专利名称：具有会聚光束的微机电系统开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学微机电系统(MEMS)装置的技术，并且尤其涉及使用MEMS装置的全光学开关。
背景技术：
全光学开关的一个解决方案使用两个MEMS装置，每个包括一个可倾斜微反射镜如小反射镜阵列，能够反射光，这里是指感兴趣波长的任何辐射，无论其是否位于可见光谱。通过使用第一光学MEMS装置上的与输入光纤相连的第一微反射镜使光转向与输出光纤相连的第二光学MEMS装置上的第二微反射镜，为从一个输入源如光纤到一个输出如输出光纤的光建立一条光路。然后第二微反射镜使光转向输出光纤。与系统相连的每个光纤看作系统的一个端口，输入光纤为输入端口，输出光纤为输出端口。
通常，从输入光纤导向第一光学MEMS装置的第一微反射镜的光首先通过与其相连且为一个输入微透镜阵列一部分的一个微透镜。每个微透镜的功能是使由其各个相连的输入光纤提供的光束准直。或者，在构成准直仪的装置中，一个透镜可以与光纤束的每个光纤结合，以代替使用单独的微透镜阵列。在全光学开关的输出部分介于输出MEMS装置与输出光纤束之间还可以发现一个类似的微透镜阵列或准直仪的装置。在该输出部分，每个微透镜的功能是将光束耦合到其各个相连的输出光纤。
目前，通过向一个或多个电极施加合适的电压来设置微反射镜的倾斜角。不幸地，使用目前的静电角度控制技术，对于一个特定控制电压的倾斜结果是高度非线性的。因此，要求的倾斜较小得到所需的角度就可以更精确。因此，全光学开关倾向于在MEMS装置之间包括所谓“场镜”的功能。场镜使从MEMS装置上的不倾斜的反射镜反射的光束会聚。这用于将入射在每个微反射镜上的光的角度转换成该光将从该微反射镜反射引向的位置，由此允许所有输入微反射镜都是均匀的。均匀意味着具有相同倾斜的所有微反射镜都将其光引向相同的位置。此外，场镜使通过它的每个光束重新聚焦，因此减少了损耗。但是，使用场镜并未减小输入与输出MEMS装置之间所需的距离。
因为全光学开关典型地由几组反射镜构成，合作将光从任何输入端口转换到任何输出端口，所以整个系统需要对准以获得最好的可能的光学连接，即从输入到输出的损耗最小。为此必须确定需要在控制每个反射镜的电极上施加多大的电压以在它与相对组的每个其它反射镜之间获得最好的连接，以及还需要在每个相对的反射镜的电极上施加多大的电压。这个确定电压的过程称为“训练”。当使用场镜时，整个光学开关必须作为一个单元来训练，因为由于各个场镜以及安装位置的变化造成一个系统与下一个系统之间存在变化。该训练过程很耗时并且如果需要替换任何元件则必须重做。
发明内容
我们已经认识到，该场镜可以删去，根据本发明的原理，通过使一个MEMS装置与一个输入源或一个输出例如光纤束之间的光束在MEMS装置处比光纤束处彼此更接近，可以保持与系统中包括一个场镜的相同的效果。这可以用各种方式实现。在本发明的一个实施例中，其中每个光纤与一个微透镜阵列的各个微透镜相连，通过保证相邻微透镜中心之间的距离与其对应的相邻光纤中心之间的距离不同。在本发明的另一个实施例中，其中光纤终止于准直仪，准直仪的方向可以调节为以会聚方式指向光束。在本发明的又一个实施例中，改变各个光束方向的一个光学系统可以介于a)光纤束，以及任何相连的微透镜阵列或准直仪，与b)对应的MEMS装置之间。这样一个光学系统可以是任何聚焦透镜装置、一个多棱镜装置以及每个反射镜倾斜以会聚方式指向光束的一个多反射镜装置。此外，该光学系统可以与一个成像系统组合以使该微透镜或准直仪成像到该MEMS装置。
在图中图1显示根据本发明的原理用于执行光学开关的一个示例性装置；图2显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的另一个装置；图3显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的又一个装置；图4显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的一个进一步的装置；图5显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的又一个装置；以及图6显示根据本发明的原理用于执行光学开关的一个示例性装置，该装置在MEMS装置与一个光纤束之间使用一个成像系统，使该光纤束成像到该MEMS装置上，并且使光束在输入处会聚或在输出处发散。
具体实施例方式
以下仅说明本发明的原理。因此将意识到那些熟练的技术人员能够设计那些尽管未在此明确描述或显示，但体现本发明的原理以及包括在其精神和范围内的各种装置。此外，这里所述的所有例子及条件语言主要是明确地打算仅用于教学目的，以帮助读者理解本发明的原理及由发明者提供的概念以促进该技术，并且应解释为不限于这些明确描述的例子及条件。此外，这里描述本发明的原理、方面及实施例的所有陈述，与其特定例子一样，都打算包含其结构及功能的等价物。此外，打算这些等价物既包括目前已知的等价物，也包括将来研制的等价物，即无论结构如何，研制的执行相同功能的任何元件。
因此，例如，那些熟练的技术人员将意识到这里的任何框图都表示体现本发明原理的示例性电路的概念性视图。类似地，将意识到任何流程图、程序框图、状态转换图、伪代码等等都表示可在计算机可读介质上完全表示并由计算机或处理器如此执行的各种程序，无论这样的计算机或处理器是否被明确显示。
图中所示各种元件的功能，包括标记为“处理器”的任何功能块，可以通过使用专用硬件或者能够执行软件的硬件结合合适的软件提供。当由一个处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、由单个共享处理器或由多个单独处理器提供，多个单独处理器中一些可以是共享处理器。此外，明确使用术语“处理器”或“控制器”不应解释为专门指能够执行软件的硬件，还可以隐含地无限制地包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、特定用途集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)及非易失性存储器。也可以包括常规的和/或定制的其它硬件。类似地，图中显示的任何开关都仅是概念上的。其功能可以通过程序逻辑的操作、通过专用逻辑、通过程序控制与专用逻辑的相互作用或者甚至是手动地实现，详细技术可由实施者在对上下文更确切地理解时选择。
在其权利要求书中作为用于执行特定功能的设备表示的任何元件都打算包含执行该功能的任何方式，包括，例如，a)执行该功能的电路元件的组合或者b)任何形式的软件，包括，因此，固件、微码等等，与用于执行该软件的合适的电路组合以执行该功能。这个权利要求书所定义的本发明存在的事实是各种所述设备提供的功能性以权利要求书要求的方式组合和集合在一起。申请人因此将能够提供那些功能性的任何设备视为与这里所示的等价。
软件模块，或者隐含为软件的简单模块，这里可以表示为流程图元件或表示执行程序步骤和/或文本描述的其它元件的任何组合。这些模块可以由明确或隐含显示的硬件执行。
这里除非另外明确指出，附图都未按比例绘制。
此外，这里除非另外明确指出，这里显示和/或描述的任何透镜实际上是具有该透镜的特殊特定性质的一个光学系统。这样一个光学系统可以由单个透镜元件实现，但不是必需限于此。类似地，显示和/或描述为一个反射镜的地方，实际上显示和/或描述的是具有这样一个反射镜的特定性质的一个光学系统，可以由单个反射镜元件实现，但不是必需限于单个反射镜元件。这是因为，技术上众所周知，各种光学系统可以提供单个透镜元件或反射镜的相同功能但是是以一种高级的方式，例如，具有较小变形。此外，技术上众所周知，一个曲面反射镜的功能可以通过透镜和反射镜的组合实现，反之亦然。此外，执行一个特定功能的光学元件的任何装置，例如，成像系统、光栅、镀膜元件及棱镜，可以用执行相同特定功能的光学元件的任何其它装置替换。因此，这里除非另外明确指出，对于本公开，在这里公开的一个总实施例中能够提供特定功能的所有光学元件或系统都彼此相当。
这里使用的术语微机电系统(MEMS)装置打算指整个MEMS装置或其任何部分。因此，如果一个MEMS装置的一部分不工作，或者如果一个MEMS装置的一部分关闭，这样一个MEMS装置对于本公开仍然被看作一个MEMS装置。
在本描述中，不同图中相同数字的元件指的是相同的元件。
图1显示根据本发明的原理用于执行光学开关的一个示例性装置。图1所示为a)输入光纤束101，b)输入微透镜阵列103，c)输入MEMS装置105，d)输出MEMS装置115，e)输出微透镜阵列123，f)输出光纤束125，以及g)透镜107和117。
输入光纤束101提供待转换的光学信号。更确切地，输入光纤束101的每个光纤是图1的开关系统的一个输入端口。由光纤束101的每个光纤提供的光通过各个对应的微透镜，该微透镜为微透镜阵列103的一部分。每个微透镜的功能是使由其各个相连的输入光纤提供的光束准直。在本发明的其它实施例中，在构成准直仪的装置中，一个透镜可以与光纤束101的每个光纤结合，使得光以平行光束射出，以代替使用单独的微透镜阵列。
根据本发明的原理，从微透镜阵列103通过的每个光束都落在透镜107上，透镜107使来自微透镜阵列和/或准直仪的光束会聚。因此，光束将不再平行并且未通过透镜107中心的任何光束的方向将发生变化。透镜中心以下的光束将折向上传播，而透镜中心以上的光束将折向下传播。在本发明的一个实施例中，该全光学开关的光路使得透镜107的焦点位于输出MEMS装置115上。
输入MEMS装置105的每个微反射镜被设置为以各个规定角度反射入射在其上的光束。选择特殊的规定角度使得该光束将被引到输出MEMS装置115上的一个规定的微反射镜，该微反射镜对应输出光纤束125的特定光纤，光被引到输出光纤束125作为输出。
从输入MEMS装置105的其特定微反射镜反射出之后，每个光束落在输出MEMS装置115的各个微镜上。输出MEMS装置115的每个微反射镜被设置为以各个规定角度反射入射在其上的光束。选择特殊的规定角度使得每个光束将被引到输出光纤束125的各个光纤，该光纤是光束通过透镜117之后的输出光纤。
从输出MEMS装置115的其特定微反射镜反射出之后，并且在到达其各个输出光纤之前，每个光束通过透镜117，透镜117使来自微透镜阵列和/或准直仪的光束发散，使得当它们从透镜117射出时完全平行。因此，光束将再次完全平行，或者至少它们将较小发散，并且未通过透镜117中心的任何光束的方向将发生变化。在本发明的一个实施例中，该全光学开关的光路使得透镜117的焦点位于输入MEMS装置105上。
从透镜117通过的光束通过微透镜阵列123的各个微透镜。每个微透镜的功能是使由其各个相连的输入光纤提供的光束准直。在本发明的另一个实施例中，一个透镜可以与光纤束125的每个输出光纤结合，因此构成准直仪，以代替使用单独的微透镜阵列。然后来自微透镜阵列123的每个微透镜的光进入与该微透镜相连的各个输出光纤束。
注意可以使用分别改变光束方向的任何其它的光学系统代替透镜107和/或透镜117，例如，任何聚焦透镜装置、多棱镜装置以及每个反射镜倾斜以会聚方式指向光束的多反射镜装置等等。
图2显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的另一个装置。在图2的装置中，光纤束201的光纤终止于准直仪202，并且准直仪202的方向调节为以会聚方式指向光束。类似地，在反方向，向着其指向的装置，准直仪202可以接收发散的光束并且将光束耦合到其各个相连的光纤。如上所述，由于使用了准直仪202，就不需要使用微透镜阵列103或123。可以使用图2的装置代替光纤束101、微透镜阵列103和透镜107或光纤束125、微透镜阵列123和透镜117中的任一个。会聚角由实施者决定。
图3显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的又一个装置。在图3的装置中，光纤束301的每个光纤与微透镜阵列303的各个微透镜相连，并且相邻微透镜中心之间的距离与其对应的相邻光纤中心之间的距离不同。该装置产生会聚光束。类似地，在反方向，发散的光束可以耦合到其各个相连的光纤。因此，可以使用图3的装置代替光纤束101、微透镜阵列103和透镜107或光纤束125、微透镜阵列123和透镜117中的任一个。会聚角由实施者决定。
图4显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的一个进一步的装置。在图4的装置中，一个微棱镜405，它可以是一个微棱镜阵列的一部分，与光纤束401的每个光纤相连。每个相连的光纤和微棱镜进一步与微透镜阵列403的各个微透镜相连。来自光纤束401的每个光纤的光束被光纤的相连微棱镜405重转向与来自光纤束401的其它光纤的光束会聚在一起，并且相连的微透镜阵列403使光束准直。微棱镜和微透镜的光路顺序不是实质性的。每个棱镜的倾斜应不同，以使光束会聚。类似地，在反方向，发散的光束可以耦合到其各个相连的光纤。因此，可以使用图4的装置代替光纤束101、微透镜阵列103和透镜107或光纤束125、微透镜阵列123和透镜117中的任一个。会聚角由实施者决定。
图5显示根据本发明的一个方面用于使一个全光学开关中的光束会聚或能够接收发散光束的又一个装置。在图5的装置中，微透镜阵列，例如图1的微透镜阵列103或123与其各个相连的透镜107和117之一相集成。透镜和微透镜阵列，或者甚至微透镜阵列的各个透镜的光路顺序不是实质性的。因此，图5中显示光纤束501与集成了微透镜505的透镜507在一起。该装置产生会聚光束。类似地，在反方向，发散的光束可以耦合到其各个相连的光纤。会聚角由实施者决定。
图6显示根据本发明的原理用于执行光学开关的一个示例性装置，该装置在MEMS装置与一个光纤束之间使用一个成像系统，使该光纤束成像到该MEMS装置上，并且使光束在输入处会聚或在输出处发散。图6中显示a)输入光纤束101，b)输入微透镜阵列103，c)输入MEMS装置105，d)透镜607，e)透镜609，f)输出MEMS装置115，g)透镜617，h)透镜619，i)输出微透镜阵列123，以及j)输出光纤束125。
输入光纤束101提供待转换的光学信号。更确切地，输入光纤束101的每个光纤是图1的开关系统的一个输入端口。由光纤束101的每个光纤提供的光通过各个对应的微透镜，该微透镜为微透镜阵列103的一部分。每个微透镜的功能是使由其各个相连的输入光纤提供的光束准直。在本发明的其它实施例中，在构成准直仪的装置中，一个透镜可以与光纤束101的每个光纤结合，使得光以平行光束射出，以代替使用单独的微透镜阵列。
根据本发明的原理，从微透镜阵列103通过的每个光束都落在由透镜607和609构成的成像系统上，在透镜607处进入，在透镜609处射出。该成像系统使得在输入MEMS装置105处生成微透镜阵列和/或准直仪的像，或者由于光学的可逆性质反之亦然，因此有效地删去了微透镜阵列和/或准直仪103与输入MEMS装置105之间的距离，现有技术的装置中光束在该距离上有效地传播。根据本发明的原理，当来自每个输入光纤的光束入射到MEMS装置105上时，无论其从光纤束101射出时的原始方向，该成像系统进一步使其会聚。因此，有利地，每个光束，即使由于光纤-微透镜对准中的误差最初未在其预定方向传播，都不会偏离其预定目标传播，并且此外，光束被定向以会聚。
注意尽管显示两个透镜构成该成像系统，但这仅是用于教学及阐明的目的。那些普通熟练的技术人员将容易地意识到可以使用任何成像系统，例如使用一个或多个透镜的系统。同样注意由于该成像系统可以是倒像的，因此输入MEMS装置105的各个对应微反射镜可以不在与未使用该成像系统时完全相同的位置，例如，从输入光纤束101的直接线上。
与原来相比，该成像系统还可以改变像的尺寸。这将允许输入MEMS装置105的微反射镜在尺寸和/或间隔上与微透镜阵列和/或准直仪103不同。如果该MEMS装置的光纤束与微反射镜之间，占空因数，即光斑尺寸与光斑间距离之比被完全保持，则这还将允许使用无微透镜阵列和/或准直仪的光纤束。此外，有可能例如在透镜607和609之间使用分光镜，以创造通过系统的多个信号路径，例如，以实现多点广播、广播、监控、保护及恢复功能。有利地，在系统设计中获得较大的灵活性。
输入MEMS装置105的每个微反射镜被设置为以各个规定角度反射入射在其上的光束。选择特殊的规定角度使得该光束将被引向输出MEMS装置115上的一个规定的微反射镜，该微反射镜对应输出光纤束125的特定光纤，光被引到输出光纤束125作为输出。由于进入成像系统的光沿着不与其透镜或准直仪中心及其相关的微反射镜构成的直线平行的方向传播造成的任何误差，只要该光偏离平行的角度小于反射镜可倾斜的最大角，就都由全光学系统的“训练”补偿。“训练”是确定需要在控制每个反射镜的电极上施加多大的电压以实现必要的倾斜，从而在它与相对组的每个其它反射镜之间提供最好的连接，以及需要在每个相对的反射镜的电极上施加多大的电压的过程。
从输入MEMS装置105的其特定微反射镜反射出之后，每个光束落在输出MEMS装置115的各个微反射镜上。输出MEMS装置115的每个微反射镜被设置为以各个规定角度反射入射在其上的光束。选择特殊的规定角度使得每个光束将被引到输出光纤束125的各个光纤，该光纤是光束的输出光纤。
从输出MEMS装置115的其特定微反射镜反射出之后，并且在到达其各个输出光纤之前，每个光束通过透镜617并且然后是透镜619，二者一起构成一个成像系统。该成像系统使得在输出微透镜阵列123和/或准直仪123处生成输出MEMS装置115和/或准直仪的像，或者由于光学的可逆性质反之亦然，因此有效地删去了输出MEMS装置115与微透镜阵列和/或准直仪123之间的距离，现有技术的装置中光束在该距离上有效地传播。根据本发明的原理，当来自输出MEMS装置115的光束入射到微透镜阵列123上时，无论其从MEMS装置115反射出时的原始方向，该成像系统进一步使其发散。因此，有利地，每个光束，即使由于对准中的误差未在预定方向传播，都不会偏离其预定目标传播，并且此外，光束被定向以发散。
如前连同输入成像系统的透镜所述，尽管显示两个透镜组成该输出成像系统，但这仅是用于教学及阐明的目的。那些普通熟练的技术人员将容易地意识到可以使用任何成像系统，例如使用一个或多个透镜的系统。
注意与原来相比，成像系统还可以改变像的尺寸。这将允许输出MEMS装置115的微反射镜在尺寸和/或间隔上与微透镜阵列和/或准直仪123不同。如果该MEMS装置的光纤束与微反射镜之间，占空因数，即光斑尺寸与光斑间距离之比被完全保持，则这还将允许使用无微透镜阵列和/或准直仪的光纤束。此外，有可能例如在透镜617和619之间使用分光镜，以创造通过系统的多个信号路径，例如，以实现多点广播、广播、监控、保护及恢复功能。有利地，在系统设计中获得较大的灵活性。
从透镜619通过的光束，现在完全平行，或者至少较小发散，通过微透镜阵列123的各个微透镜。每个微透镜的功能是使由其各个相连的输入光纤提供的光束准直。在本发明的另一个实施例中，一个透镜可以与光纤束125的每个输出光纤结合，因此构成准直仪，以代替使用单独的微透镜阵列。然后来自微透镜阵列123的每个微透镜的光进入与该微透镜相关的各个输出光纤束。
注意在本发明的一些实施例中，仅需要使用一个成像系统。在这些实施例中，成像系统可以仅用于输入或仅用于输出。
注意在本发明的其它实施例中，成像系统可以与使光束会聚/发散的装置分离。
通过压缩光路，例如，使用合适的常规反射镜，和/或使用折叠装置，即仅有一个MEMS装置部件，具有通过使用至少一个常规反射镜进行输入和输出的双重任务的装置，可以减小装置的实际尺寸。
注意可以不用光纤提供光束作为输入，而用一个光源，例如，激光器或发光二极管、平面波导等等。同样地，可以不用光纤接收光束作为输出，而用其它接收器例如光探测器、平面波导等等。
权利要求
1.一种光学设备，包括第一微机电系统(MEMS)装置；以及第一束多个光纤；所述光学设备被安排使得在所述第一MEMS装置与所述第一束之间通过的光束在所述第一MEMS装置处比在所述第一束处彼此更近。
2.如权利要求1所定义的发明，进一步包括第二微机电系统(MEMS)装置；第二束多个光纤；所述光学设备被安排使得在所述第二MEMS装置与所述第二束之间通过的光束在所述第二MEMS装置处比在所述第二束处彼此更近；所述第二MEMS装置反射来自所述第一MEMS装置的光。
3.如权利要求1所定义的发明，进一步包括第二微机电系统(MEMS)装置；第二束多个光纤；所述光学设备被安排使得在所述第二MEMS装置与所述第二束之间通过的光束彼此平行；所述第二MEMS装置反射来自所述第一MEMS装置的光。
4.如权利要求1所定义的发明，进一步包括一个聚焦透镜系统，沿光路介于所述第一MEMS装置与所述第一束多个光纤之间。
5.如权利要求1所定义的发明，其中一些所述光纤中的每一个由多个准直仪中相应的一个终止，每个准直仪基本指向单个点。
6.如权利要求1所定义的发明，进一步包括一个微透镜阵列，所述微透镜阵列具有多个微透镜，每个微透镜与一个所述光纤相关，所述微透镜沿光路介于所述光纤束与所述第一MEMS装置之间，所述微透镜被安排使得由所述光纤提供的光束基本会聚在一点处。
7.如权利要求1所定义的发明，进一步包括一个微透镜阵列，所述微透镜阵列具有多个微透镜，每个微透镜与一个所述光纤相关，所述微透镜沿光路介于所述光纤束与所述第一MEMS装置之间，所述微透镜被安排使得保证相邻所述微透镜的中心之间的距离与其相关各个光纤中心之间的距离不同。
8.如权利要求1所定义的发明，进一步包括一个微透镜阵列，所述微透镜阵列具有多个微透镜，每个微透镜与一个所述光纤相关，所述微透镜沿光路介于所述光纤束与所述第一MEMS装置之间，所述微透镜阵列的至少一部分与一个聚焦透镜系统相集成。
9.如权利要求1所定义的发明，其中所述光学设备被安排以紧凑形式和折叠形式中的至少一种形式使用至少一个反射镜。
10.如权利要求1所定义的发明，进一步包括一个第一成像系统，在其一端光学地耦合到所述第一MEMS装置，以在所述第一MEMS装置的位置处产生与所述第一成像系统的所述端相对的所述第一成像系统的一端的所述第一MEMS装置的像；其中所述第一MEMS装置的所述像与由所述光学开关的输入与所述光学开关的输出构成的组的至少一个元件基本在一个平面内，以及其中在光学地耦合到所述第一MEMS装置的所述成像系统的所述端处，光束有意基本上不平行。
11.如权利要求10所定义的发明，其中在光学地耦合到所述第一MEMS装置的所述成像系统的所述端处的有意基本上不平行的光束为会聚光束。
12.如权利要求10所定义的发明，其中光学地耦合到所述第一MEMS装置的所述成像系统的所述端处有意基本上不平行的光束为发散光束。
全文摘要
使一个MEMS装置与一个输入源或一个输出例如光纤束之间的光束在MEMS装置处比在光纤束处彼此更接近。这可以用各种方式实现。这可以a)当每个光纤与一个微透镜阵列的各个微透镜相关时，通过保证相邻微透镜中心之间的距离与其对应的相邻光纤中心之间的距离不同，b)当该光纤终止于准直仪时，调节准直仪的方向以会聚方式定向光束以及c)通过使用一个改变各种光束的方向，可以介于a)光纤束与b)对应的MEMS装置之间的光学系统来实现。
文档编号G02B6/35GK1393711SQ0212034
公开日2003年1月29日 申请日期2002年5月23日 优先权日2001年6月29日
发明者戴维·T·尼尔森, 罗兰德·赖夫 申请人:朗迅科技公司