(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射の入射ビームにより信号スイッチングを提供すべく半導体の材料特性と結合された、前記電磁放射のコヒーレント特性を使用する信号スイッチングエレメントであって、
入力ポートと出力ポートを備えたバルク半導体、
該バルク半導体上の半導体ウェハ、
前記入射ビームを透過又は反射するための、前記半導体ウェハの主表面上に所定パターンで形成された複数の動作可能なＭＥＭＳ手段、及び
前記複数の動作可能ＭＥＭＳ手段の動作を制御する、前記半導体ウェハに動作可能に接続されたスイッチングコントローラ手段とを有し、
前記スイッチングコントローラ手段が、前記半導体ウェハの主表面に対して、前記複数の動作可能ＭＥＭＳ手段の少なくとも１つの位置を変化させ、前記複数の動作可能ＭＥＭＳ手段に入射する電磁放射のビームのウェーブフロントに位相遅延を与えており、
該位相遅延された電磁放射のビームが該バルク半導体に照射され、該電磁放射の位相遅延されたビームと電磁放射の入射ビームの一部とを結合することにより該バルク半導体内に三次元の体積空間干渉パターンを生成して、該バルク半導体内に抵抗変化又は屈折率変化を生じさせてチャネルを形成し、該入力・出力ポート間での信号スイッチングを行っていることを特徴とする信号スイッチングエレメント。
【請求項２】
前記複数の動作可能ＭＥＭＳ手段が、
ＭＥＭＳ手段の表面をチルトすること、前記半導体ウェハの主表面に対してＭＥＭＳ手段の表面を回転させること、および前記半導体ウェハの主表面に対してＭＥＭＳ手段の表面を垂直方向に移動させること、の少なくとも１つにより前記複数の動作可能ＭＥＭＳ手段を動作させるＭＥＭＳオリエンティング手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の信号スイッチングエレメント。
【請求項３】
ソースからのコヒーレント電磁放射をリファレンスビームとオブジェクトビームの２つのビームに分割するビーム分割手段と、
前記オブジェクトビームを前記複数のＭＥＭＳ手段に向ける手段とをさらに有し、
前記スイッチングコントローラ手段が、
電磁放射の前記ウェーブフロントに位相遅延されたオブジェクトビームと電磁放射の前記リファレンスビームとを結合することにより、制御可能な三次元の体積空間干渉パターンを生成する手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の信号スイッチングエレメント。
【請求項４】
電磁放射の入射ビームにより信号スイッチングを提供すべく半導体の材料特性と結合された、前記電磁放射のコヒーレンス特性を使用する信号スイッチングエレメントを動作させる方法であって、前記信号スイッチングエレメントは、前記入射ビームを透過又は反射するための、その主表面上に所定パターンで形成された複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスを有する半導体ウェハをバルク半導体上に含み、前記方法は、
前記複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスの動作を制御するために、前記半導体ウェハにスイッチングコントローラを動作可能に接続するステップと、
前記複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスに入射する電磁放射のビームのウェーブフロントに位相遅延を与えるために、前記半導体ウェハの前記主表面に対して、前記複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスのうちの少なくとも１つの位置を変化させるステップとを有し、
該位相遅延された電磁放射のビームが該バルク半導体に照射され、該電磁放射の位相遅延されたビームと電磁放射の入射ビームの一部とを結合することにより該バルク半導体内に三次元の体積空間干渉パターンを生成して、該バルク半導体内に抵抗変化又は屈折率変化を生じさせてチャネルを形成し、該バルク半導体に備えられた入力ポートと出力ポート間での信号スイッチングを行っていることを特徴とする方法。
【請求項５】
前記複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスの少なくとも１つの位置を変化させるステップは、
ＭＥＭＳデバイスの表面をチルトさせること、前記半導体ウェハの主表面に対してＭＥＭＳデバイスの表面を回転させること、および前記半導体ウェハの前記主表面に対してＭＥＭＳデバイスの表面を垂直方向に移動させること、のうちの少なくとも１つにより前記複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスをオリエンティングするステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
ソースからのコヒーレント電磁放射をリファレンスビームとオブジェクトビームの２つのビームに分割することによりビームを分割するステップと、
前記オブジェクトビームを前記複数のＭＥＭＳデバイスに向けるステップとをさらに有し、
前記複数の動作可能ＭＥＭＳデバイスのうちの少なくとも１つの位置を変化させるステップは、
電磁放射の前記ウェーブフロントに位相遅延されたオブジェクトビームと電磁放射の前記リファレンスビームとを結合することにより、制御可能な三次元の体積空間干渉パターンを生成するステップを含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信スイッチングシステム係り、特に、信号スイッチング機能を有効にするために、電磁放射信号ウェーブフロント（electromagnetic radiation signal wavefront）のＭＥＭＳ修正(modification)を使用する光スイッチングエレメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現行の通信スイッチングシステムにおいて現在使用されている信号スイッチング装置よりも動作が高速で、小型で、より頑丈で、安価な信号スイッチング装置を提供することが、通信スイッチングシステムの分野における課題である。現行の通信スイッチングシステムの最新技術は、受信電気信号の電子的スイッチングを実行するためにトランジスタによる信号スイッチングエレメントを使用することである。これらのトランジスタによる信号スイッチングエレメントは、入力ポートからの通信信号を表す電気信号を受信し、これらの電気信号を、複数の出力ポートのうちの選択された１つにリダイレクト(redirect)する。入力ポートと選択された出力ポートとの相互接続は、電気信号が修正されずに伝達され得るようになされる。
【０００３】
光信号伝送エレメントがこれらの通信スイッチングシステムに伝播されるとき、信号スイッチング機能を実行するために光信号を電気信号に変換し、かつその逆の変換を行う必要性は、これらのシステム動作をかなり非効率的にする。ほとんどの通信接続は多くのスイッチング段を必要とするので、通信信号の電気フォーマットと光フォーマットとの間の順次変換は、通信信号の光学的伝達により提供される利点を減少させる。信号変換パラダイムの１つの代替法は、全光通信スイッチングシステムを提供することである。しかし、現行の全光通信スイッチングシステムにおいて使用される信号スイッチングエレメントは、これらに限定されずに、高速でないこと、材料に関連する問題、制限されたスケーリングポテンシャル等を含む多くの問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、上記した制約に関わらず、トランジスタ信号スイッチングエレメントと十分に匹敵する全光通信スイッチングシステムにおける信号スイッチングエレメントが現在存在しない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
現行の全光通信スイッチングシステムにおける信号スイッチングエレメントよりも動作が高速で、小型で、より頑丈で、安価な信号スイッチング装置を提供するために、現行のＭＥＭＳ（Micro-machined Electro-Mechanical System）の適用により、半導体の材料特性と結合された電磁放射のコヒーレンス特性を使用する新しいタイプの全光信号スイッチングエレメントを具現化する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴う本発明のスイッチングシステムにより、上記の問題が解決され、技術的進歩がなされる。これは、その表面上に具現化されたＭＥＭＳミラーシステムを有する半導体チップの使用により達成される。
【０００６】
ＭＥＭＳデバイスは、動く機械パーツを設けることなしに、ピュアマテリアルフレックスモード（pure materials flex mode）において動作するように構成される。ＭＥＭＳミラーシステムは、バルク半導体の抵抗または屈折率を変化されたチャネルを生じるように、電磁放射をリダイレクトするために、反射されたおよび／または透過した電磁放射ウェーブフロント中に局部歪み（local distortions）を生じるために使用される。これらのチャネルに対する抵抗の変化は、バルク半導体を通る電子の運動性（motility）を強化または妨害するように働き、これにより、バルク半導体中の電気的スイッチング機能を提供する。代替的に、入力電磁放射ウェーブフロントのリダイレクションは、バルク半導体材料中の屈折率の変化によりなされ得る。
【０００７】
このシステムにおいて、ソースからの光ビームのようなコヒーレント電磁放射は、２つのビーム、リファレンスビームおよびオブジェクトビームに分割される。オブジェクトビームは、半導体ウェハへの適切な電圧の印加によりその位置が変更され得る複数のＭＥＭＳ表面を作るように修正された半導体ウェハの表面に向けられる。この電圧の印加は、ＭＥＭＳデバイスの表面を傾ける（tilting）または半導体ウェハに対してＭＥＭＳデバイスの表面を垂直方向に移動させる（repositioning）ことにより、半導体ウェハに対する選択されたＭＥＭＳデバイスの表面の位置を変化させる。
【０００８】
この選択されたＭＥＭＳデバイスの移動（repositioning）は、フェーズフロントディレイ（phase front delay）を与え、オリジナル信号のリファレンスビームに対して、ＭＥＭＳデバイスの表面を通して透過したまたはこれから反射されたオブジェクトビームの電磁放射ウェーブフロントの一部において所定方向に進むリダイレクトされたウェーブフロントの強度変調を与える可能性がある。フェーズフロント修正されたオブジェクトビームは、リフレクションホログラフィ（reflection holography）において典型的であるように、ＭＥＭＳ表面のすぐ上またはすぐ下のボリューム中のリファレンスビームと相互作用するために使用され、またはその代わりに、トランスミッションホログラフィ（transmission holography）において典型的であるように、リファレンスビームと結合される。
【０００９】
いずれの場合においても、制御可能な三次元ボリュームスペーシャルフリンジパターン（体積空間干渉パターン）が、ＭＥＭＳデバイスの動作により生じる２つのビーム中の変化により形成される。ボリュームスペーシャルフリンジパターンは、バルク半導体の変化した抵抗のチャネルを生じるために、１つのアプリケーションにおいて使用され得る１つ以上のスペーシャルボリュームで構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
電磁放射信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を備えた本発明によるスイッチングシステムは、バルク半導体中に変化した抵抗のチャネルを生成するように、電磁放射をリダイレクトするために、反射されたおよび／または透過された電磁放射ウェーブフロント中に局部的歪みを生じるために使用されるその表面上に具現化されたＭＥＭＳミラーシステムを有する半導体チップを使用する。この目的のために使用される典型的なバルク半導体材料は、ＧａＡｓである。チャネルに対するこれらの半導体の変化は、バルク半導体を通る電子の移動性を強化または妨害するために働き、これにより、バルク半導体中のスイッチング機能を提供する。
【００１１】
代替的に、電磁放射ウェーブフロントのリダイレクションは、バルク半導体材料中の屈折率の変化によりなされ得る。リダイレクトされた電磁放射ウェーブフロントは、バルク半導体中に変化された抵抗のチャネルを生じるために、バルク半導体へのような、指定された方向に向けられ得る。これのチャネルに対する抵抗の変化は、バルク半導体を通る電子の運動性を強化または妨害するように働き、これにより、バルク半導体中にスイッチング機能を提供する。屈折率の変化は、様々なターゲットエリア間をスイッチするために、複数のディメンジョンにおいて使用され得る。
【００１２】
システムアーキテクチャ
図１は、動作のトランスミッションホログラフィモードを使用する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴う本発明のスイッチングシステムの全体アーキテクチャを示し、図２は、動作のリフレクションホログラフィモードを使用する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴う本発明のスイッチングシステムの全体アーキテクチャを示す。これらの図において、入射電磁放射ウェーブフロント１が、デバイス２の上のエリア２０を通して図示しないソースから伝達されており、デバイス２上のウェーブフロントスポット３（イルミネートされたエリアとも呼ばれる）を生じる。
【００１３】
デバイス２は、その表面上に基板５を形成するバルク半導体材料６を含み、基板５の上に、複数の個別ＭＥＭＳミラー４が形成されている。個別ＭＥＭＳデバイス４は、複数のＭＥＭＳデバイス４の動作を制御するスイッチングコントローラ２５に接続されている。図１において、動作のトラスミッションホログラフィモードを使用する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正が、示されおり、バルク半導体材料６は、その中に複数のポート７−１０が形成された光学材料である。ポート７，８は接続されておらず、ポート９，１０は、バルク半導体材料６中でアクティブ化されるチャネル１１により互いに接続されており、それぞれは、インタフェースデバイス９Ａ，１０Ａに接続されている。
【００１４】
図２において、動作のリフレクションホログラフィーモードを使用する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正が示されており、デバイス２の基板５上に形成された個別ＭＥＭＳミラー４が、入射電磁放射ウェーブフロント１を反射し、ターゲットバルク半導体２３中での電磁放射ウェーブフロント１との適切なオーバラップを生じるように、所定の方向に向けられた出力電磁放射ウェーブフロント１２を形成する。これらの２つの実施形態において、ウェーブフロントスポット３は、複数の個別ＭＥＭＳミラー４をイルミネートする範囲であり、以下に説明するスイッチング機能は、複数の個別ＭＥＭＳミラー４のうちの１つより多いものまたは複数の個別ＭＥＭＳミラー４のうちの単一のものの動作を起こすことができるようになっている。
【００１５】
このシステムにおいて、ソースからのコヒーレント電磁放射は、２つのビーム、リファレンスビームおよびオブジェクトビームに分割される。オブジェクトビームは、その位置がデバイス２への適切な電圧の印加により変化され得る複数のＭＥＭＳ表面４を生じるように修正された基板５を含むデバイス２の表面に向けられる。この電圧の印加は、ＭＥＭＳデバイス４の表面をチルトするまたは回転することにより、または基板５に対してＭＥＭＳデバイス４の表面を垂直方向に移動させることにより、基板に対する選択されたＭＥＭＳデバイス４の表面の位置を変化させる。選択されたＭＥＭＳデバイス４の移動は、リファレンスビームに対してデバイス２の表面を透過されるまたはこれから反射されるオブジェクトビームの電磁放射ウェーブフロントの部分にフェーズフロントディレイを与える。
【００１６】
フェーズフロント修正オブジェクトビームは、図２に示されたリフレクションホログラフィにおいて典型的であるように、ＭＥＭＳ表面のすぐ上またはすぐ下のボリューム中でリファレンスビームと相互作用するか、または、図１に示されたトランスミッションホログラフィにおいて典型的であるように、図１中のパス１２に沿ってリファレンスビームと結合される。いずれの場合においても、制御可能な、三次元のボリュームスペーシャルフリンジパターンが形成される。ボリュームスペーシャルフリンジパターンは、図１のシステム中のバルク半導体６中の変化された抵抗のチャネル１１を生じる１つ以上のスペーシャルボリューム１３または図２にシステム中のデバイス２の表面の上に配置されたスペーシャルフリンジパターンの領域７から構成される。
【００１７】
図３は、図２のシステムの反射によるカスケードスイッチングエレメントバージョンの一実施形態を示し、複数のデバイス２が、アレイに配置されており、単純化のために、その一次元が示されている。特に、複数のスイッチングエレメント３１−３４の各々が、図２に示されたような動作のリフレクションホログラフィモードによる信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を使用する。入射ウェーブフロント３０は、第１のＭＥＭＳエレメント３１に向けられ、ＭＥＭＳエレメント３１の角度は、入射オブジェクトビームが第２のＭＥＭＳエレメント３２にあたるように反射するように選択されるている。中間ミラー３２−３４の各々は、入射角および出力角が同じであるので、各ミラーに対する反射角の２倍、入射オブジェクトビームのスペーシャルリダイレクションを増大させる。
【００１８】
各ＭＥＭＳエレメント３１−３４のミラー表面は、典型的には、金のような高反射率材料でコートされている。ＭＥＭＳデバイス３１−３４の一部は、入射電磁放射信号のタイムスイッチングを提供するために、時間について変化されることができ、ＭＥＭＳエレメント３１−３４のアレイを出るときに異なるあて先にそれらを送ることができる。入射ビームのスペーシャルリダイレクションが、ＭＥＭＳエメントの各々に与えられる信号により電気的に制御されることで、図３のＭＥＭＳエレメントの線形アレイが、ＭＥＭＳエレメントの複数次元アレイに拡張され得ることが明らかである。したがって、複数のＭＥＭＳエレメントが、入射オブジェクトビームを所望のあて先に向けるように協同して動作可能である。
【００１９】
波長多重化
信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴う上述したスイッチングシステムは、信号スイッチング機能を得るために、波長多重化および／または時間多重化を使用することができる。各々が異なる波長の複数の電磁放射のソースの使用は、異なるボリュームスペーシャルフリンジパターンを生じる。これは、異なる信号波長が、信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴うスイッチングシステムにおけるボリュームスペーシャルフリンジパターンの生成を制御するために使用され得る異なるフェーズフロントを提供することによる。したがって、信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴うスイッチングシステムは、電磁放射の他の波長を入射信号の波長に加えることにより、入射信号を符号化できる。
【００２０】
また、図１の上述した例において生成されるチャネルは、部分的にバルク半導体材料中にあり、かつ部分的にその上にあり得る。例えば、ＭＥＭＳデバイスは、回折格子（diffraction grating）を具現化することができ、ここでは、入射電磁放射の一部が、図１に示されたバルク半導体材料の内部を追加し、入射電磁放射の一部が、図２に示されたＭＥＭＳデバイスの表面から反射される。
【００２１】
オーバラッピングおよび空間的に分割された入射ビーム
図１−３の上述した例は、電磁放射の単一入射ビームを示すが、電磁放射の複数のオーバラップする入射ビームも同時に処理され得る。図１および２に示されているように、複数のＭＥＭＳデバイスが、電磁放射の入射ビームによりイルミネートされる。ウェーブフロントスポット３中に位置する様々なＭＥＭＳデバイスが、電磁放射の入射ビームを異なるあて先にリダイレクトし、または、バルク半導体材料中で使用するための異なるボリュームスペーシャルフリンジパターンを生成し、バンク半導体中の変化された抵抗の異なるチャネルを生成するように、異なって動作され得る。これらの複数のチャネルに対する抵抗の様々な変化は、バルク半導体を通る電子の運動性を強化または妨害するように働き、これにより、ボリュームスペーシャルフリンジパターンによりターゲットされたチャネルの各々に対するバルク半導体中のスイッチング機能を提供する。
【００２２】
また、生成されるボリュームスペーシャルフリンジパターンの形状および範囲は、ＭＥＭＳの動作の程度の選択および入射オブジェクトビームおよび／またはリファレンスビームに加えられる変調信号の周波数の選択により調節され得る。
【００２３】
まとめ
その表面上に具現化されるＭＥＭＳミラーシステムを有する半導体チップは、バルク半導体中の変化された抵抗のチャネルを生成するように、電磁放射をリダイレクトするために、反射されたおよび／または透過された電磁放射ウェーブフロント中に局部的歪みを生じる。これらのチャネルへの抵抗の変化は、バルク半導体を通る電子の運動性を強化または妨害するように働き、これにより、バルク半導体中のスイッチング機能を提供する。代替的に電磁放射ウェーブフロントのリダイレクションは、ターゲットバルク半導体材料中の屈折率の変化によってもなされ得る。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、トランジスタ信号スイッチングエレメントと十分に匹敵する全光通信スイッチングシステムにおける信号スイッチングエレメントを提供することができる。
【００２５】
なお、特許請求の範囲の発明の要件の後に括弧で記載した番号は、本発明の一実施例の対応関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】トランスミッションホログラフィ動作モードを使用する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴う本発明のスイッチングシステムの全体アーキテクチャを示す図。
【図２】リフレクションホログラフィ動作モードを使用する信号ウェーブフロントのＭＥＭＳ修正を伴う本発明のスイッチングシステムの全体アーキテクチャを示す図。
【図３】図２のシステムの反射カスケードスイッチングエレメントバージョンの一実施形態を示す図。
【符号の説明】
１  入射電磁放射ウェーブフロント
２  デバイス
３  ウェーブフロントスポット
４  ＭＥＭＳミラー
５  基板
６  バルク半導体マテリアル
７−１０  ポート
９Ａ，１０Ａ  インターフェースデバイス
１１  チャネル
１２  出力電磁放射ウェーブフロント
１３  スペーシャルボリューム
２３  ターゲットバルク半導体
２５  スイッチングコントローラ
３０  入射ウェーブフロント
３１−３４  スイッチングエレメント
【図１】
0004351408.tif 000002
【図２】
0004351408.tif 000003
【図３】
0004351408.tif 000004