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Dokumentenidentifikation DE60018883T2 13.04.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001102096
Titel Optisches Querverbindungssystem mit mikro-elektromechanischer Kippspiegelanordnung
Anmelder Lucent Technologies Inc., Murray Hill, N.J., US
Erfinder Aksyuk, Vladmir Anatolyevich, Piscataway, New Jersey 08854, US;
Bishop, David John, Summit, New Jersey 07901, US;
Giles, Randy Clinton, Whippany, New Jersey 07981, US
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60018883
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.11.2000
EP-Aktenzeichen 003098217
EP-Offenlegungsdatum 23.05.2001
EP date of grant 23.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G02B 6/35(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G02B 26/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G02B 6/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
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.


Anspruch[de]
  1. Optische Crossconnecteinrichtung zum Lenken von von mehreren optischen Eingangsfasern (212) empfangenen optischen Signalen (208) in mehrere optische Ausgangsfasern (228), wobei das Bauelement folgendes enthält: ein Eingangsarray von Linsen (214), die so positioniert sind, daß sie die optischen Signale von den mehreren optischen Eingangsfasern (212) empfangen, ein Ausgangsarray von Linsen (226), die so positioniert sind, daß sie optische Signale zu den mehreren optischen Ausgangsfasern (228) lenken, ein MEMS-Eingangsspiegelarray (218) und ein MEMS-Ausgangsspiegelarray (222), wobei jedes Array mehrere Spiegelelemente (12) aufweist, wobei jedes Spiegelelement eine Drehachse aufweist, um die jedes Spiegelelement selektiv betätigbar gekippt werden kann, wobei das Bauelement dadurch gekennzeichnet ist, daß:

    das Eingabe- und Ausgabearray von Linsen (214, 226) auf einem gemeinsamen Substrat ausgebildet sind und distal voneinander versetzt sind, um dazwischen einen Bereich zu definieren; und ein reflektierendes Element (230) in dem Bereich zwischen dem Eingangs- und Ausgangsarray von Linsen angeordnet ist, um optische Signale von dem Eingangsspiegelarray (218) zu empfangen und optische Signale zu dem Ausgangsspiegelarray (222) zu lenken, wobei das Eingangsspiegelarray (218) so positioniert ist, daß es von dem Eingangsarray von Linsen (214) gelenkte optische Signale empfängt und die gelenkten optischen Signale zu dem reflektierenden Element (230) reflektiert, das Ausgangsspiegelarray so in einer optischen Kommunikation mit dem Eingangsspiegelarray (218) angeordnet ist, daß es reflektierte optische Signale von dem reflektierenden Element (230) empfängt und die empfangenen, reflektierten optischen Signale zu den mehreren optischen Ausgangsfasern (228) lenkt.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei jedes Spiegelelement eine erste Drehachse (x) und eine zweite Drehachse (y) umfaßt und wobei jedes Spiegelelement relativ zu der ersten und zweiten Achse betätigbar gekippt werden kann.
  3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei das Eingangsarray von Linsen koplanar mit dem Ausgangsarray von Linsen ist.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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