ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft faseroptische Kommunikationssysteme
und insbesondere optische Crossconnectkonfigurationen unter Verwendung von MEMS-(micro
electromechanical systems – mikro-elektromechanische Systeme)-Kippspiegelarrays.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Bei faseroptischen Kommunikationssystemen ist die Signalleitweglenkung
unabdenkbar, um ein optisches Signal, das Daten führt, zu einer beabsichtigten Stelle
zu lenken. Existierende Leitweglenkungstechniken erfahren in der Regel einen Verlust
an optischer Leistung aufgrund einer ineffizienten Kopplung von optischen Signalen
zwischen Eingangs- und Ausgangsfasern. Dadurch nimmt die Abhängigkeit von Quellen
für optische Leistung (z.B. Pumplaser) zu, die dazu verwendet werden, Leistungsverluste
zu kompensieren, indem optische Leistung zurück in das optische System eingekoppelt
wird. Durch die Notwendigkeit für Quellen für optische Leistung steigen die Gesamtkosten
des optischen Systems.
Ein weiteres Kriterium für die Signalleitweglenkung ist die Fähigkeit,
ein von einem von mehreren Eingangsfasern oder Ports erhaltenes Signal ungeachtet
der Frequenz des optischen Signals zu einem beliebigen von mehreren Ausgangsfasern
oder Ports zu lenken. Bekannte optische Signalrouter sind frequenzabhängig, so daß
die Frequenz die Leitweglenkung von mehreren Signalen, wobei jedes Signal eine diskrete
Wellenlänge aufweist, zu Ausgangsports auf der Basis der Signalfrequenz diktiert.
Beispielsweise und wie aus dem eigenen US-Patent Nr. 6,634,810 B bekannt, werden
mehrere Wellenlängen, die frequenzmäßig benachbart sind, zu Ausgangsfasern, die
raummäßig benachbart sind, gelenkt, im Gegensatz zu zufällig ausgewählten Ausgangsfasern.
Dementsprechend wird ein optisches Crossconnectsystem gewünscht mit flexibler Frequenzleitweglenkungsfähigkeit
mit reduziertem Leistungsverlust.
In JP-A-5107485 wird ein optisches Verbindungsmodul beschrieben, bei
dem optische Signale zwischen einem ersten und zweiten Array von drehbaren Spiegeln
reflektiert werden.
Außerdem beschreibt US-A-5,037,173 ein optisches Verbindungsnetz,
das einen reflektierenden Raumlichtmodulator zusammen mit Abbildungslinsen verwendet,
die die optischen Faserenden auf den Raumlichtmodulator abbilden und das reflektierte
Licht wieder auf faseroptische Enden abbilden.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Verbesserungen zu bekannten optischen Crossconnects werden realisiert
durch die Bereitstellung eines optischen Crossconnects unter Verwendung eines Arrays
von MEMS-Kippspiegeln zum Lenken von optischen Signalen von optischen Eingangsfasern
zu optischen Ausgangsfasern gemäß dem optischen Crossconnectbauelement nach Anspruch
1. Das optische Crossconnectbauelement enthält ein Linsenarray zum Empfangen von
optischen Signalen von mehreren Eingangsfasern. Das Linsenarray besteht aus mehreren
Linsenelementen, wobei jedes Linsenelement ein optisches Signal auf ein MEMS-Spielgelarray
lenkt oder fokussiert. Das MEMS-Spiegelarray enthält mehrere Spiegelelemente, die
jeweils bei Anlegung von Steuersignalen an die gewünschten Spiegelelemente um eine
oder mehrere Drehachsen gekippt werden können. Auf diese Weise können optische Signale
entlang verschiedener Wege und zu verschiedenen Ausgangsfasern gelenkt werden. Eingangs-
und Ausgangslinsenarrays werden in Verbindung mit Eingangs- und Ausgangs-MEMS-Spiegelarrays
verwendet, wobei die Eingangslinsen optische Eingangssignale zu dem Eingangs-MEMS-Array
lenken, das wiederum jedes Signal in einer Richtung relativ zur Kipporientierung
jedes Spiegels reflektiert. Die reflektierten Signale werden empfangen und durch
das Ausgangs-MEMS-Spiegelarray weiter zum Ausgangslinsenarray reflektiert, um an
Ausgangsfasern gekoppelt zu werden. Die Eingangs- und Ausgangslinsenarrays sind
auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet, wobei eine reflektierende Oberfläche
dazwischen angeordnet ist. Bevorzugt sind die Eingangs- und Ausgangs-MEMS-Spiegelarrays
auf einem zweiten gemeinsamen Substrat ausgebildet, das in gegenüberliegender Beziehung
zu dem ersten Substrat angeordnet ist. Die reflektierende Oberfläche empfängt die
reflektierten optischen Signale von dem Eingangs-MEMS-Array und lenkt sie zu dem
Ausgangs-MEMS-Array.
Weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich
aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bei Betrachtung in Verbindung mit den
beigefügten Zeichnungen. Es versteht sich jedoch, daß die Zeichnungen lediglich
zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung
entworfen wurden, wofür auf die beigefügten Ansprüche Bezug genommen werden sollte.
Es ist weiter zu verstehen, daß die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu
gezeichnet sind und daß sie, soweit nicht ausdrücklich anders festgestellt, lediglich
dazu gedacht sind, die hier beschriebenen Strukturen und Vorgehensweisen konzeptuell
zu veranschaulichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen, in denen in den mehreren Ansichten gleiche Bezugszahlen
ähnliche Elemente bezeichnen, zeigen
1 eine planare Ansicht eines Beispiels
für ein in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendetes MEMS-Spiegelarray;
2 eine schematische Darstellung eines
optischen Crossconnects gemäß einem Vergleichsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung einer
Ausführungsform des optischen Crossconnects gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines
weiteren Vergleichsbeispiels und
5 eine schematische Darstellung eines
"gefalteten" optischen Crossconnects gemäß noch einem weiteren Vergleichsbeispiel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Arrays aus zweiachsigen Kippspiegeln, die unter Verwendung von MEMS-Technologie
(mikro-elektromechaische Systeme) implementiert sind, gestatten, große optische
Crossconnects zum Einsatz in optischen Systemen zu konstruieren. Optische Crossconnects
werden dafür eingesetzt, eine Reihe von optischen Eingangswegen an eine Reihe von
optischen Ausgangswegen anzuschließen. Typische Anforderungen an optische Crossconnects
lauten, daß jeder Eingang mit jedem Ausgang verbunden werden können muß. Ein Beispiel
für ein MEMS-Spiegelarray 10 ist in 1 dargestellt.
Das Spiegelarray 10 enthält mehrere Kippspiegel 12, die an Betätigungsgliedern
oder Federn 14 angebracht sind und von Elektroden gesteuert sind (nicht
gezeigt). Jeder Spiegel 12 weist einen Durchmesser von etwa 100–500
Mikrometern auf, kann quadratisch, kreisförmig oder elliptisch sein und ist in der
Lage, um X-Y-Achsen zu drehen oder zu kippen, wobei der Kippwinkel durch den an
die Elektroden angelegten Spannungswert bestimmt wird. Weitere Einzelheiten über
die Arbeitsweise des MEMS-Spiegelarrays 10 findet sich in dem US-Patent
Nr. 6,300,619B. Das allgemeine Konzept, zwei oder mehr derartige Kippspiegelarrays
10 zu verwenden, um einen optischen Crossconnect auszubilden, ist aus dem
US-Patent Nr. 6,288,821 bekannt.
Die Anmelder haben herausgefunden, daß unter Verwendung von einem
oder mehreren MEMS-Kippspiegelarrays in Verbindung mit einem Linsenarray zahlreiche
optische Crossconnectkonfigurationen realisiert werden können, die eine kompakte
Größe (z.B. minimalen Abstand zwischen Crossconnectkomponenten) und minimalen Verlust
an optischer Leistung aufweisen. Ein derartiger optischer Crossconnect
100 gemäß einem Vergleichsbeispiel ist in 2
dargestellt. Der Crossconnect 100 empfängt optische Eingangssignale
108 durch mehrere optische Fasern 112, bevorzugt zu einem Array
ausgebildet, wie in der Technik wohlbekannt ist. Zur leichteren Veranschaulichung
ist das Faserarray 112 als ein eindimensionales Array mit vier Fasern
112a, 112b, 112c, 112d gezeigt. Es versteht
sich jedenfalls, daß das Faserarray 112 sowie andere, hier erörterte Faserarrays
bevorzugt zweidimensionale N × N-Arrays sind.
Das Faserarray 112 überträgt die optischen Signale
108 zu einem Array von Linsen 114, die bevorzugt als Kollimierungslinsen
fungieren. Das Linsenarray 114 ist relativ zu dem Faserarray
112 so positioniert, daß jede Linse mit einer entsprechenden Faser in Verbindung
steht, um aus den optischen Signalen 108 Strahlenbündel 116 zu
erzeugen. Somit wird der Strahl 116a aus einem von den Fasern
112a getragenen Signal erzeugt, Strahl 116d wird aus einem von
der Faser 112d getragenen Signal erzeugt usw.
Ein erstes MEMS-Kippspiegelarray 118, auch als ein Eingangsarray
bezeichnet, ist in Ausrichtung auf das Linsenarray 114 positioniert, so
daß jedes Spiegelelement 12 (1) einen Strahl
116 empfängt. Die Spiegelelemente werden auf eine im US-Patent Nr. 6,300,619
B erörterte Weise gekippt, um die Strahlen 116 zu einem zweiten oder Ausgangs-MEMS-Spiegelarray
122 zu reflektieren, das in optischer Kommunikation mit dem MEMS-Array
118 positioniert ist. Je nach dem Kippwinkel für jedes Spiegelelement in
dem Eingangs-MEMS-Array 118 können die reflektierten Signale selektiv zu
spezifischen Spiegelelementen in dem Ausgangs-MEMS-Array 122 gelenkt werden.
Um dieses Prinzip darzustellen, ist der Strahl 116a so gezeigt, daß er
die Reflexionsstrahlen 120a und 120a' erzeugt, und Strahl
116d ist so gezeigt, daß er die Reflexionsstrahlen 120d und
120d' erzeugt. Diese Strahlen werden von Spiegelelementen in dem Ausgangs-MEMS-Array
122 empfangen und als Strahlen 124 zu einem Ausgangslinsenarray
126 gelenkt. Ein Ausgangsfaserarray 128 ist auf das Linsenarray
126 ausgerichtet, um optische Signale 129 zu empfangen und auszugeben.
Somit koppelt das Linsenarray 126 Strahlen 124 in das Ausgangsfaserarray
128.
Das Crossconnectbauelement 100 enthält eine 1-zu-1-Abbildung
jeder Ausgangsfaser zu einem Spiegel in dem Ausgangsspiegelarray. Dies ist bei Einmodenfasern
wegen der kleinen numerischen Apertur erforderlich, die eine koaxiale Ausrichtung der
Eingangs- und Ausgangsstrahlen auf die Faserachsen erforderlich macht, um einen
geringen Leistungsverlust zu erreichen. Der Crossconnect von 2
gestattet eine adäquate Beabstandung der Faser- und Spiegelarrays, um die erforderlichen
Spiegelwinkelausschläge zu begrenzen.
Eine typische Abstandsabmessung, die zu reduzierten Beugungsverlusten
führt, liegt zwischen 50–100 mm. Wenn die Spiegel-, Linsen- und Faserarrays
koplanar sind, d.h. das Eingangsfaserarray 112, die Eingangslinse
114 und das Ausgangsspiegelarray 122 zueinander koplanar sind
und das Ausgangsfaserarray 128, das Ausgangslinsenarray 126 und
das Eingangsspiegelarray 118 zueinander koplanar sind, können somit zwei
ähnliche monolithische Blöcke ausgebildet werden. Eine Montage des Crossconnects
erfordert dann nur eine Sechs-Achsen-Ausrichtung.
Eine Crossconnectkonfiguration 200 gemäß der Erfindung ist
in 3 dargestellt. Wie das Crossconnect 100
von 2 enthält das Crossconnect 200 ein Array
von Eingangslinsen 214 und ein Array von Ausgangslinsen 226, die
mit optischen Signalen durch ein Eingangsfaserarray 212 bzw. ein Ausgangsfaserarray
228 kommunizieren. Die Eingangs- und Ausgangs-MEMS-Spiegelarrays
218 und 222 sind von den Linsenarrays 214,
226 beabstandet, um optische Signale zwischen dem Eingangsfaserarray und
Ausgangsfaserarray zu lenken. Im Gegensatz zu dem Crossconnect 100 sind
bei dem Bauelement von 3 die MEMS-Spiegelarrays und
die Linsenarrays auf gegenüberliegenden Seiten des Crossconnectgefüges positioniert,
was eine leichte Konstruktion gestattet. Insbesondere können die Spiegelarrays monolithisch
auf einem ersten gemeinsamen Substrat integriert werden und die Linsenarrays und
Faserarrays können monolithisch auf einem zweiten gemeinsamen Substrat integriert
werden. Um für eine Signalleitweglenkung zwischen den MEMS-Spiegelarrays zu sorgen,
sind die Linsenarrays 214, 226 auf einem gemeinsamen Substrat
ausgebildet und voneinander so beabstandet, daß dazwischen ein reflektierendes Element
230 angeordnet werden kann. Das reflektierende Element 230 kann
ein separater ebener Spiegel oder bevorzugt ein reflektierendes Beschichtungsmaterial
(z.B. Gold) sein, das auf dem Linsensubstrat abgeschieden ist und so positioniert
ist, daß optische Signale zwischen dem Spiegelarray 218 und dem Spiegelarray
222 kommunizieren. Nachdem die Linsenarrays an ihrer Stelle sind, erfordert
das Crossconnect 200 eine Sechs-Achsen-Justierung der koplanaren Spiegelarrays.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird eine
Abwandlung des Crossconnects von 3 als Crossconnect
300 gezeigt. Ein Hauptunterschied gegenüber der Ausführungsform von
3 ist das Entfernen des reflektierenden Elements
230. Wie gezeigt sind die Spiegelarrays 318 und 322 relativ
zu den Linsenarrays 314 und 326 enthaltenden Substratebenen abgewinkelt,
so daß die optischen Signale direkt zwischen den Spiegelarrays kommuniziert werden
können. Bei diesem Vergleichsbeispiel kann der Maximalabstand zwischen jedem Faserarray
(z.B. Array 312) und seinem gegenüberliegenden Spiegelarray (z.B. Array
318) klein sein. Dies ist eine wichtige Überlegung beim Design, insbesondere
wenn die Richtgenauigkeit des Faserarrays schlecht ist. Die Spiegelelemente in den
Spiegelarrays können nicht nur zum Justieren der Schalterconnects (z.B. eine Leitweglenkungsfunktion)
verwendet werden, sondern auch um Fehler in dem Faserarray zu kompensieren.
5 zeigt einen weiteren Crossconnect
400, der einen ebenen Spiegel 430 in einer versetzten Konfiguration
relativ zu einem einzelnen MEMS-Spiegelarray 420 verwendet. Bei diesem
weiteren Vergleichsbeispiel werden ein einzelnes Faserarray 410, ein einzelnes
Linsenarray 416 und ein einzelnes MEMS-Spiegelarray 420 in einer
"gefalteten" Crossconnectanordnung verwendet. Das einzelne Faserarray fungiert als
ein kombiniertes Eingangs-/Ausgangsarray. Ein Eingangssignal 412 wird von
der Faser 414 an das Linsenarray 416 zur Abbildung auf ein Spiegelelement
420a geliefert. Der Strahl wird dann zum ebenen Spiegel 430 und
zurück zum Spiegelelement 420b zur Ausgabe durch das Linsenarray
416 zur Ausgangsfaser 422 geliefert. Es sei angemerkt, daß in
dieser Konfiguration kein Unterschied zwischen Eingangs- und Ausgangsports besteht.
Somit kann bei einem 32 × 32-Spiegelarray mit einem unbenutzten Port der Crossconnect
als ein 1 × 1023-Schalter, ein Array aus 341 1 × 2-Schaltern oder ein
optischer 512 × 512-Crossconnect verwendet werden. Es bestehen natürlich andere
Abwandlungen, sowie auch Mischungen von Crossconnectkomponenten (z.B. zwei 1 ×
128-Schalter, vierundsechzig 2 × 2-Schalter und ein 256 × 256-Schalter
können mit einem 32 × 32-Spiegelarray verwendet werden).
Wenngleich fundamental neue Merkmale der Erfindung in ihrer Anwendung
auf bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben und hervorgehoben
worden sind, versteht sich, daß der Fachmann zahlreiche Auslassungen und Substitutionen
und Änderungen hinsichtlich Form und Details der dargestellten Bauelemente und ihrer
Funktionsweise vornehmen kann.