(57)【要約】  本発明は、第１のセットの光ファイバ内の光ファイバから第２のセットの光ファイバ内の光ファイバにクロスコネクトするための２軸ＭＥＭＳミラーを利用した完全光クロスコネクト・スイッチを提供する。第１および第２のセットの光ファイバ内の光ファイバは、第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ内において精密に位置決めされて第１のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスを定義し、それぞれのコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスが第１のセットの光ファイバ内の光ファイバを第１のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーに接続する。整列ビームが、第１および第２のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビームのそれぞれに追加され、かつ同軸に整列される。２つのビーム方向センサ・ユニットが、ダイクロイック・ミラーを通って透過される第１および第２のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビームを検出するべく位置決めされ、ＭＥＭＳコントロール・システムが、ＭＥＭＳミラーの位置をコントロールして、第１のセットの光ファイバ内の光ファイバを第２のセットの光ファイバ内の任意の光ファイバに接続する。【選択図】図１
2010522899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のセットの光ファイバ内の光ファイバを第２のセットのファイバ内の光ファイバにクロスコネクトするための光スイッチ・モジュールであって、
（Ａ）前記第１のセットの光ファイバ内の光ファイバを第１のファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・パターンで精密に位置決めするための第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ、および前記第２のセットの光ファイバ内の光ファイバを第２のファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・パターンで精密に位置決めするための第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ、
（Ｂ）前記第１のファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・パターンに対応する第１のＭＥＭＳミラー・パターンで配列され、かつ前記第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ内に配列された光ファイバへ、および／またはそれから通信光ビームを反射するべく位置決めされたＭＥＭＳミラーのアレイを包含する第１のＭＥＭＳミラー・アレイ、および前記第２のファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・パターンに対応する第２のＭＥＭＳミラー・パターンで配列され、かつ前記第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ内に配列された光ファイバへ、および／またはそれから通信光ビームを反射するべく位置決めされたＭＥＭＳミラーのアレイを包含する第２のＭＥＭＳミラー・アレイ、
（Ｃ）前記第１のファイバ‐マイクロレンズ・アレイと前記第１のＭＥＭＳアレイの間におけるそれぞれの通信ビームのための整列ビームを提供するため、および前記整列ビームと前記通信光ビームをコアライン（co-aligned）させて第１のセットの整列ビームを定義するための第１の整列ビーム・ユニット、および前記第２のファイバ‐マイクロレンズ・アレイと前記第２のＭＥＭＳアレイの間におけるそれぞれの通信ビームのための整列ビームを提供するため、および前記整列ビームと前記通信光ビームをコアライン（co-aligned）させて第２のセットの整列ビームを定義するための第２の整列ビーム・ユニット、
（Ｄ）前記第１のＭＥＭＳアレイから前記第２のＭＥＭＳアレイに通信ビームを反射するべく、および／または前記第２のＭＥＭＳアレイから前記第１のＭＥＭＳアレイに通信ビームを反射するべく、および前記第１および第２のセットの整列ビームを透過させるべく位置決めされ、かつ適合されたダイクロイック・ミラー、
（Ｅ）前記ダイクロイック・ミラーを透過した前記第１のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビームの方向を検知するべく位置決めされ、かつ適合された第１のビーム方向センサ、および前記ダイクロイック・ミラーを透過した前記第２のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビームの方向を検知するべく位置決めされ、かつ適合された第２のビーム方向センサ、並びに
（Ｆ）前記第１のセットの光ファイバ内の前記ミラーのそれぞれと前記第２のセットの光ファイバ内の任意のファイバの間における光学的接続を提供するために、かつ／または前記第２のセットの光ファイバ内の前記ミラーのそれぞれと前記第１のセットの光ファイバ内の任意のファイバの間における光学的接続を提供するために前記第１および第２のＭＥＭＳミラー・アレイ内のそれぞれのミラーの位置をコントロールするためのＭＥＭＳコントロール・システム、
を包含する光スイッチ・モジュール。
【請求項２】
前記ＭＥＭＳミラー・コントロール・システムは、
前記ミラーを位置決めするために、前記ＭＥＭＳミラー・アレイ内のそれぞれのミラーのための複数の櫛歯形駆動ユニットを包含する、請求項１に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項３】
前記ＭＥＭＳミラー・コントロール・システムは、
前記ＭＥＭＳミラー・アレイ内のそれぞれのミラーのために複数の集積回路を包含し、それぞれの集積回路が、
（Ａ）バイアス電圧源、
（Ｂ）前記ミラーの前記櫛歯形駆動ユニットのうちの少なくとも１つに対してコントロールされた電位を提供するべく適合されたキャパシタ、
（Ｃ）高周波パルス幅変調器、および
（Ｄ）前記バイアス電圧源および前記キャパシタ電気的に連通する前記高周波パルス幅変調器によって駆動されるトランジスタ・スイッチを包含し、
それにおいて前記キャパシタ上の前記電位が、前記高周波パルス幅変調器によって前記トランジスタ・スイッチに提供されるパルスのパルス幅をコントロールすることによってコントロールされる、
請求項２に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項４】
前記ＭＥＭＳミラー・アレイは、２軸ＭＥＭＳミラーのアレイを包含し、
前記ＭＥＭＳミラー・アレイが、
（Ａ）前記２軸ＭＥＭＳミラーのアレイを支持するためのＭＥＭＳミラー・アレイ支持フレーム、
（Ｂ）前記支持フレームによって支持される複数のＭＥＭＳミラー・ユニットであって、それぞれのＭＥＭＳミラー・ユニットが、
（１）ミラー基体および反射表面を包含する枢動ミラー・フレーム、
（２）枢動支持フレーム、
（３）前記枢動支持フレームおよび前記枢動ミラー・フレームに堅固に接続され、かつ前記枢動ミラー・フレームの両側に位置決めされた２つの第１のねじれ要素であって、前記２つの第１のねじれ軸要素のそれぞれが、それぞれの第１の柔軟な軸要素の両側に整列された２セットのミラー・フレーム導体櫛歯を包含する、２つの第１のねじれ要素、
（４）前記枢動支持フレームから堅固に延び、かつ水平方向において前記ミラー・フレーム導体櫛歯の間に分散して位置決めされ、かつ垂直方向において前記ミラー・フレーム導体櫛歯からオフセットされた２セットの内側枢動支持フレーム導体櫛歯、
（５）前記ＭＥＭＳミラー・アレイ支持フレームおよび前記枢動支持フレームに堅固に接続され、かつ前記枢動支持フレームの両側に位置決めされた２つの第２のねじれ要素であって、前記２つの第２のねじれ要素のそれぞれが、前記２つの第２のねじれ要素のそれぞれの両側に整列された２セットの外側枢動支持フレーム導体櫛歯を包含する２つの第２のねじれ要素、
を包含する複数のＭＥＭＳミラー・ユニット、および
（Ｃ）前記ＭＥＭＳミラー・アレイ支持フレームから堅固に延び、かつ水平平面を定義する第１の平面内において前記ミラー・フレーム導体櫛歯の間に分散して位置決めされ、かつ前記水平平面と直角な方向において前記ミラー・フレーム導体櫛歯からオフセットされた、前記直角な方向が垂直方向を定義する、２セットのＭＥＭＳミラー・アレイ支持フレーム導体櫛歯を包含し、
それにおいて前記ＭＥＭＳミラー・コントロール・システムが、前記枢動支持フレーム導体櫛歯と前記ミラー・フレーム導体櫛歯の間に電位を供給するべく、および前記ＭＥＭＳミラー・アレイ支持フレーム導体櫛歯と前記外側枢動支持フレーム導体櫛歯の間に電位を供給するべく適合される、請求項１に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項５】
前記第１および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイのそれぞれが、
（Ａ）光ファイバのビーム出口および／または開口のアレイを提供するべく複数の光ファイバを整列させるためのリソグラフィにより画定されたサブ‐ミクロンのＶ字溝整列機構のアレイを包含する位置決めプレートを包含し、
（Ｂ）複数の光ファイバが前記Ｖ字溝内に固定的に位置決めされ、前記ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイにサブ‐ミクロンの位置決め精度を提供する、
請求項１に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項６】
前記第１および第２の整列ビーム・ユニットのそれぞれは、
（Ａ）光源を包含する注入ユニット、
（Ｂ）前記光源からのビームをコリメートし、コリメートされた光ビームを作るコリメータ、
（Ｃ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つを定義する第１の複数の実質的に平行な光ビームを作り出すべく前記コリメートされた光ビームをマスクするためのマスク、
（Ｄ）ビーム・スプリッタ、
を包含し、それにおいて前記第１および第２の複数の実質的に平行な光ビームおよび前記ビーム・スプリッタは、前記実質的に平行な光整列ビームの少なくとも一部のそれぞれが、前記ビーム・スプリッタにおいて交差し、通信ビームとコアライン（co-aligned）するように位置決めされる、請求項１に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項７】
前記ビーム・スプリッタは、ダイクロイック・ビーム・スプリッタである、請求項６に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項８】
前記第１および第２のビーム方向センサのそれぞれは、
（Ａ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つの中のそれぞれの整列ビームと交差するべく位置決めされたスクリーン、および
（Ｂ）前記交差の像の位置を記録するビデオ・カメラ、
を包含する、請求項１に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項９】
前記スクリーンは、ホログラフ・スクリーンである、請求項８に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１０】
前記スクリーンは、曇りガラス・スクリーンである、請求項８に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１１】
前記スクリーンは、格子パターンを有するスクリーンである、請求項８に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１２】
前記ビデオ・カメラは、ＣＣＤアレイを包含する、請求項８に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１３】
前記ビデオ・カメラはＣＭＯＳセンサを包含する、請求項８に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１４】
前記第１および第２のビーム方向センサは、前記光スイッチ・モジュール内に通信ビームを整列させるためのフィードバックの提供に利用される、請求項８に記載のセンサ・システム。
【請求項１５】
前記第１および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイのそれぞれが、
（Ａ）光ファイバのビーム出口および／または開口のアレイを提供するべく複数の光ファイバを整列させるためのリソグラフィにより画定されたサブ‐ミクロンのＶ字溝整列機構のアレイを包含する位置決めプレートを包含し、
（Ｂ）複数の光ファイバが前記Ｖ字溝内に固定的に位置決めされ、前記ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイにサブ‐ミクロンの位置決め精度を提供する、
請求項２に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１６】
前記第１および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイのそれぞれが、
（Ａ）光ファイバのビーム出口および／または開口のアレイを提供するべく複数の光ファイバを整列させるためのリソグラフィにより画定されたサブ‐ミクロンのＶ字溝整列機構のアレイを包含する位置決めプレートを包含し、
（Ｂ）複数の光ファイバが前記Ｖ字溝内に固定的に位置決めされ、前記ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイにサブ‐ミクロンの位置決め精度を提供する、
請求項３に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１７】
前記第１および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイのそれぞれが、
（Ａ）光ファイバのビーム出口および／または開口のアレイを提供するべく複数の光ファイバを整列させるためのリソグラフィにより画定されたサブ‐ミクロンのＶ字溝整列機構のアレイを包含する位置決めプレートを包含し、
（Ｂ）複数の光ファイバが前記Ｖ字溝内に固定的に位置決めされ、前記ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイにサブ‐ミクロンの位置決め精度を提供する、
請求項４に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１８】
前記第１および第２の整列ビーム・ユニットのそれぞれは、
（Ａ）光源を包含する注入ユニット、
（Ｂ）前記光源からのビームをコリメートし、コリメートされた光ビームを作るコリメータ、
（Ｃ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つを定義する第１の複数の実質的に平行な光ビームを作り出すべく前記コリメートされた光ビームをマスクするためのマスク、
（Ｄ）ビーム・スプリッタ、
を包含し、それにおいて前記第１および第２の複数の実質的に平行な光ビームおよび前記ビーム・スプリッタは、前記実質的に平行な光整列ビームの少なくとも一部のそれぞれが、前記ビーム・スプリッタにおいて交差し、通信ビームとコアライン（co-aligned）するように位置決めされる、請求項２に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項１９】
前記第１および第２の整列ビーム・ユニットのそれぞれは、
（Ａ）光源を包含する注入ユニット、
（Ｂ）前記光源からのビームをコリメートし、コリメートされた光ビームを作るコリメータ、
（Ｃ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つを定義する第１の複数の実質的に平行な光ビームを作り出すべく前記コリメートされた光ビームをマスクするためのマスク、
（Ｄ）ビーム・スプリッタ、
を包含し、それにおいて前記第１および第２の複数の実質的に平行な光ビームおよび前記ビーム・スプリッタは、前記実質的に平行な光整列ビームの少なくとも一部のそれぞれが、前記ビーム・スプリッタにおいて交差し、通信ビームとコアライン（co-aligned）するように位置決めされる、請求項３に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２０】
前記第１および第２の整列ビーム・ユニットのそれぞれは、
（Ａ）光源を包含する注入ユニット、
（Ｂ）前記光源からのビームをコリメートし、コリメートされた光ビームを作るコリメータ、
（Ｃ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つを定義する第１の複数の実質的に平行な光ビームを作り出すべく前記コリメートされた光ビームをマスクするためのマスク、
（Ｄ）ビーム・スプリッタ、
を包含し、それにおいて前記第１および第２の複数の実質的に平行な光ビームおよび前記ビーム・スプリッタは、前記実質的に平行な光整列ビームの少なくとも一部のそれぞれが、前記ビーム・スプリッタにおいて交差し、通信ビームとコアライン（co-aligned）するように位置決めされる、請求項４に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２１】
前記第１および第２の整列ビーム・ユニットのそれぞれは、
（Ａ）光源を包含する注入ユニット、
（Ｂ）前記光源からのビームをコリメートし、コリメートされた光ビームを作るコリメータ、
（Ｃ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つを定義する第１の複数の実質的に平行な光ビームを作り出すべく前記コリメートされた光ビームをマスクするためのマスク、
（Ｄ）ビーム・スプリッタ、
を包含し、それにおいて前記第１および第２の複数の実質的に平行な光ビームおよび前記ビーム・スプリッタは、前記実質的に平行な光整列ビームの少なくとも一部のそれぞれが、前記ビーム・スプリッタにおいて交差し、通信ビームとコアライン（co-aligned）するように位置決めされる、請求項５に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２２】
前記第１および第２のビーム方向センサのそれぞれは、
（Ａ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つの中のそれぞれの整列ビームと交差するべく位置決めされたスクリーン、および
（Ｂ）前記交差の像の位置を記録するビデオ・カメラ、
を包含する、請求項２に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２３】
前記第１および第２のビーム方向センサのそれぞれは、
（Ａ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つの中のそれぞれの整列ビームと交差するべく位置決めされたスクリーン、および
（Ｂ）前記交差の像の位置を記録するビデオ・カメラ、
を包含する、請求項３に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２４】
前記第１および第２のビーム方向センサのそれぞれは、
（Ａ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つの中のそれぞれの整列ビームと交差するべく位置決めされたスクリーン、および
（Ｂ）前記交差の像の位置を記録するビデオ・カメラ、
を包含する、請求項４に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２５】
前記第１および第２のビーム方向センサのそれぞれは、
（Ａ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つの中のそれぞれの整列ビームと交差するべく位置決めされたスクリーン、および
（Ｂ）前記交差の像の位置を記録するビデオ・カメラ、
を包含する、請求項５に記載の光スイッチ・モジュール。
【請求項２６】
前記第１および第２のビーム方向センサのそれぞれは、
（Ａ）前記第１または第２のセットの整列ビームのうちの１つの中のそれぞれの整列ビームと交差するべく位置決めされたスクリーン、および
（Ｂ）前記交差の像の位置を記録するビデオ・カメラ、
を包含する、請求項６に記載の光スイッチ・モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光ファイバ通信機器に関し、特に光ファイバ・スイッチおよび光ファイバ・スイッチ・モジュールに関する。
【０００２】
関連出願に対するクロスリファレンス
この出願は、この出願と同時に出願された次の関連出願、すなわち、出願番号第１１／７２８，３６２号の「ＭＥＭＳミラー・アレイ・アンド・コントロール（ＭＥＭＳ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ａｒｒａｙ  ａｎｄ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）」、出願番号第１１／７２８３４５号の「ビーム・ポジション・センサ（Ｂｅａｍ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｏｒ）」、出願番号第１１／７２８，３４４号の「オプティカル・ファイバ・アレイ・アライメント・ユニット（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｒｒａｙ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  Ｕｎｉｔ）」、および出願番号第１１／７２８，３３５号の「オプティカル・スイッチ・ウィズ・コ‐アキシャル・アライメント・ビーム（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｗｉｔｃｈ  ｗｉｔｈ  Ｃｏ‐Ａｘｉａｌ  Ａｌｉｇｎｍｅｎｔ  Ｂｅａｍ）」に関連する出願であり、これらすべては、参照によってこれに援用される。
【背景技術】
【０００３】
光ファイバ通信
この何十年かにわたって通信産業界は急激に様相を変え、またこの産業への光ファイバの組み込みは、情報が伝達される方法に大変革を起こしている。伝達メディアとして光ファイバを使用する通信システムは、過去の銅線ベースのシステムを超えるいくつかの有意な利点を提供する。それらの利点は、より高い帯域幅および伝達レート、より低い伝達損失、およびより大きな信号分離を含む。合衆国内には、何百万マイルもの光ファイバが存在する。情報は、数百万の送信機から数百万の受信機へ、このファイバの迷路を光の速度で通り、ルーティングされなければならない。
【０００４】
光ファイバ多重化および逆多重化
典型的な光ファイバ通信システムにおいては、いくつかのファイバがまとめて束ねられることがあり、束の中のファイバのそれぞれの中を運ばれる光ビーム内では多くの別々の信号が結合される。この、別々の信号を単一のファイバによって運ばれる単一のビームに結合することは、信号の多重化と呼ばれる。時分割および周波数分割多重化の両方が利用できる。典型的な光ファイバ・システムにおいては、それぞれの信号が、それとともに、システム内のトラフィック・コントロールが信号をそれの適正な行き先へ指向させることができるようにコードを運ぶ。多くの信号からなる光ビームは、通常、準最終的な行き先または最終的な行き先に到達する前にいくつかの、または多くのファイバを連続的に通って伝播する。個別の信号は多重化と呼ばれるプロセスにおいて単一のファイバに集められ、逆多重化と呼ばれるプロセスにおいてビーム内のほかの信号から分離される。この動作は、光信号の形式で送り側から受け側への情報の運搬の間に一度または数度にわたって生じることがある。
【０００５】
図１３Ａは逆多重化を、また図１３Ｂは多重化を描写している。図１３Ｃは、２つのデマルチプレクサおよび２つのマルチプレクサを伴う従来技術の静的クロスコネクトを示しており、かつ２つの別々のファイバ上において運ばれる４つの別々の波長範囲の信号が、別の２つのファイバに切り換えられることが、どのようして可能になるかを示している。単一の波長範囲を伝達し、かつほかのすべての波長範囲を反射する光フィルタは、マルチプレクサおよびデマルチプレクサ内において波長範囲の分離にしばしば使用される。周知のフィルタは、図１３Ｄに示されるとおり、薄膜フィルタである。これらのフィルタは、通常、ガラス基板上に、１つまたは複数セットの、両側に１／４波長の誘電体反射器を伴う１／２波長キャビティの薄膜を堆積させる。図１３Ｅは、１、２、および３セットの１／４波長反射器および１／２波長キャビティの結果を示している。図１３Ｆは、デマルチプレクサの作成に可能なこれらの狭帯域フィルタの使用方法を示している。マルチプレクサは、矢印によって示される方向を入れ換える結果として生じる。
【０００６】
ファイバ・ルートの調整
トラフィック・コントロールは、システムの多様な光ファイバが接続される方法を変更することなく、多くのファイバを通じて送り側から受け側への特定の信号をルーティングすることができる。しかしながら特定のファイバ・ルートが輻輳するに従って、輻輳を軽減するべく、または信号をより効率的にルーティングするべくファイバ間の接続が修正されなければならない。これは光ファイバ・スイッチの仕事である。この動作は、ファイバ・スイッチ・ユニット内においてファイバ間の実際の接続を変更することによって行うことが可能である。従来的には光ファイバを通る光ビーム・ルートの高速切り換えが、第１のファイバからスイッチに入る光信号の検出、および第２の光ファイバにわたる伝達のための新しい光信号の作成に使用される電気信号への変換のためのハイブリッド光‐電気‐光スイッチを使用して達成されている。
【０００７】
ＭＥＭＳミラー
ＭＥＭＳミラーは、リソグラフィにより作成されたミラーであり、類似のリソグラフィのテクニックを用いて作成された集積回路を通って印加される電圧信号を用いて作動される。これらのミラーは、通常、非常に小さく、ミリメートル単位の寸法をとるか、またはミリメートルに満たない寸法を有する。それらは、多様な反射素子の適正な角度的整列に必要とされる極めて狭い許容範囲を伴って設計され、かつ一般に非常に高度なフィードバック・コントロール・システムを必要とする。
【０００８】
自動完全光クロスコネクト・スイッチ
最近は、１つのファイバから別のそれへ光信号を直接切り換え、それによって光信号を暫定的な電気信号に変換する必要性が排除される多数の光クロスコネクト・スイッチが利用可能となった。それらの光スイッチは、ミラー、プリズム、ファイバ・コリメータといった多様な光スイッチ素子および複雑な駆動メカニズムを組み込み、当該スイッチを通る光信号のルーティングを行う。いくつかの光スイッチについては、ＭＥＭＳミラーが利用されている。完全光スイッチは、本発明の特徴のいくつかと類似の特徴を含む最近発行された特許、すなわち、特許文献１の「オプティカリィ・アドレスドＭＥＭＳ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ  Ａｄｄｒｅｓｓｅｄ  ＭＥＭＳ）」、および特許文献２の「ポーラス・シリコン・フィルタ・フォア・ウェーブレングス・マルチプレキシング・アンド・デマルチプレキシング（Ｐｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｌｔｅｒ  ｆｏｒ  Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ  ａｎｄ  ＤｅーＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）」の中に述べられており、これらの文献は、両方ともに参照によってこれに援用される。
【０００９】
完全光自動クロスコネクト・スイッチの応用
完全光クロスコネクト・スイッチの周知の用途は（１）自動化されたファイバ・パッチ・パネル内における基本構成要素としての使用、（２）再構成可能光アド・ドロップ・マルチプレクサ（ＲＯＡＤＭ）システムの構成要素としての使用、および（３）光学的構成要素およびシステムの自動テストおよび測定のための使用を含む。
【００１０】
自動化されたファイバ・パッチ・パネル
自動化されたファイバ・パッチ・パネルは、通信ルートが設定され、かつ修正される光ファイバ通信ネットワークの構成要素である。これらのパネルは、コンピュータ・コントロールされて、過負荷を回避し、かつ障害状態に対して迅速に応答するべくネットワークの効率を維持することが可能である。
【００１１】
再構成可能光アド・ドロップ・マルチプレクサ
個別のファイバが多くの別々の信号を運んでいるとき、ネットワークは、当該ファイバへの新しい信号の追加、およびほかの信号の抽出（取り出し）を提供しなければならない。図１３Ｇは、マルチプレクサおよびデマルチプレクサからなるが、スイッチのないアド‐ドロップ・ユニットを示している。このユニットは静的なユニットとして考えられ、操作員がそれを再構成することを必要とする。図１３Ｈは、類似のユニットであるが、遠隔作動または自動的に動作させるプログラムが可能な光スイッチを伴う。このユニットは、追加される波長のコントロールを可能にする可調トランスポンダを含む。図１３Ｉは、ファイバ間における信号の切り換えをはじめ、ローカル・サービスのための信号の追加および取り出しをコントロールするための４つの独立した光スイッチを包含するＲＯＡＤＭを示している。
【００１２】
テストおよび測定
自動化された完全光クロスコネクト・スイッチは、概して光構成要素のテスト、特に厖大なメッセージを同時に運ぶ典型的な通信ネットワークの構成要素を大幅に単純化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第７，１９０，５０９号明細書
【特許文献２】米国特許第７，１７７，４９７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
通信産業界が、ますます多くの顧客にサービスを提供するべく開発および成長を続けていることから、大規模で信頼できる光スイッチへの必要性が増加している。その結果、既存の通信システムへの容易な統合が可能であり、かつ入力ファイバのアレイ内のそれぞれのファイバから出力ファイバのアレイ内のそれぞれのファイバへの光信号の信頼性のある切り換えが可能であり、かつこの切り換えの迅速な達成が可能な、最小の電力損失および最小のチャンネル当たりのコストを伴う光クロスコネクト・スイッチが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
クロスコネクト・スイッチ
本発明は、第１のセットの光ファイバ内の光ファイバから第２のセットの光ファイバ内の光ファイバにクロスコネクトするためのＭＥＭＳミラーを利用した完全光クロスコネクト・スイッチを提供する。光ファイバは、好ましく、矩形のアレイに並べられる。これらのアレイは、４×８、１６×１６、および８×１６といったアレイ・サイズを含む。出願人らによって構成され、かつテストされた好ましい実施態様は、モジュラ光スイッチであり、１６本の８ファイバ・リボンからなる８×１６の入力光ファイバ・アレイが、同じく１６本の８ファイバ・リボンからなる８×１６の出力光ファイバ・アレイにクロスコネクトされる。
【００１６】
ＭＥＭＳミラー・アレイ
本発明のクロスコネクト・スイッチは、２つのＭＥＭＳミラー・アレイを含む。好ましい実施態様においては、それらのＭＥＭＳミラーのそれぞれが、２つの軸内において垂直櫛形駆動アクチュエータによって駆動される。
【００１７】
ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ
第１のセットの光ファイバ内の光ファイバは、第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ内において精密に位置決めされて第１のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスを定義し、それぞれのコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスが第１のセットの光ファイバ内の光ファイバを第１のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーに接続する。第２のセットの光ファイバ内の光ファイバは、第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ内において精密に位置決めされて第２のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスを定義し、それぞれのコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスが第２のセットの光ファイバ内の光ファイバを第２のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーに接続する。これらの平行なコリメートされたビーム・パスは、第１の位置決めアレイ内のそれぞれの光ファイバがそれ独自の対応するマイクロレンズを第１のマイクロレンズ・アレイ内に有するように、かつ第２の位置決めアレイ内のそれぞれの光ファイバがそれ独自の対応するマイクロレンズを第２のマイクロレンズ・アレイ内に有するように第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイと第１のマイクロレンズ・アレイの間の対応、および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイと第２のマイクロレンズ・アレイの間の対応を設定する。
【００１８】
同軸整列ビーム
第１のセットの整列ビームが、第１のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビームのそれぞれに追加され、かつ同軸に整列される。第２のセットの整列ビームが、第２のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビームのそれぞれに追加され、かつ同軸に整列される。
【００１９】
ダイクロイック・ミラー
本発明の好ましい実施態様においては、ダイクロイック・ミラーが配置され、第１のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーからの通信ビームを反射し、かつ第２のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーからのクロスコネクト通信ビームを反射し、かつ第１のセットの整列ビームおよび第２のセットの整列ビームを透過させる。
【００２０】
ＭＥＭＳコントロール・システム
ＭＥＭＳコントロール・システムが提供され、第１のセットの光ファイバ内の任意の光ファイバを、第２のセットの光ファイバ内の任意の光ファイバに光接続するべく第１および第２のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーを位置決めする。好ましい実施態様においては、ＭＥＭＳコントロール・システムが、第１のＭＥＭＳミラー・アレイ内のそれぞれのＭＥＭＳミラーを、ダイクロイック・ミラーを離れたクロスコネクト通信ビームを第１のセットの光ファイバ内のそれに対応するファイバから第２のセットの光ファイバ内の任意の選択された光ファイバに対応する第２のセットのＭＥＭＳミラー内のＭＥＭＳミラー上に反射するように位置決めし、かつ第２のセットのＭＥＭＳミラー内の対応するＭＥＭＳミラーを位置決めして通信ビームを第２のセットの光ファイバ内のそれに対応する光ファイバに指向させるべく適合される。好ましい実施態様においては、ミラーが、第１のセットの光ファイバと第２のセットの光ファイバ内の光ファイバ間に望ましい光通信パスを設定するために、個別のミラーの櫛形駆動アクチュエータに印加される調整電位によってコントロールされる。
【００２１】
ビーム方向センサ
好ましい実施態様においては、ＭＥＭＳコントロール・システムが、ダイクロイック・ミラーを通って透過される第１のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビームを検出するべく位置決めされた第１のビーム方向センサ・ユニット、およびダイクロイック・ミラーを通って透過される第２のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビームを検出するべく位置決めされた第２のビーム方向センサ・ユニットを含む。特定の好ましい実施態様においては、ビーム方向センサ・ユニットのそれぞれが、整列ビーム検出スクリーンおよび当該ユニットの観察スクリーンと整列ビームが交差する位置を見るためのビデオ・カメラをそれぞれ含む。それらの実施態様においては、ＭＥＭＳコントロール・システムが、２セットの光ファイバの間にそれぞれの望ましい光パスを提供する上で櫛形駆動アクチュエータに印加されるべき適切な電位を決定するために、ペアのＭＥＭＳミラー（２つのＭＥＭＳミラー・アレイのそれぞれから１つ）の閉ループ調整を提供するべくプログラムされたプロセッサを含む。出願人らのテストは、較正が実行された後は正常な条件下においてビーム・パス内に非常にわずかなドリフトしか存在しないことを明らかにした。しかしながら環境状態における有意の変化が再較正を要求することがあり得る。いくつかの実施態様においては、周期的に、または操作員の指示時に自動的に自己再較正を行うべくスイッチを適合することができる。
【００２２】
Ｖ字溝ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ
好ましい実施態様においては第１および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイが、リボン光ファイバのセットを整列させるためのリソグラフィにより画定されたサブ‐ミクロンのＶ字溝整列機構を伴う位置決めプレート含む。ファイバは、最初にＶ字溝内に位置決めされ、続いて適正位置に接着され、その後それらのファイバの端部が位置決めプレートの出口表面とともに滑らかに研磨され、かつマイクロレンズ・アレイと整合されて、サブ‐ミクロンの位置決め精度を伴ったファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイを提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）整列カメラを適正位置に伴う本発明の好ましい実施態様の斜視図、（ｂ）整列ビーム挿入構成要素の特徴を示した斜視図、（ｃ）整列ビーム挿入構成要素の特徴を示した斜視図
【図２】（ａ）本発明の好ましい実施態様の部分の斜視図、（ｂ）平面図
【図３】（ａ）追加の整列ビーム機構およびテスト結果を示した説明図、（ｂ）追加の整列ビーム機構およびテスト結果を示した説明図、（ｃ）追加の整列ビーム機構およびテスト結果を示した説明図
【図４】（ａ）モジュラ形式における好ましい実施態様のサイズを成人の手に対して示した説明図、（ｂ）ＲＯＤＡＭ応用、パッチ・パネル応用、およびテストおよび測定ユニット内において利用される好ましいモジュールをそれぞれ示した斜視図、（ｃ）ＲＯＤＡＭ応用、パッチ・パネル応用、およびテストおよび測定ユニット内において利用される好ましいモジュールをそれぞれ示した斜視図、（ｄ）ＲＯＤＡＭ応用、パッチ・パネル応用、およびテストおよび測定ユニット内において利用される好ましいモジュールをそれぞれ示した斜視図
【図５Ａ】好ましい光スイッチ内の光パスを示した説明図
【図５Ｂ】好ましい光スイッチ内の光パスを示した説明図
【図５Ｃ】好ましい光スイッチ内の光パスを示した説明図
【図６Ａ】好ましいＶ字溝ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイの特徴を示した説明図
【図６Ｂ】好ましいＶ字溝ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイの特徴を示した説明図
【図６Ｃ】好ましいＶ字溝ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイの特徴を示した説明図
【図７】ＭＥＭＳドライバ・コントロール回路を示した回路図
【図８Ａ】出願人らによって設計されたＭＥＭＳミラー・アレイを示した平面図
【図８Ｂ】ＭＥＭＳミラー・アレイの部分拡大図
【図８Ｃ】ＭＥＭＳミラー・アレイの部分拡大図
【図８Ｄ】ＭＥＭＳミラー・アレイの部分拡大図
【図９Ａ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｂ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｃ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｄ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｅ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｆ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｇ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｈ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｉ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｊ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図９Ｋ】ＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーのための垂直櫛形駆動機構の１つの作成に使用される重要なリソグラフィの段階の実例を示した説明図
【図１０】コントロール・システムを示したブロック図
【図１１】全国規模の光ファイバ・ネットワークを示した説明図
【図１２Ａ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｂ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｃ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｄ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｅ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｆ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｇ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｈ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｉ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１２Ｊ】多重化および逆多重化のための多孔質シリコン・フィルタの使用についての概念を示した説明図
【図１３Ａ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｂ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｃ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｄ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｅ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｆ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｇ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｈ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【図１３Ｉ】従来技術の多重化テクニックを示した説明図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
第１の好ましい実施態様
図１は、２として本発明の第１の好ましい実施態様の特徴の斜視図を示す。この第１の好ましい実施態様は、光スイッチ・モジュール２である。それのサイズおよび全体的な形状は、図４（ａ）にある図によって成人の手との比較として説明されている。この光スイッチ・モジュール２は、第１の１２８本（８×１６）の光ファイバ束、たとえば図１に示されるところの束４のファイバによって運ばれる光通信ビームを、第２の１２８本の光ファイバ束、たとえば束６のファイバに切り換えるために設計された。束４の任意のファイバ内のビームは、束６の任意のファイバへの切り換えが可能である。このスイッチは対称であり、かついずれの方向でも動作可能であるため、束６の任意のファイバを束４の任意のファイバに切り換えることが可能である。
【００２５】
ここでは、しばしば束４内のファイバを入力ファイバであると言い、かつ束６内のファイバを出力ファイバであると言うが、このスイッチが、束６内のファイバを入力ファイバとし、かつ束４内のファイバを出力ファイバとしてまったく同じく働くことを認識してのことである。また、いくつかの場合においては、単一のファイバ・リンクが、同時に両方向に流れる通信ビームを有することができる。加えて、いくつかの構成においては、束４および束６内のファイバ間のリンクがいくつかのファイバについて４から６となり、ほかのファイバでは６から４となることがあり得る。この明細書および請求の範囲においては、出願人らが光ファイバによって運ばれる光ビームを、主としてそれらを『整列ビーム』から区別するために『通信ビーム』と呼んでいるが、光ファイバによって運ばれるビームを、それらが１つの場所からほかの場所に情報を特に運ばないことから通常の意味において一概に通信ビームと見なすことができない本発明の応用は存在し得る。それにもかかわらず、この明細書および請求の範囲の目的のために、束４および６内の光ファイバによって運ばれるすべての光ビームを通信ビームであると考える。
【００２６】
このモジュールは、図４（b）に示されるとおり、再構成可能アド‐ドロップ応用において、標準通信パネルへの挿入用のライン・カードへの容易な統合のために設計される。モジュールは、図４（c）に示されるとおり、パッチ・パネル内での利用が可能であり、かつ『全国規模の光ファイバ・ネットワークにおける応用』と題したこの説明のセクションの中で論じられているもののように、それぞれのファイバが多くの別々の周波数で情報を運ぶ大規模な全国規模の通信システム内で利用可能である。またこのスイッチは、図４（ｄ）に示されるとおり、テストおよび測定パネル内に取り付けることによって、構成要素のテストおよびシステムの監視のためのツールとしても有用となる。
【００２７】
図１（b）、図１（c）、図２（ａ）、および図２（b）に示されている好ましい実施態様の重要な構成要素は、整列ビーム・ユニット８および１０、ダイクロイック・ビーム・スプリッタ２４、および整列スクリーンおよびＭＥＭＳミラー・アレイ２０および２２である。カメラ・ユニット１６および１８は図５Ａに示されている。
【００２８】
ファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ
第１のセットの光ファイバ内の光ファイバは、図２（ａ）および図２（b）に示されているとおり、第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ・ユニット８内において精密に位置決めされて第１のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスを定義し、それぞれのコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスが第１のセットの光ファイバ内の光ファイバを第１のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーに接続する。第２のセットの光ファイバ内の光ファイバは、第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ１０内において精密に位置決めされて第２のセットの平行なコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスを定義し、それぞれのコリメートされたクロスコネクト通信ビーム・パスが第２のセットの光ファイバ内の光ファイバを第２のＭＥＭＳミラー・アレイ内のＭＥＭＳミラーに接続する。
【００２９】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、好ましいファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ・ユニットの特徴を示している。好ましいスイッチにおいては、２つのファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイのそれぞれ、および２つのマイクロレンズ・アレイのそれぞれが、出願人らが１‐１とラベル付けした図６Ｃに示されるところの左上から開始し、右下の１６‐８に至る整合８×１６マトリクスを定義する。対応するマトリクス番号のいくつかは、図８ＢのＭＥＭＳミラーの図画に示されている。これらの平行なコリメートされたビーム・パスは、類似したラベル付けが行われる第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイと第１のマイクロレンズ・アレイの間の対応、および第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイと第２のマイクロレンズ・アレイの間の対応を、第１の位置決めアレイ内のそれぞれの光ファイバがそれ独自の対応するマイクロレンズを第１のマイクロレンズ・アレイ内に有し、かつ第２の位置決めアレイ内のそれぞれの光ファイバがそれ独自の対応するマイクロレンズを第２のマイクロレンズ・アレイ内に有するように設定する。好ましい実施態様においては、第１と第２のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ・ユニットがまったく同じになる。
【００３０】
Ｖ字溝位置決めプレート
これらの好ましいファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイの詳細は、図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃに説明されている。これらのユニットは、１６本の標準的な８ファイバ・リボン内の、それぞれのファイバが１２５ミクロンのコアを有する光ファイバを容易かつ精密に位置決めするべく設計される。図６Ｂにおいては、それらのリボンが４Ａに示され、個別のファイバが４Ｂに示され、ファイバの束が４に示されている。位置決めプレート７Ａは、リソグラフィのテクニックを使用して作られたシリコンからなるプレートでなる。プレート７Ａは、光スイッチ・モジュール内のファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・ユニットをマウントするためのマウント・スロットを含むマウント・プレート７Ｂ上にマウントされる。細長い水平スロット８が、１６本のリボンのそれぞれの中の８本のファイバのために提供されている。細長いスロット８の底面には精密Ｖ字溝スロット８Ａが切り込まれている。これらのスロットは、すべて図６Ａに示されているとおり、２５０ミクロンの幅の垂直側面８Ｂを有し、溝の底面には４５度のＶ字セクション８Ｃを伴う。スロットの水平方向における中心間隔は２ミリメートルであり、かつスロットの垂直方向における中心間隔は１ミリメートルである。それぞれの行内のＶ字溝スロットは、図６Ｂに示されるとおり、直近の隣接行内のスロットからオフ‐セットされており、したがってアレイの断面寸法は、１５ミリメートル×１５ミリメートルとなる。これらの好ましい実施態様においては、個別のファイバがスロット内に挿入され、かつＶ字溝内に精密に配置されて適正位置に接着される。ファイバの堅固な配置が得られた後、それらのファイバの端部が切断され、かつその後、はみ出している過剰な接着剤が研磨されて取り除かれ、それぞれのファイバについて精密な直角の出口表面が得られる。
【００３１】
マイクロレンズ・アレイ
これらの好ましい実施態様においては、同じくリソグラフィのテクニックを使用して精密に作られた、Ｖ字溝位置決めプレート内のファイバの位置に対応するべく精密に位置決めされたマイクロレンズ・アレイを伴う８×１６のマイクロレンズ・アレイ９が提供される。それぞれのレンズは、約１．１ミリメートルの直径および３．７ミリメートルの焦点距離を有する。図示されていない精密スペーサが使用され、Ｖ字溝位置決めプレート内のファイバの端部から約３．７ｍｍのところにレンズが位置決めされるようにマイクロレンズ・アレイの位置決めが行われる。マイクロレンズ・アレイ９の位置決め時に、スイッチを通過して一方のファイバ束から他方に至る通信ビームのウエストが、図１（ａ）および図５Ａ、５Ｂ、および図５Ｃに示されているとおり、妥当に実行可能な限りダイクロイック・ミラー２４の近くに配置されるように最終的な精密な位置が選択される。
【００３２】
同軸整列ビーム
本発明の好ましい実施態様は、ファイバ束４および１６両方のそれぞれのファイバを出たビームのそれぞれと同軸で整列される整列ビームを提供するための手段を含む。これらの整列ビームを提供するための特定のテクニックが、図１（ａ）、図１（b）、および図１（c）に示されている。整列テクニックは、図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃを参照して説明する。図１（ａ）に示されているとおり、この好ましい実施態様は、ファイバ束４からの通信ビームを整列させるための整列ユニット１０、およびファイバ束６からの通信ビームを整列させるための整列ユニット１２を含む。整列ユニット１２は、図１（b）にも示されており、それのカット・アウェイ図が図１（c）に示されている。ユニット１２は、１２Ｆに示されている８５０ｎｍの近赤外線で動作し、かつ約３０度のビームの開きを有する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等の『点』可視光源を伴う注入ユニット１２Ａを含む。この光源からのビームは、コリメータ光学素子１２Ｂを用いてコリメートされ、約１６ミリメートル×１６ミリメートルの断面寸法を伴うコリメートされたビームとなる。このコリメートされたビームは、１２８個の直径が０．６ｍｍの開口を有するマスク１２Ｃを用いて１２８の別々のビームに分けられるが、それらの開口は、１２８個の別々の平行なビームをファイバ束６からの通信ビームと整列させるべく位置決めされている。実際の整列は、通信ビームを通過させ、整列ビームを反射するダイクロイック・ビーム・スプリッタ１２Ｄにおいて生じる。
【００３３】
ＭＥＭＳミラーのビーム・コントロール
好ましい実施態様においては、通信ビームが、スイッチ・モジュール内において２つのＭＥＭＳミラー・アレイ２０および２２を用いて指向される。それらの２つのアレイはまったく同じである。ＭＥＭＳミラー・アレイ２０は、図８Ａに示されている。ミラーの位置は、ファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・ユニット８および１０内のマイクロレンズおよびファイバの位置に精密に対応する。図８Ａの左上コーナの拡大図が図８Ｂに示されており、ミラーのうちの１つ（ミラー３‐１）をさらに拡大した図が図８Ｃに示されている。図８Ｄは、図８Ｃのミラーの１つの、垂直櫛形駆動機構の１つ、すなわち駆動機構６０をさらに拡大して示している。ＭＥＭＳミラーを製造するためのテクニックは周知であり、かつ従来技術の中で良好にレポートされている。本発明のＭＥＭＳミラーは、本発明の好ましい実施態様の優れた性能を生み出すべく適合された特別な特徴を含む。図８Ｃに示されているとおり、それぞれのＭＥＭＳミラーの金の反射表面８０は、２つの軸周りに枢動することが可能であり、第１の軸８２周りに内側フレーム８４が枢支され、第２の軸８６周りに反射表面８０が枢支される。軸に取り付けられた櫛歯は、フレームに取り付けられた『固定』櫛歯（図８Ａ、図８Ｂ、および図８Ｃにおいては白地で示されている）の下側に位置決めされている。０〜２００ボルトの電位が、下側の櫛歯を『固定』櫛歯の間に引き上げさせ、それがそれぞれの軸周りにミラー表面を枢動させる。
【００３４】
櫛形駆動機構の製造テクニック
図に示されたＭＥＭＳミラー用の櫛形駆動機構を製造するための特別な好ましいテクニックを、図９Ａ〜図９Ｋに関して説明する。図９Ａに示されているとおり、プロセスは、厚さ３８０ミクロンの単結晶シリコンのハンドル層３４の上に２つの厚さ２５ミクロンの単結晶シリコン層３０および３２を有するウェファを伴って開始する。これら３つのシリコンの層は、１．５ミクロンの埋め込み酸化物絶縁層３６および０．５ミクロンの埋め込み酸化物絶縁体３８によって分離されている。シリコン層はすべてドープされ、それらの電気抵抗率は、約１０〜２０ミリオーム・センチメートルの範囲まで下げられる。図９Ｂに示されているとおり、ＳｉＯ２層４０が追加され、それが、フォト・レジストおよびコンタクト・マスクを使用してパターン形成され、図９Ｃに示されているパターン４２を作り出す。次に、図９Ｄに示されているとおり、レジスト・マスク４４があてがわれて図９Ｄに示されているとおりに酸化物パターン４２の一部を覆う。このマスク・パターン４２の修正は、この段階および続くいくつかの段階が櫛形駆動機構内の極めて細い櫛形素子が適正に整列されることを保証することになるため、非常に重要である。図９Ｅに示されているとおり、図９Ｄにおいて置かれたマスクが使用されて、図９Ｃの段階で置かれた酸化物パターンの一部がエッチングにより取り除かれる。次に、図９Ｆに示されているとおり、深堀り反応性イオン・エッチングが使用されて、同じマスク・パターン４４を使用したシリコン層３０のエッチングが行われる。このエッチング段階がウェファ表面と酸化物の層３６の間のシリコンを完全に取り除いた後、図９Ｇに示されるとおり、図９Ｄの段階において宛がわれたフォト・レジストが取り除かれる。ブランケット酸化物のエッチングが適用され、露出されたすべての埋め込み酸化物が取り除かれるが、充分な修正されたマスク４２が残され、それの下にあるシリコンが、図９Ｊに示される、その後に続くシリコン・エッチング段階から保護される。次に、裏面エッチングが適用されて、図９Ｉに示されているとおり、シリコン層３２の下にあるハンドル３４および酸化物の層３８のほとんどが取り除かれる。その後、図９Ｊに示されるとおり、ウェファが一時的にハンドル・ウェファ上にマウントされ、かつシリコン層３０および３２の保護されていない部分がエッチングにより取り除かれる。また、酸化物エッチングが適用されて、櫛歯の上端から酸化物の層が取り除かれ、図９Ｋに示されているとおり、櫛歯が残される。背の高い櫛歯５０は、ＭＥＭＳミラーのフレームの部分であり、かつＭＥＭＳフレームの固定された部分、またはＭＥＭＳミラーの中心フレーム要素になる。短い櫛歯は、後に論ずるとおり、電位が印加されるときにミラー素子とともに動くことになる。背の高い櫛歯が、図８Ｄにおいては５０に白色で示されており、短い可動櫛歯が、図８Ｄにおいては５２に黒色で、細い白色ラインの輪郭付きで示されている。これらは、図８Ｃに示されているとおり、ＭＥＭＳミラーの金のミラー表面８０とともに回転する櫛歯である。
【００３５】
ここで注意されたいが、背の高い櫛歯５０は、絶縁層４５によって２つの導体シリコン部分４７および４３に分割されている。ＭＥＭＳミラーのコントロールの間においては、０と２００ボルトの間の電位が、背の高い『固定』櫛歯のシリコン部分４７と短い可動櫛歯５２の間に印加される。これは、反射ミラー表面を傾斜させるために背の高い『固定』櫛歯のシリコン部分４７の間に可動櫛歯５２を引き上げる電気的引力を作り出す。
【００３６】
ＭＥＭＳミラーのコントロール
ＭＥＭＳミラーをコントロールするための好ましい回路が図７に示されている。それぞれの櫛形駆動ユニット用に２つの回路が必要になる。１２８個のミラーのそれぞれについて、２つの軸のそれぞれのために２つの櫛形駆動ユニットが存在する。したがって、この実施態様では、１２８個のミラーのコントロールに１０２４個の回路が必要となる。好都合なことに、図７に示されている回路の構成要素が非常に廉価であり、すべての構成要素について数セントしか掛からない。図に示されているとおり、回路には２００ボルトのバイアスが提供される。この２００ボルトのバイアスは、キャパシタＣ２を、トランジスタＸ１９が『オフ』状態のときにのみ充電する。トランジスタＸ１９が『オン』のときは、キャパシタＣ２とグラウンド・ノードの間に放電パスができる。トランジスタＸ１９は、図に『２Ｋｈｚ  ＰＷＭ』として示されている２キロヘルツのパルス幅変調器を用いてオンおよびオフされるが、それもまた（出願人らのプロトタイプのユニットにおいては）現場プログラム可能なゲート・アレイまたはプログラム可能ロジック・デバイス（いずれも図示せず）によってコントロールされる。キャパシタＣ２上の電位は、ＭＥＭＳミラーのうちの１つの櫛形駆動機構のうちの１つの位置を決定する。この電位は、０ボルトと２００ボルトの間の任意の電位にすることが可能である。キャパシタ２Ｃ上の電位は、図７に示される２Ｋｈｚのパルス幅変調器の変調に依存する。秒当たり２，０００パルスのそれぞれの幅が最大であるときには、トランジスタＸ１９が継続的に『オン』となり、Ｃ２上のボルト数がほぼゼロになる。秒当たり２，０００パルスのそれぞれの幅が最小であるときには、トランジスタＸ１９が継続的に『オフ』となり、かつＣ２上のボルト数がほぼ２００ボルトになる。パルス幅は、最小と最大の間において変化させて、キャパシタＣ２上の電位を２００ボルトからゼロ・ボルトまで変化させることが可能である。ＭＥＭＳミラー３‐１等のＭＥＭＳミラーの傾斜は、それぞれのミラーの位置をコントロールする４つの垂直櫛形駆動ユニットに印加されるボルト数に依存する。
【００３７】
ＭＥＭＳミラーのそれぞれは、束４内の任意のファイバを束６内の任意のファイバに接続するために必要とされるところのビームの指向に充分な作用範囲を有する。
【００３８】
ビーム方向センサ
好ましい実施態様においては、ＭＥＭＳコントロール・システムが、図１（ａ）に示されるとおり、ファイバ束４からの通信ビームとコアライン（co-aligned）される第１のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビーム、すなわち注入ユニット１０から伝達され、ＭＥＭＳミラー・アレイ・ユニット２０によって反射され、かつダイクロイック・ミラー２４を透過した整列ビームを検出するべく位置決めされた第１のビーム方向センサ・ユニット１６を含む。この実施態様は、ファイバ束６からの通信ビームとコアライン（co-aligned）される第２のセットの整列ビーム内のそれぞれの整列ビーム、すなわち注入ユニット１２から伝達され、ダイクロイック・ミラー２４を透過した整列ビームを検出するべく位置決めされた第２のビーム方向センサ・ユニット１８も含む。特定の好ましい実施態様においては、ビーム方向センサ・ユニットのそれぞれが、整列ビーム検出スクリーン６０または６２および当該ユニットの観察スクリーンと交わる整列ビームの位置を見るためのビデオ・カメラ６４または６６をそれぞれ含む。スクリーンは、整列ビームを用いて照明されたときに画像を作る広範多様なスクリーンのいずれとすることも可能である。図３（ｂ）は、多様なスクリーン候補を用いて生成されたテスト結果を示す。結果は、ミラーの角度の関数としてプロットされている。図３（ａ）は、ビームの交差側と反対側からスクリーンを見た典型的な照明パターンを示している。これらは、曇りガラスおよび多様なディフューザを含む。好ましいスクリーンは、カリフォルニア州トーランスに本社を置くルミニット社（Ｌｕｍｉｎｉｔ）によって供給されているホログラフ・ディフューザである。図３（c）は、ビーム方向センサ・システムの図解を提供する。注意される必要があるが、この好ましい実施態様のスクリーンは、ミラー・アレイ２０および２２、およびファイバ‐マイクロレンズ・アレイ８および１０に対応する８×１６のパターンを伴う１２８のビームを検出するべく適合されることになる。
【００３９】
これらの実施態様においては、ＭＥＭＳコントロール・システムが、２セットの光ファイバの間にそれぞれの望ましい光パスを提供する上で櫛形駆動アクチュエータに印加されるべき適切な電位を決定するために、ペアのＭＥＭＳミラー（２つのＭＥＭＳミラー・アレイのそれぞれから１つ）の閉ループ調整を提供するべくプログラムされたプロセッサを含む。出願人らのテストは、較正が実行された後は正常な条件下においてビーム・パス内に非常にわずかなドリフトしか存在しないことを明らかにした。しかしながら環境状態における有意の変化が再較正を要求することがあり得る。いくつかの実施態様においては、周期的に、または操作員の指示時に自動的に自己再較正を行うべくスイッチを適合することができる。
【００４０】
ビームの指向
図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃは、上で詳細を説明した好ましい実施態様の動作のいくつかの簡単な図解を示している。図５Ａは、束１の列１内のファイバと束６の列８内のファイバの接続を図解している。注意される必要があるが、カメラ６４および６６は、コアライン（co-aligned）された、ダイクロイック・ミラー２４を通過した整列ビームを検出してＭＥＭＳミラー・コントロールにＭＥＭＳミラーの位置を調整するフィードバックを提供し、ビームのパスが正しいものであることを保証する。図５Ｂは、同じ入力ファイバとファイバ‐マイクロレンズ・アレイの中心に近い列の１つの中のファイバの間における接続を実例で示しており、図５Ｃは同じ入力ファイバとファイバ‐マイクロレンズ・アレイの列１内のファイバの間における接続を実例で示している。ここでは、図５Ｂおよび５Ｃ内の整列ビームの位置に注意する必要がある。
【００４１】
全国規模の光ファイバ・ネットワークにおける応用
参照によってこれに援用されている米国特許出願第１０／６７７，５９０号は、完全光スイッチを利用した全国規模の高速通信ネットワークについて述べている。ここで述べられているスイッチは、当該出願の中で述べられているものに類似したネットワークにおいて非常に良好に機能する。’５９０出願の中で述べられている好ましい実施態様においては、それぞれのファイバ内のビームの中心波長が約１．５７ミクロン（１９３．１ＴＨｚに対応する）であり、１５，０００ＧＨｚ（１８６，０００ＧＨｚと２０１，０００ＧＨｚの間）の有効帯域幅を伴う。最大で３００個の別々の通信チャンネル（それぞれ５０ＧＨｚ）をそれぞれのファイバの中のビーム内において運ぶことができる。３００個の別々のチャンネル（それぞれ５０ＧＨｚ）のそれぞれは、それよりさらに小さい、たとえば４ＧＨｚのスペーシングを伴う６つのサブ周波数範囲といった周波数範囲に分割することが可能である。これは、それぞれのファイバ内において１２００の信号が同時に伝達されることを可能にし、したがって束当たり２５６本のファイバを用いれば、ファイバ束ごとに３００，０００を超える別々の信号を同時に伝達することが理論的に可能になる。これらの信号は、送り側の場所において別々に入力されて合成ビームを作り、かつほかのすべての信号から分離されて、それぞれの信号の受け側によって受信されなければならない。これは、周波数分割多重と呼ばれる。時分割多重は、任意の特定の時間期間の間に扱われることが可能な多数の別々の通信の追加の増加を可能にする。
【００４２】
図１１は、’５９０特許出願の図１からの修正バージョンである。ここでは、エンド・ユーザが２５０の地域コードの１つに割り当てられており、それぞれが概略で等しい数のエンド・ユーザを伴う全国規模のネットワークを考える。たとえば、地域コード＃１がサンディエゴに、＃４０がシアトルに、＃２００がワシントンＤ．Ｃ．に、＃２４０は国際ユーザのいずれかのサブセットに割り当てられている。提案されているネットワークは、地域コード当たり約４００，０００のユーザ・ノードを有することが可能である。図１に見られるとおり、それぞれの地域コードに関連付けされた光クロスコネクト・スイッチ２Ｋが、メッシュ・ネットワーク内において互いに結びつけられたメッシュ・ノード４Ｋに配置されており、任意の特定地域コードから任意のほかの地域コードへの光信号の切り換えを可能にする。この特定のメッシュ・ネットワークは、すでに設置済みの都市間ファイバ幹線を最大に利用することになる。
【００４３】
この好ましい実施態様においては、すべての長距離通信が、約１．５７ミクロン（約１９３．１ＴＨｚに対応する）に中心を置く波長範囲内で動作する光ファイバを通る。ネットワークは、１８６ＴＨｚと２０１ＴＨｚの間の周波数において動作するべく設計され、合計の帯域幅は１５，０００ＧＨｚとなる。５０ＧＨｚのスペーシングにおいては、これが光ファイバごとに３００の『カラー（color）』チャンネルを提供する。４本の独立したファイバでは、合計で１２００の通信チャンネルが提供される。
【００４４】
この実施態様においては、それぞれの地域コードに出入りする１２００の独立した広帯域通信チャンネル（それぞれが、１５ＧＨｚの有効光帯域幅を伴う）が存在する。ここではこれらの広帯域チャンネルをファイバカラー（ＦｉｂｅｒＣｏｌｏｒ）と呼ぶが、それらは、３００の異なるＤＷＤＭ波長（標準の５０ＧＨｚのスペーシング）として４本の独立したファイバ上に振り分けられる。好ましい光ネットワークは、１５７０ｎｍ（１９３．１ＴＨｚ）の中心周波数においてＣおよびＬバンドで動作する。したがって、地域コードとそれの対応するスイッチの間には８本の光ファイバ、すなわち図１１の６Ｋに示されているとおり、出側トラフィックのための４本および入り側トラフィックのための４本が存在する。
【００４５】
１２００のファイバカラーを地域コード数（３００）によって除したとすれば、地域コード当たり平均で４．８のファイバカラーを有する。しかしながら、任意の特定の地域コード（たとえば、サンディエゴ）からの１２００の出側ファイバカラーは、ファイバ当たり約１５ＴＨｚの合計帯域幅を伴って使用需要に基づいて２５０の地域コードに割り付けられる。たとえば、サンディエゴからのトラフィックのためのファイバカラーは、特定の時間において、ワシントン向けトラフィックのために１０、シアトル向けトラフィックのために６、アトランタ向けトラフィックのために１、というようにすべての１２００のファイバカラーが占められるまで割り付けられることになる。需要が時刻および曜日に伴ってシフトすることから、実際の割り付けは、周期的に自動調整されることになると予測される。したがってスイッチは、任意の特定のときに、それぞれの発信元地域コードからのそれぞれのファイバカラーがネットワークを通ってそれの行き先地域コードへ、干渉を伴うことなく案内されるように構成されなければならない。（言い替えると、同一波長で動作する２つのファイバカラーのために同一のファイバが同時に使用されることはできない）。これが実行可能であることは、直ちに明らかにならなかったが、出願人らは、このタスクを達成するための、堅牢であり、かつ実用的短時間内に収斂すると思われるアルゴリズムを開発した。ここでは、このアルゴリズムを、根底にある割り付けが必要とされるファイバカラーのマトリクスが合計で同数となる行および列を有することから、マジック・スクエア・アルゴリズム（Ｍａｇｉｃ  Ｓｑｕａｒｅ  Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）と呼んでいる。このファイバカラーの割り付けの問題は、その解決策とともに、この明細書の『マジック・スクエア・ソフトウエア』と題されたセクションの中で詳細に論じられている。この問題の解決策は、それが、データ・ソースとデータの行き先の地域コードの間において、いずれかの光信号を電気信号または別のＤＷＤＭ波長に変換しなければならないという不利点を伴うことなく比較的少数のチャンネルを用いて全国規模の完全光ネットワークの展開を可能にすることから、主要な技術革新である。
【００４６】
メッシュ・ノード４Ｋにあるスイッチ２Ｋの動作については、’５０９特許出願の中でより詳細に論じられている。好ましい実施態様においては、すべてのＤＷＤＭ波長が、光学切り換えの前に逆多重化され、かつその後、切り換えの後に再多重化される。標準の５０ＧＨｚのＤＷＤＭスペーシングより細かい分解能における波長分離はまったく必要なく、したがって標準の構成要素を使用することが可能である。（より細かいチャンネル分解能は、ソースおよび行き先の地域コード内において生じるだけである）。波長分離と光学切り換えを組み合わせるカスタム化されたスイッチもまた可能となり得る。ネットワーク全体を通じて、適切な光信号強度の維持が必要なときには光学増幅器（エルビウム・ドープされたファイバ増幅器等）が使用される。
【００４７】
そのほかのコントロール・テクニック
ここで図１０を参照すると、本発明の光クロスコネクト・スイッチの、包括的に４００として指定されるコントロール・システムのブロック図が示されている。コントロール・システム４００はコンピュータ４０２を含み、それがまたリアル・タイム・コンピュータ４０４、通信インターフェース４０６、およびデジタル・ストレージ・デバイス４０８を含む。コンピュータ４０２は、閉ループ・フィードバック・コントロール・システムの実装に必要とされる演算を行う能力のあるシステムである。それが、アナログまたはデジタル・エレクトロニクスからなるものとしてもよく、または光学演算ユニットを用いて実装されてもよい。好ましい実施態様においては、コンピュータが、演算能力のある少なくとも１つの構成要素、および少なくとも３つのデジタル・インターフェースを伴うデジタル・エレクトロニクスからなる。第１のインターフェースは、デジタル化された光フィードバック信号を受信する能力を有するものとなり、第２のインターフェースは、ビーム指向器１６および１８の作動のために必要とされるアナログ電子ドライバにコマンド信号を送信する能力を有するものとなる。また第３のインターフェースは、外部ソースからネットワーク構成コマンドを受信し、かつ光スイッチの状態を送信する能力を有するものとなる。そのほかのインターフェースが、特定の実装のために必要とされることもある。
【００４８】
好ましい実施態様においては、デジタル演算エレクトロニクスが、市販デジタル信号プロセッサまたはそのほかの中央処理ユニットといった１つまたは複数の汎用プロセッサからなるとすること、またはこのタスクのために特に設計された１つまたは複数の特定用途向け集積回路とすることができる。デジタル・インターフェースは、非常に多様なパラレルまたはシリアル・リンクのうちの任意の１つからなるとすることが可能であり、かついくつかの業界標準に適合したもの、または特定の実装のためにカスタム化されたものとすることができる。
【００４９】
通信インターフェース４０６は、相互接続４１０を介したコンピュータ４０２と通信交換の間における電子インターフェースを提供する。本発明のスイッチを組み込んだ典型的な環境においては、相互接続４１０が、光学的に結合されることになる入力ファイバおよび出力ファイバを含む切り換え情報を受信することになる。この情報を受信するための標準フォーマットは、特定の通信ネットワークによって設定され得るが、特定のプロトコルとは関係なく、この情報が、本発明によって実装され得る特定のスイッチ構成を含むものとなることは認識されるものとする。
【００５０】
デジタル・ストレージ・デバイス４０８は、一時的および永続的両方のデジタル・メモリ媒体を含むことができる。たとえば、デジタル・ストレージ・デバイス４０８は、データの操作のためにランダム・アクセス・メモリを、プログラムされたコンピュータ・シーケンス・ステップの保存のためにプログラム可能読み出し専用メモリを含むことができ、またオフセット値のテーブルを含むことができる。
【００５１】
コンピュータ４０２は、電気接続４１２を介してデジタル・インターフェース４１４と電気的に接続される。デジタル・インターフェース４１４は、高電圧増幅器、およびコンピュータ４０２からのデジタル情報をミラー素子のコントロールに必要なアナログ信号に変換するデジタル・アナログ・コンバータを含む。またデジタル・インターフェース４１４は、コンピュータ４０２とビーム指向器４２０の間において必要とされる任意のデジタル・データの送信および受信も行う。注意される必要があるが、図８A−図８Dは、簡明のために１つのミラーおよび１つのセンサだけを示しており、それぞれのクロスコネクト・ビームが２つのミラーの位置決めによってコントロールされること、およびビームの方向が２つのセンサによって監視されることを認識する必要がある。しかしながら、ビームの位置を維持するための好ましいテクニックは、一度に１つのミラーだけを調整することである。しばしば、完全なコントロールが確立されるまでに、ビーム・パス内の１つのミラーを調整した後に他方の１つを数度にわたって調整することが必要となる。これは、自動的に、または外部のコントロール・デバイスまたは操作員によって指示されたときに生じるようにすべてプログラムされることが可能である。
【００５２】
単一のＭＥＭＳミラーのための枢動コントロールは、電子信号をインターフェース４１４から受信し、クロスコネクト・ビームを望ましい方向に指向させるために、ＭＥＭＳミラーを、それの２つの特定の回転位置に駆動する。ＭＥＭＳミラーが適正に位置決めされていることを保証するために、光学センサが整列ビームの位置を測定し、上で述べたとおりに光学フィードバックを提供する。アナログ・インターフェース４２６は、アナログ増幅器およびアナログ・デジタル・コンバータを含むアナログ信号調和構成要素を含み、それが光学センサ４２２からアナログ信号を受信し、電気接続４２８に沿ってコンピュータ４０２に送信するためのデジタル信号を生成する。コンピュータ４０２は、センサ４２２から、整列ビームの位置に関する電子情報を受信し、この位置をメモリ４０８内に収められている位置と比較して、ビーム指向器１６および１８内のビーム指向素子４２０が適正に位置決めされているか否かを決定する。センサ４２２によって測定された整列ビームの位置と、メモリ４０８内に収められている位置データの間に相違がある場合には、コンピュータ４０２がデジタル・インターフェース４１４に渡される電子信号を調整してビーム指向素子４２０の回転位置を修正し、センサ内の整列ビームの再位置決めを行う。その後、整列ビームの位置が光学センサ４２２によって再測定され、必要な場合にはビーム指向素子の回転位置に対する調整が反復される。この方法により整列ビームを適正に位置決めすることによって、通信ビームの適正な位置が、あらゆる干渉を伴うことなしに、または通信ビーム自体の測定を伴うことなしに達成される。
【００５３】
本発明の動作の例
動作においては、本発明の好ましいスイッチが束４内の入力ファイバから束６内の出力ファイバに光信号を伝達する。本発明の好ましい実施態様の動作は、図１（ｂ）および図１（c）を参照することによって、おそらくは最良の理解が得られる。
【００５４】
ファイバの入力‐出力マッピング、すなわちスイッチ・ファブリックの再構成は、次のとおりに達成される。再構成コマンドの受信時に、影響を受けるチャンネルのビーム操作ミラーが、直ちに開ループ・ステップを実行し、それらの現在の位置から、コマンドされた再構成を完了するために適切な新しい位置へ移動する。この開ループ・ステップの間に、コントロール・フィードバックが、影響を受けるチャンネル上において終了する。ビーム操作素子が新しい位置の近くにあるときは、整列ビームが、構成コマンドによって示される新しい出力ファイバに対応するセンサの部分の上に落ちる。この時点において、閉ループ・サーボ・コントロールが再び開始され、新しい接続が仕上げられる。開ループ・ステップの間においては、ほかのすべての再位置決めチャンネルのための整列ビームを、切り換えチャンネルの案内ビームによる切り換えが行われないチャンネルのサーボ・フィードバック信号の汚染を排除するためにオフにすることができる。
【００５５】
好ましい実施態様においてはサーボ・ループが、第２のミラー・アレイ内のミラー素子にだけ作用できる。代替実施態様においては、サーボ・ループが、第１のミラー・アレイ、第２のミラー・アレイ、または第１および第２両方のミラー・アレイ内のミラー素子に作用できる。１つの実施態様においては、第１のアレイ内のミラー素子のそれぞれの較正が充分に正確であり、開ループ信号を用いて、それぞれの素子に対応する整列ビームおよび通信ビームの実質的にすべての光エネルギが第２のビーム指向器アレイ内の意図された目標ミラー素子上に落ちるようにそれらの素子を位置決めすることが可能である。ビーム指向ミラー素子の開ループ・ポインティングは、製造時およびデバイスの寿命を通じて周期的に較正され、開ループ・ポインティングの正確度が高いことが保証される。また、第１のアレイ内のミラーの開ループ・ポインティングの正確度は、第１の素子の位置における小さい誤差が、第２のミラー・アレイ内の素子に作用する閉ループ・サーボ・コントロール・システムによって事実上の補償がなされることから、ストローク全体の数パーセントより良好である必要はない。この初期開ループ・ポインティングは、第２のビーム指向素子のフィードバック・コントロールと協働して、通信ビームを出力ファイバの中心上に正確に位置決めする。
【００５６】
多重化および逆多重化
上で述べたスイッチの重要な応用は、周波数多重化または逆多重化動作の一部である。上で説明したとおり、多重化は、通常、ほかの周波数を運ぶ幹線光ファイバに特定周波数の信号を追加することを伴い、また逆多重化はそれの逆である。いずれの場合においても、結果としてもたらされる光信号を望ましい方向に指向させるため、通常は別々の光ファイバに指向させるためにスイッチが必要となる。
【００５７】
背景のセクションの中で論じたとおり、薄膜フィルタの使用も含めて、いくつかの多重化および逆多重化テクニックが利用可能である。しかしながら出願人らが好ましいとする多重化／逆多重化テクニックは、出願人らが開発したものであり、従来技術のテクニックに勝る実質的な利点を提供する。このテクニックは、多孔質シリコン光学フィルタを利用する。このテクニックは、薄膜フィルタと非常に類似した結果をもたらすが、多孔質シリコン・フィルタは、はるかに迅速に、かつはるかに安価に作ることが可能である。次に、これらの多孔質シリコン光学フィルタの簡単な要約的な説明を提供し、図１２Ａおよび１２Ｂに図を示す。
【００５８】
多孔質シリコン光学フィルタ
図１２Ａは、表面が電流援助付き酸エッチング多孔質シリコン・テクノロジを用いてエッチングされた、変動屈折率の層を６つ伴ったシリコン・ウェファの部分の描写である。多孔質シリコン（ＰＳｉ）テクノロジは、新生のテクノロジであり、多くの潜在的応用を有する。シリコン・ウェファがフッ化水素酸（ＨＦ）中に漬浸され、それに電流が流される。ＨＦがシリコンと反応して表面内にナノメートル台の小孔をエッチングする。これらの小孔の直径は、３つのパラメータ、すなわち電流、ＨＦ濃度、およびシリコンのドーパント・レベルによって決定される。好ましいＨＦ濃度は、約２５パーセントから約５０パーセントまでの範囲内である。好ましいシリコン・ドーピングは、約２．５×１０１６イオン個数／ｃｍ３から約２．５×１０１７イオン個数／ｃｍ３までである。エッチングは、小孔の底部の、ＨＦ溶液とシリコン基板の間の界面において常に生じる。これが、シリコン内を深くエッチングすること、およびＰＳｉの厚い層を形成することを可能にする。小孔の直径は、エッチング・プロセスの間に電流を変化させることによって変更することができる。より大きな電流は小孔の直径を増加させ、より小さい電流はそれらの直径を減少させる。この方法により、シリコンの空隙率を、深さの関数として変化させることが可能である。より大きな空隙率（より大きな直径の小孔）は、シリコンの稠密性を低くし、それがＰＳｉ層の屈折率を減少させる。また、より小さい空隙率は屈折率を増加させる。したがって、ＰＳｉの屈折率を変化させることが可能である。この、深さの関数として屈折率を変化できる能力が、光学フィルタの形成を可能にする。図１２Ｂは、１２の層をシミュレーションする表面内の大きく拡大された小孔（シリコン基板４８内に作られる）の一般的な形状を示した図である。シリコンは、約３．５の屈折率を有し、空気は約１．００の屈折率を有する。ここで関心が持たれている光は、これらの小孔よりはるかに大きい波長を有することから、光が、それぞれのシミュレーションされた層に、それがあたかも、それぞれの層を構成する空気およびシリコン体積の重み付け平均に等しい屈折率を有するかのように応答する。たとえば、低い屈折率が５１に示され、高い屈折率が５３に示されている。図１２Ｃは、図１２Ｂに示されているパターンを作るために利用される電流と時間のグラフを示しており、図１２Ｄは、８２０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長の光の表面からの反射率を示している。このフィルタは、図１２Ｃに示されるとおり、２４の層を用いて作られた。フィルタは、追加の層によってより狭く作ることが可能である。図１２Ｅは、２９の層を用いた結果を示す。図１２Ｆは、光ファイバ通信用に通常に使用されている波長範囲のために設計された多孔質シリコンの反射のグラフである。
【００５９】
ルゲート多孔質シリコン・フィルタ
ＰＳｉで形成可能なフィルタのタイプは興味深い。伝統的な薄膜フィルタは、高屈折率材料と低屈折率材料の薄い（１／４波長の厚さ）層の間を交番することによって作られる。ＰＳｉにおいては、屈折率の変動が高い値と低い値の間において連続的に振動する。このタイプのフィルタは『ルゲート・フィルタ』と呼ばれる。狭帯域バンド‐パス・フィルタからの不要サイド‐ローブの除去といった、いくつかの興味深い効果を達成することができる。図１２Ｇは、出願人らによって作られたルゲート・フィルタのウェファにおける空隙率対深さを示しており、図１２Ｈは、結果として得られる反射プロファイルを波長の関数として示している。グラフには、３つの非常に狭い透過帯が示されている。
【００６０】
図１２Ｉおよび１２Ｊは、多重化および逆多重化のために多孔質シリコン・フィルタ・ユニットをどのように配置することが可能であるかを示している。図１２Ｉは、波長帯λ１、λ２、．．．λｎにおいて多くの信号を包含する到来通信ビームを提供する４本のファイバ５４を示す。個別の波長を透過させるべく設計された多孔質シリコン・フィルタは、５６に示されている。たとえば、フィルタ５６Ａは、波長範囲λ１を透過し、ほかのすべての波長帯を反射する。フィルタ５６Ｂは、別の波長帯を透過し、ほかのすべての波長帯を反射する。それら波長帯は、レンズ・アレイ５８によって個別の光ファイバ内に合焦される。図１２Ｉおよび１２Ｊに示されるところのこの設計は、一連の非常に狭い帯域のフィルタを使用して、ＤＷＤＭビームから一度に１つの波長チャンネルを逐次分離する。それぞれのフィルタにおいては、選択されたチャンネルが透過され、残りの波長が反射される。可視光が使用される場合には、透過された光が完全に吸収されないようにシリコン基板が薄くされるか、または取り除かれることがある。ほとんどの光通信応用については、使用される波長に対してシリコンが基本的に透明であり、ドーピング濃度が非常に高くない場合は、シリコン基板を残存させることができる。このフィルタリング・テクニックは、概念的に単純であるが、最終的な波長が、ほかのすべての波長からそれが分離されるまでにＮ‐１個（Ｎは、ＤＷＤＭビーム内の波長チャンネルの総数）のフィルタに遭遇しなければならないことから、多数の波長チャンネルを伴うＤＷＤＭシステムにとっては最良とならないことがある。より複雑な設計は、最初のいくつかのフィルタに透過させる波長チャンネルを１より多くすることによって、任意の１つのビームが通過しなければならないフィルタの総数を低減することが可能である。その後、狭帯域フィルタを使用して、低減されたビームから個別の波長チャンネルを分離することができる。
【００６１】
薄膜フィルタ用に開発された多くの様々な従来技術のルゲート・フィルタ設計を多孔質シリコン・テクニックとともに使用して、ＤＷＤＭ用途のために要求される仕様を伴った狭帯域フィルタを達成することが可能である。多孔質シリコン・テクニックを用いて、出願人らは、正弦曲線的に変化する複数の一連の変動屈折率の層を作ることによって薄膜フィルタのスタックをシミュレーションすることができる。これは、２またはそれを超える数の比較的広帯域の反射器を互いの上に作ることと等価である。この構成は、市販の離散型薄膜誘電体フィルタに見られるマルチ‐キャビティ・フィルタと等価なルゲート・フィルタになる。このタイプのフィルタは、それのファブリ‐ペロー・エタロン共振キャビティのエミュレーションに起因して禁止長を伴うことなく、極めて良好な波長分解能を達成することが可能である。
【００６２】
互いの上にフィルタをスタックすることが、合成されたフィルタ構造の共振帯域に対応するいくつかの非常に狭い波長領域を除き、Ｃバンド全体にわたって極めて高い屈折率プロファイルを作り出す。これが、広帯域フィルタを通る透過における位相変化が、第２の広帯域フィルタからの反射における位相変化と整合するところである。それらの透過領域の厳密な波長および幅は、広帯域反射フィルタの長さおよび屈折率プロファイルの設計によって限られた範囲内においてコントロールすることが可能である。
【００６３】
隠し波長の検出
本発明は、トラッカ波長の存在を検出するべく容易に適合することができる。これらの特別なトラッカ波長は、完成された光ルートを通ってビームが進むときにそれを追跡するために、通信ビームに追加することが可能である。本発明は、それぞれのファイバ内のビームを周期的に抽出し、それをテスト・ユニットに指向させ、トラッカ波長についてのテストを行わせるべく容易にプログラムすることができる。
【００６４】
ビーム強度の調整
本発明の別の有用な応用は、特定のビームの強度を調整するべくそれの容易なプログラムが可能なことである。通信システムにおいては、システム内の多様なビームの強度が比較的一様であることが重要であり、特に増幅の前ではそれが問われる。本発明は、ユニット１６および１８を使用し、ちょうど望ましい量の整列ずれを提供してわずかにビームの整列をずらすだけでスイッチを通過する任意のビームの強度を容易に下げることが可能である。ビームの整列ずれが大きいほど、それのより小さい部分が出力ファイバ内に合焦されることから、ビームがより大きく減衰される。
【００６５】
そのほかのサイズ
この実施態様においては、構成が、８×１６の光ファイバ束の接続に使用されるべく設計された８×１６のアレイとなっている。しかしながら本発明が、製造、整列、または対応するコントロール・システムの複雑性における何らかの有意の増加を伴うことなく、そのほか多くのより小さい、またはより大きいサイズに拡縮できることを認識される必要がある。また追加の、またはより少ない予備チャンネルが経験に基づいて提供されてもよい。
【００６６】
そのほかの変形
これまでは、本発明の好ましい実施態様であると現在考えられていることを示してきたが、当業者には、本発明の範囲および精神から逸脱することなしにここで多様な変更および修正が可能なことが明らかであろう。たとえば、図１（ｂ）に示されたスイッチは、望ましい場合に拡大または縮小することが可能である。ミラーのコントロールに使用される現場プログラム可能なゲート・アレイは、より経済的な集積回路に置き換えることができる。ＭＥＭＳミラーが、ほかの可変電圧源を用いてコントロールされてもよく、またより大型のキャパシタを利用することも可能である。多くのタイプの自動コントロールがスイッチに組み込まれること、またはスイッチのコントロールに使用されることが可能である。多孔質シリコン・フィルタ以外のフィルタ、たとえば薄膜フィルタ等を多重化および逆多重化に使用することができる。より少ないか、またはより多くの予備チャンネルを提供すること、またはそれをゼロにすることもできる。整列ビームのソースは、共振キャビティ発光ダイオードとすることができる。いくつかの実施態様においては、代替整列テクニックを使用することができる。スイッチのそれぞれのファイバ内における整列ビームと通信ビームの整列のためにそのほかの多くのテクニックが利用可能である。スイッチの入力部分内の到来ファイバを配置する多くの代替方法が存在する。ＭＥＭＳミラー・アレイ以外の小さいミラー・アレイで、ＭＥＭＳミラー・アレイを代用することができる。図１（ｂ）および図１（ｃ）に示されている２つのプロセッサに代えて１つのプロセッサを使用することが可能である。詳細に論じられてきた２つの重要な応用のほかにも、本発明について非常に多数の応用が存在する。たとえば、スイッチを、非常に高いデータ・レートの通信が重要とされるローカルのオフィス内または工場内通信システムに使用することができる。スイッチ内に信号を整える機能、利得コントロール、および増幅器を組み込むこともできる。
【００６７】
本発明のＲＯＡＤＭユニットを使用して、高速のローカルおよび地域的通信トラフィックをサポートすることが可能である。本発明のスイッチは、ポイント‐ツー‐ポイント、リング（星形および網形）を含むすべてのシステム・アーキテクチャの中で利用することができる。したがって本特許の範囲は、付随する特許請求の範囲およびそれらの合法的等価によって決定されるべきであり、ここに与えられた例によるべきではない。
【符号の説明】
【００６８】
２  光スイッチ・モジュール
２Ｋ  光クロスコネクト・スイッチ
４  ファイバ束
４Ａ  リボン
４Ｂ  個別のファイバ
４Ｋ  メッシュ・ノード
６  ファイバ束
７Ａ  位置決めプレート
７Ｂ  マウント・プレート
８  整列ビーム・ユニット、第１のファイバ‐マイクロレンズ位置決めアレイ・ユニット、水平スロット、ファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・ユニット
８Ａ  Ｖ字溝スロット
８Ｃ  Ｖ字セクション
９  マイクロレンズ・アレイ
１０  整列ビーム・ユニット、整列ユニット、ファイバ‐マイクロレンズ・アレイ・ユニット、注入ユニット
１２  整列ユニット
１２Ａ  注入ユニット
１２Ｂ  コリメータ光学素子
１２Ｃ  マスク
１２Ｄ  ダイクロイック・ビーム・スプリッタ
１６  カメラ・ユニット、第１のビーム方向センサ・ユニット、ビーム指向器
１８  カメラ・ユニット、ビーム指向器、第２のビーム方向センサ・ユニット
２０  整列スクリーンおよびＭＥＭＳミラー・アレイ、ＭＥＭＳミラー・アレイ
２２  整列スクリーンおよびＭＥＭＳミラー・アレイ、ＭＥＭＳミラー・アレイ
２４  ダイクロイック・ビーム・スプリッタ、ダイクロイック・ミラー
３０  単結晶シリコン層、シリコン層
３２  単結晶シリコン層、シリコン層
３４  ハンドル
３６  埋め込み酸化物絶縁層、酸化物の層
３８  埋め込み酸化物絶縁層、酸化物の層
４０  ＳｉＯ２層
４２  パターン、マスク
４３  導体シリコン部分
４４  レジスト・マスク、マスク・パターン
４５  絶縁層
４７  導体シリコン部分
４８  シリコン基板
５０  背の高い櫛歯
５２  可動櫛歯
５４  ファイバ
５６Ａ  フィルタ
５６Ｂ  フィルタ
５８  レンズ・アレイ
６０  駆動機構、整列ビーム検出スクリーン
６２  整列ビーム検出スクリーン
６４  カメラ
６６  カメラ
８０  反射表面、ミラー表面
８２  第１の軸
８４  内側フレーム
８６  第２の軸
４００  コントロール・システム
４０２  コンピュータ
４０４  リアル・タイム・コンピュータ
４０６  通信インターフェース
４０８  デジタル・ストレージ・デバイス、メモリ
４１０  相互接続
４１２  電気接続
４１４  デジタル・インターフェース
４２０  ビーム指向器、ビーム指向素子
４２２  光学センサ、センサ
４２６  アナログ・インターフェース
４２８  電気接続
Ｃ２  キャパシタ
Ｘ１９  トランジスタ
【図１】
2010522899.tif 000003
【図２】
2010522899.tif 000004
【図３】
2010522899.tif 000005
【図４】
2010522899.tif 000006
【図５Ａ】
2010522899.tif 000007
【図５Ｂ】
2010522899.tif 000008
【図５Ｃ】
2010522899.tif 000009
【図６Ａ】
2010522899.tif 000010
【図６Ｂ】
2010522899.tif 000011
【図６Ｃ】
2010522899.tif 000012
【図７】
2010522899.tif 000013
【図８Ａ】
2010522899.tif 000014
【図８Ｂ】
2010522899.tif 000015
【図８Ｃ】
2010522899.tif 000016
【図８Ｄ】
2010522899.tif 000017
【図９Ａ】
2010522899.tif 000018
【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
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【図９Ｊ】
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【図９Ｋ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１２Ｇ】
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【図１２Ｈ】
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【図１２Ｉ】
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【図１２Ｊ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１３Ｆ】
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【図１３Ｇ】
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【図１３Ｈ】
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【図１３Ｉ】
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【国際調査報告】
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