Rillen-Block, der eine bekannte Einrichtung ist zum Halten mehrerer Lichtleitfasern parallel zueinander mit einem genauen Abstand zwischen diesen. Das orientierungsabhängige Ätzen einer Schicht von Silicium wird verwendet, um V-Rillen zum Ausrichten der Fasern auszubilden. Andere Entwürfe der Faserhalteschicht 11 sind möglich, wobei ein Vorteil der Erfindung darin besteht, daß die Enden der Eingangs- und Ausgangsfasern zueinander parallel gehalten werden können.
Die Fig. 4 ist eine Draufsicht der Faserhalteschicht 11 längs der Linie A-A' der Fig. 1, wobei der Schalter 10 versehen ist mit einer linearen Matrix von drei Kippspiegeln 16 und die Faserhalteschicht 11 versehen ist mit V-Rillen-Abschnitten. Jeder Zeile von Fasern ist ein Kippspiegel 16 zugeordnet. Somit zeigt die Fig. 4 die Endpunkte der Fasern 17a-17c sowie die Endpunkte der Fasern 17d-17i, die den beiden anderen Kippspiegeln 16 zugeordnet sind. Die flachen Elemente aus Silicium 41 werden mittels Ätzen mit Rillen versehen, in die die Fasern 17a-17i eingesetzt und verklebt werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, ist jede Zeile von Fasern im Idealfall zwischen zwei V-Rillen-Abschnitten 41 eingeklemmt. Die Endpunkte der jeweiligen Faser 17a-17i können in derselben Ebene an der unteren Oberfläche der Faserhalteschicht 11 liegen, was ermöglicht, daß die gesamte untere Oberfläche der Faserhalteschicht 11 leicht poliert werden kann, um die Enden der jeweiligen Fasern 17a-17i gleichzeitig für eine optimale Durchlässigkeit zu polieren. Ferner können auf eine solche Faser und auf eine Halteroberfläche Antireflektions-Beschichtungen aufgetragen werden, um die Durchlässigkeit weiter zu verbessern.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Faserhalteschicht 11 oberhalb der Linsenschicht 13 und der SLM-Schicht 15 angeordnet, so daß jede Faser 17a-17c senkrecht zur nicht gekippten, d. h. horizontalen Position des Kippspiegels 16 ausgerichtet ist. Das Licht von der mittleren Faser 17b folgt einem vertikalen Pfad direkt von der Linse 13b zum Kippspiegel 16. Wenn somit der Kippspiegel 16 sich in seiner nicht gekippten Position befindet, wird das Licht direkt zurück in die Faser 17b reflektiert, wodurch deren Licht von demjenigen der anderen Fasern 17a und 17c isoliert wird. Es ist klar, daß die Ausdrücke "horizontal" und "vertikal" hier zum Zweck der Beschreibung der gegenseitigen Orientierung der Elemente des Schalters 10 verwendet werden und nicht in bezug auf eine externe Umgebung.
Die Abstandshalterschicht 12 erzeugt einen Luftspalt zwischen der unteren Oberfläche der Faserhalteschicht 11 und der Linsenschicht 13. Sie umfaßt eine Abstandshalterwand an den Außenkanten der Faserhalteschicht 11 und der Linsenschicht 13. Wie in Verbindung mit Fig. 5 im folgenden erläutert wird, steht die Länge dieses Luftspalts in Beziehung zur gewünschten Stärke des Eingangs- und Ausgangslichtes. Die Eingangs- und Ausgangsstrahlen des Lichts zu und von den Enden der Fasern 17a-17c sind innerhalb der Abstandshalterschicht 12 parallel und senkrecht zur horizontalen Ebene des Kippspiegels 16 ausgerichtet, wenn dieser nicht gekippt ist.
Die Linsenschicht 13 umfaßt mehrere Linsen 13a-13c, die jeweils einer Faser 17a-17c zugeordnet sind. Die Linsen 13a-13c werden verwendet, um das Licht von den Fasern 17a und 17c in die Spiegelschicht 17 und somit auf den Kippspiegel 16 einzukoppeln und das Licht von der Faser 17b auf den Spiegel 16 zu richten. Jede Linse 13a-13c besitzt eine solche Größe und Form, daß das Licht von ihrer zugehörigen Faser auf dem Kippspiegel 16 als Punkt erscheint, der kleiner ist als die Oberfläche des Kippspiegels 16. Dies verhindert den Verlust von Licht. Typischerweise sind die Linsen 13a-13c sehr klein und werden mit Mikrolinsen implementiert. Eine geeignete Linsenschicht 13 kann aus einer Matrix von Photoform-Linsen hergestellt sein, die von Corning Incorporated hergestellt werden. Andere bekannte Techniken, wie z. B. das Ätzen eines Halbleiters oder einer Glasplatte zum Erzeugen von Brechungselementen, können verwendet werden, um die Linsenschicht 13 auszubilden. Wie im folgenden in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wird, besteht ein Vorteil der Erfindung darin, daß die Linsen 13a-13c coplanar zueinander sein können, was den Herstellungsprozeß erleichtert.
Wie im folgenden in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wird, besitzt die Ausführungsform der Fig. 1 eine 1-zu-1-Vergrößerung zwischen dem Licht von den Fasern 17a-17c zum Kippspiegel 16. Der Abstand von der Linsenschicht 13 zur Faserhalteschicht 11 ist der gleiche wie der Abstand von der Linsenschicht 13 zur Kippspiegelschicht 15. Die Brennweite der jeweiligen Linsen 13a-13c beträgt ungefähr eine Hälfte dieses Abstandes. Es können jedoch auch andere Geometrien verwendet werden, in denen die Abstände und die Vergrößerung anders sind.
Die Streifspiegelschicht 14 umfaßt angewinkelte Spiegel an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kippspiegels 16, die das Licht von den äußeren Fasern 17a und 17c auf den Kippspiegel 16 lenken. Die Streifspiegelschicht 14 kann mittels Ätzen und Polieren einer Siliciumschicht ausgebildet werden. Die Streifspiegelschicht 14 kann ferner durch Ausschneiden oder durch Gießen eines Durchgangs in einer Schicht aus Glas oder Kunststoff hergestellt werden. Es kann ein Polieren oder ein Abscheiden von reflektierenden Materialien durchgeführt werden, um eine starkreflektierende Oberfläche zu erhalten. Wenn der Schalter 10 aus einer linearen Matrix von Kippspiegeln 16 besteht, kann die Streifspiegelschicht 14 so hergestellt werden, daß sie sich längs der Linie der Kippspiegel 16 erstreckt.
Wie im folgenden in Verbindung mit Fig. 5 erläutert wird, ist der Einfallswinkel des Lichts von der Faser 17a oder 17c auf die Oberfläche der Spiegelschicht 14 vorzugsweise der gleiche wie der Kippwinkel des Kippspiegels 16 bezüglich seiner nicht gekippten (horizontalen) Stellung. Der Kippwinkel und der Streiflichteinfallswinkel sind klein, d. h. sie liegen in der Größenordnung von 10º, so daß die Streifspiegelschicht 14 eine nahezu senkrechte Wand längs wenigstens zweier Seiten des Schalters 10 bildet. Die reflektierende Oberfläche der Streifspiegelschicht 14 am Einfallspunkt ist ausreichend groß, um das Licht von den Linsen 13a und 13c ohne wesentlichen Verlust an Licht aufzunehmen.
Die Fig. 5 zeigt die Geometrie eines typischen Schalters 10. Der Abstand d' ist der Abstand zwischen den Enden der Fasern 17a-17c und der Linsenschicht 13, der durch die Abstandshalterschicht 12 gegeben ist. Der Abstand d ist der Abstand zwischen der Linsenschicht 13 und der Kippspiegelschicht 15. Die zwei Segmente von d oberhalb und unterhalb des Einfallspunktes auf der Spiegelschicht 14 von der Faser 17a oder 17c sind mit a und b bezeichnet. Das Seument c ist der Abstand von einem Einfallspunkt zum Kippspiegel 16. Der Abstand 5 ist der Abstand von der Mitte der mittleren Faser 17b zur Mitte der jeweiligen benachbarten Faser 17a oder 17c. Der Winkel Θ ist der Kippwinkel in einer Richtung des Kippspiegels 16, der in Richtung der Faser 17a gekippt gezeigt ist. Der Einfalls winkel auf die Streifspiegelschicht 14 beträgt ebenfalls Θ. Anders ausgedrückt sind die Normalen auf die Oberfläche des Kippspiegels 16, wenn dieser in eine Richtung gekippt ist, im allgemeinen parallel zu den entsprechenden reflektierenden Oberflächen der Streifspiegelschicht 14.
Unter Verwendung bekannter geometrischer Berechnungen kann festgestellt werden, daß dann, wenn Θ klein ist,
a = d - b = d -(s / tan 2Θ)
gilt.
Wenn angenommen wird, daß a = b, dann gilt
d = 2b = 2s / tan 2Θ.
Unter Verwendung eines Beispiels von Θ = 10º gilt dann,
d = 5,49s
c = 2,92s
a = b = 2,75s .
Als Folge hiervon gilt c + a = 5,675, was nur 1,032 mal so lang wie d ist.
Wenn l&sub1; = d und l&sub2; = a + c gilt, kann die Beziehung zwischen l&sub1; und l&sub2; auch ausgedrückt werden durch:
Wenn Θ klein ist, nähert sich das Verhältnis von l&sub2; zu l&sub1; der Zahl 1. Wie in Fig. 1 gezeigt, kann somit der Abstand vom Ende der jeweiligen Faser 17a-17c zu seiner Linse 13a-13c ohne signifikante Verschlechterung der Fokussierung gleich sein, wobei es möglich ist, die Enden der Fasern 17a-17c in der gleichen Ebene anzuordnen. Da ferner l&sub1; näherungsweise gleich 12 ist, können die Linsen 13a-13c dieselbe Brennweite aufweisen und können in der gleichen horizontalen Ebene angeordnet sein.
Als ein Beispiel der Abmessungen eines typischen Schalters 10, der einen Kippwinkel von 10º in jeder Richtung verwendet, beträgt der Abstand der Mitten zweier beliebiger benachbarter Fasern 17a-17c ungefähr 200 oder 250 µm. Die Abstände d und d' betragen jeweils ungefähr 1 mm. Alle Linsen 13a-13c besitzen einen Durchmesser von ungefähr 200 µm und eine Brennweite von ungefähr 500 µm.

[Andere Ausführungsformen]

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben worden ist, soll diese Beschreibung nicht im einschränkenden Sinn aufgefaßt werden. Verschiedene Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sowie alternative Ausführungsformen sind für Fachleute offensichtlich. Die beigefügten Ansprüche sollen daher alle Abwandlungen abdecken, die in den wahren Umfang der Erfindung fallen.

Claims

1. Schalter (10) für Lichtleitfasern, mit:

einer Lichtleitfaser-Halteschicht (11) zum Halten der Enden zweier äußerer Fasern (17a, 17c) und einer mittleren Faser (17b), die zueinander parallel sind;

einer Linsenschicht (13), die Linsen aufweist, die jeweils einem der Enden zugeordnet sind, um Licht in die Enden einzukoppeln und aus den Enden auszukoppeln;

einer Abstandhalter-Schicht (12), die oberhalb eines Kippspiegels (16) die Faser-Halteschicht (11) und die Linsenschicht (13) um einen vorgegebenen Abstand voneinander trennt;

einer Streiflichtspiegel-Schicht (14) unterhalb der Linsenschicht (13) und oberhalb einer Raumlichtmodulatorvorrichtung-Schicht, die Streiflichtspiegel (14a, 14b) aufweist, die jeweils einer der äußeren Fasern (17a, 17b) zugeordnet sind, um Licht von der mittleren Faser (17b) an eine äußere Faser (17a, 17c) oder von einer äußeren Faser (17a, 17c) an die mittlere Faser (17b) in einem vorgegebenen Streiflicht-Einfallswinkel (θ) zu lenken;

wobei der Kippspiegel (16) um einen Kippwinkel (0) in einer der beiden Richtungen in bezug auf eine horizontale Ebene gekippt werden kann, wobei die horizontale Ebene durch eine Normalachse der mittleren Faser definiert ist, wobei der Kippspiegel das Licht von der mittleren Faser (17b) an eine äußere Faser (17a, 17c) oder von einer äußeren Faser (17a, 17c) an die mittlere Faser (17b) lenkt, wenn er sich in den jeweiligen gekippten Stellungen befindet; und

einer Elektrodenschaltung (24a, 24b, 26a, 26b, 27) zum Steuern der Stellung des Kippspiegels (16).

2. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Faser-Halteschicht (13) V-Rillen-Abschnitte enthält.

3. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Linsenschicht zu den Faserenden bzw. zu den Kippspiegeln (16) ungefähr gleich beabstandet ist.

4. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Streiflichtspiegel (14) zur horizontalen Ebene nahezu senkrecht sind.

5. Schalter nach Anspruch 1, bei dem der Streiflicht-Einfallswinkel gleich dem Kippwinkel ist.

6. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Faser-Halteschicht (11) die Endpunkte der Lichtleitfasern (17a, 17b, 17c) in der horizontalen Ebene hält.

7. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Streiflichtspiegel- Schicht (14) durch Ausschneiden einer Wanne aus einer Materialschicht gebildet ist.

8. Schalter nach Anspruch 1, bei dem der Schalter eine Matrix von Kippspiegeln (14) besitzt und bei dem die Faser-Halteschicht Eingangs- und Ausgangsfasern (17a-17i) für jeden der Kippspiegel (14) hält und die Linsenschicht (13) Linsen aufweist, die jeweils einer der Fasern zugeordnet sind.

9. Schalter nach Anspruch 1, bei dem der Kippspiegel (16) und die Elektrodenschaltung (24a, 24b, 26a, 26b, 27) einen Teil einer Raumlichtmodulatorvorrichtung bilden.

10. Schalter nach Anspruch 1, bei dem der Kippspiegel (16) außerdem in einer in bezug auf die horizontale Ebene nicht gekippten Stellung gehalten werden kann.

11. Schalter nach Anspruch 1, bei dem die Linsen der Linsen schicht (13) in derselben Ebene liegen und bei dem die Linsenebene zur horizontalen Ebene im allgemeinen parallel ist.

12. Verfahren zum Herstellen eines optischen Schalters (10), mit den Schritten:

Anordnen einer Streiflichtspiegel-Schicht (14) an zwei gegenüberliegenden Seiten wenigstens eines Kippspiegelelements (16) einer Raumlichtmodulatorvorrichtung, wobei die Streiflichtspiegel-Schicht (14) zwei Streiflichtspiegel-Oberflächen (14a, 14b) besitzt, die vom Kippspiegelelement (16) nach oben angewinkelt sind;

Anordnen einer Linsenschicht (13) über der Streiflichtspiegel-Schicht (14) in der Weise, daß Linsen, die jeweils einer von drei Eingangs- bzw. Ausgangslichtleitfasern (17a-17c) zugeordnet sind, in derselben Ebene liegen;

Anordnen einer Abstandhalterschicht (12) über der Linsenschicht (13), um die Linsenschicht (13) von einer Faser-Halteschicht (11) um eine vorgegebene Strecke zu beabstanden; und

Anordnen einer Faser-Halteschicht (11) mit Eingangs/Ausgangs-Faserenden über der Abstandhalterschicht (12) in der Weise, daß die Enden in derselben Ebene liegen.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Anordnens der Streiflichtspiegel-Schicht (14) durch Ausschneiden einer Mulde aus einer Materialschicht ausgeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Anordnens der Linsenschicht (13) durch Herstellen der Linsenschicht (13) als Einheit ausgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt des Polierens der Endpunkte der Fasern (17a-17c), wenn diese in der Faser-Halteschicht (11) als Einheit angeordnet sind, enthält.

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Anordnens der Faser-Halteschicht (11) das Befestigen der Enden der Fasern (17a-17c) zwischen V-Rillen-Abschitten enthält.

17. Verfahren nach Anspruch 12, ferner mit dem Schritt des Anordnens von drei Eingangs-/Ausgangsfasern (17a-17c) in der Faser-Halteschicht (11) in der Weise, daß ihre Enden parallel zueinander sind.

18. Verfahren zum optischen Zusammenschalten, mit den Schritten:

Bewegen eines Kippspiegels (16) in eine vorgegebene Kippstellung (θ);

Senden von Licht durch ein Ende einer Eingangslichtleitfaser (17b) in einer Lichtleitfaser-Halteebene;

Fokussieren des Lichts mit einer ersten Linse (13b) in einer Linsenebene, die zur Lichtleitfaserebene koplanar ist;

Reflektieren des Lichts vom Kippspiegel (16);

Reflektieren des vom Kippspiegel reflektierten Lichts mit einem Streiflichtspiegel (14a, 14b) an einer Seite des Kippspiegelelements (16);

Fokussieren des Lichts mit einer zweiten Linse (13a, 13c) in der Linsenebene, wobei die zweite Linse (13a, 13c) zur ersten Linse (13b) koplanar ist; und

Senden des fokussierten Lichts durch ein Ende einer Ausgangslichtleitfaser (17a, 17b) in einer Lichtleitfaser-Halteebene, wobei die Enden der Fasern (17a-17c) in derselben Ebene liegen.

19. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Bewegungsschritt dadurch ausgeführt wird, daß das Kippspiegelelement (16) in bezug auf die nicht gekippte Ebene ungefähr um den gleichen Winkel wie der Auftreffwinkel des Streiflichtspiegels (14a, 14b) gekippt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die Schritte des Sendens von Licht durch ein Ende einer Eingangslichtleitfaser (17b) und durch ein Ende einer Ausgangslichtleitfaser (17a, 17c) durch Wählen zweier benachbarter Fasern in einer Reihe von drei Fasern (17a-17c) als Eingangs- bzw. Ausgangsfasern bestimmt sind.

21. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem der Schritt des Sendens von Licht durch ein Ende einer Ausgangslichtleitfaser durch Wählen eines Kippspiegels (16) einer Matrix von Kippspiegeln, der Licht an die Ausgangsfaser reflektiert, bestimmt wird.