專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)和采用該微機(jī)電系統(tǒng)的光子互連的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例4十對(duì)凝才幾電系統(tǒng)和光子互連(photonic interconnect),并且更具體地說，針對(duì)凝:才幾電系統(tǒng)和采用微才幾電系統(tǒng) 以動(dòng)態(tài)地聚焦和對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)編碼的電^f茲輻射的光子互連。
背景技術(shù)：
分布式計(jì)算是一種計(jì)算機(jī)處理方法，其中單個(gè)計(jì)算任務(wù)被劃分成能 夠同時(shí)且分離地在分布式計(jì)算平臺(tái)("DCP")的節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的若干計(jì)算 任務(wù)。節(jié)點(diǎn)可以是服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備或任何其它數(shù)據(jù) 處理和/或存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算機(jī)可包含一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備和一個(gè)或多個(gè) 處理器。為了將數(shù)據(jù)分布在節(jié)點(diǎn)之間，節(jié)點(diǎn)通常經(jīng)由高速、低延時(shí)的電 互連而互連到交換機(jī)，該交換機(jī)用于在節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)。圖l示出了 8-節(jié)點(diǎn)DCP 100的示意性圖示。DCP 100包括節(jié)點(diǎn)1 02-1 09和交換機(jī)110。 節(jié)點(diǎn)1 02-109被布置成兩列，并經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸電纜(諸如以太網(wǎng)電纜) 而電子互連到交換機(jī)110。節(jié)點(diǎn)102-109能夠存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)機(jī)柜或 箱體(未示出)中，并使用交換機(jī)11 0在節(jié)點(diǎn)1 02-1 09之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組 以進(jìn)行處理。例如，交換機(jī)110能夠用于將節(jié)點(diǎn)104生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?節(jié)點(diǎn)103和107以進(jìn)行進(jìn)一步處理。
通常，DCP是用于并行處理應(yīng)用的高效計(jì)算平臺(tái)。然而，典型的DCP 是效率低的能耗設(shè)備。具體地說，金屬線經(jīng)常用于互連節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)部件， 并且通過金屬線傳輸電信號(hào)所需的大部分能量作為熱量耗散。例如，通 過銅線傳輸信號(hào)所需的電能的大約80-90%都作為熱量耗散。為了防止這 種熱量累積并造成對(duì)節(jié)點(diǎn)部件、線和其它電互連的不可修復(fù)的損壞，DCP 通常位于空調(diào)室中，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可包含使空氣在節(jié)點(diǎn)部件和電路板 線上循環(huán)的一個(gè)或多個(gè)風(fēng)扇。然而，冷卻DCP所需的能量反而增加了操 作DCP所需的能量總量。DCP的制造者、設(shè)計(jì)者和用戶都已經(jīng)認(rèn)識(shí)到需 要這樣的互連其在節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)部件之間提供高帶寬、高速的互 連并且比典型DCP中所用的常規(guī)電互連使用更少的能量并生成更少的熱 量。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各種實(shí)施例針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)和采用微機(jī)電系統(tǒng)的光子互 連。本發(fā)明的一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)施例包含透鏡結(jié)構(gòu)和致動(dòng)器
(actuator)。該透鏡結(jié)構(gòu)包含具有柔性彎曲表面的基本透明的膜 (membrane)，以及流體(fluidly)耦合到該膜的裝有流體的儲(chǔ)存器。 致動(dòng)器系統(tǒng)在操作中(operably)耦合到所述儲(chǔ)存器以便對(duì)所述流體施 加壓力從而改變所述膜的曲率和所述透鏡結(jié)構(gòu)的焦點(diǎn)。
圖1示出了 8-節(jié)點(diǎn)分布式計(jì)算平臺(tái)的示意性圖示。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包含光子互連的10-節(jié)點(diǎn)分布式計(jì) 算平臺(tái)的示意性圖示。
圖3A-3B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的4-節(jié)點(diǎn)分布式計(jì)算平臺(tái)的示 意性圖示，其中接收器用于檢測(cè)由兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間生成的數(shù)據(jù) 承載電磁輻射束。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的其中光子互連位于節(jié)點(diǎn)部件上以進(jìn) 行板上光子通信的節(jié)點(diǎn)。
圖5A-5B示出了兩種類型的光子互連，每種光子互連都表示本發(fā)明 的實(shí)施例。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的微機(jī)電系統(tǒng)的等距視圖。 圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖6所示的微機(jī)電系統(tǒng)沿線7-7的橫 截面圖。
圖8是數(shù)據(jù)編碼的電磁輻射相對(duì)于時(shí)間的強(qiáng)度曲線圖。 圖9是從衍射光柵輸出的5個(gè)衍射束的周期強(qiáng)度相對(duì)于衍射角的曲 線圖。
圖10A-10B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的使用圖7所示微機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)
據(jù)承載電磁輻射束的動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)和聚焦。
圖11A-11C示出三個(gè)膜致動(dòng)器系統(tǒng)，每一個(gè)都表示本發(fā)明的實(shí)施例。 圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，圖6所示的衍射光
柵能夠圍繞這些旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。圖13A-13B示出了兩個(gè)書f射光;敗的,基本上周期的元件，每一個(gè)都表
示本發(fā)明的實(shí)施例。
圖14A-14C示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖13所示的三種類型衍射元 件沿線14-14的橫截面圖。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光柵光閥的等距視圖。
圖16A-16B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖15所示的光柵光閥沿線 16-16的橫截面圖，其中使用該光柵光閥作為反射器和衍射光柵。
圖17A-17B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光子互連的微機(jī)電系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的各種實(shí)施例針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)和采用微機(jī)電系統(tǒng)的光子互 連。光子互連能夠用于替代DCP的節(jié)點(diǎn)之間的某些電互連，并替代節(jié)點(diǎn) 的部件之間的某些電互連。光子互連能夠在節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)部件之間 提供更高的帶寬和更高速的互連，并且比常規(guī)電互連使用更少的能量并 生成更少的熱量。
由處理器生成的或從節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)器提取的信息被編碼在稱為"數(shù)據(jù) 承載束"的電磁輻射束中。本發(fā)明的光子互連采用微機(jī)電系統(tǒng)來將數(shù)據(jù) 承載束引導(dǎo)到位于DCP內(nèi)的不同節(jié)點(diǎn)上的接收器或位于同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)的部 件上的接收器。該接收器包含將數(shù)據(jù)承載束轉(zhuǎn)換成能夠由節(jié)點(diǎn)處理的電 信號(hào)或電磁輻射信號(hào)的光電檢測(cè)器。本發(fā)明的微機(jī)電系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)地將 數(shù)據(jù)承載束對(duì)準(zhǔn)并聚焦到對(duì)應(yīng)的光電檢測(cè)器上。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包含光子互連的10-節(jié)點(diǎn)DCP 200 的示意性圖示。DSP 200包括布置在第一列208中的節(jié)點(diǎn)202-206和布 置在第二列216中的節(jié)點(diǎn)210-214。節(jié)點(diǎn)202-206和210-214能夠存儲(chǔ) 在一個(gè)或多個(gè)機(jī)拒或箱體(未示出)中。 一列內(nèi)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠經(jīng)由本 發(fā)明的光子互連實(shí)施例與同一列中的其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光子通信，并與鄰近 列中的某些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行光子通信。本發(fā)明的光子互連實(shí)施例包含位于第一 節(jié)點(diǎn)上的微機(jī)電系統(tǒng)("MEMS")和位于第二節(jié)點(diǎn)上的接收器。例如，如 圖2所示，節(jié)點(diǎn)203經(jīng)由五個(gè)光子互連與第一列208中的節(jié)點(diǎn)202和 204-206進(jìn)行光子通信，并與第二列216中的鄰近節(jié)點(diǎn)211進(jìn)行光子通 信。所述五個(gè)光子互連包括都位于節(jié)點(diǎn)203上的五個(gè)MEMS 220-224以 及位于第一列中的節(jié)點(diǎn)202和204-206和第二列216中的鄰近節(jié)點(diǎn)211200880022532.8 上的五個(gè)對(duì)應(yīng)接收器230-234。 MEMS 220-224的實(shí)施例在下面參考圖6 和17進(jìn)行更詳細(xì)描述。節(jié)點(diǎn)203生成以數(shù)據(jù)承載束240-244為形式的 數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)承載束被傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)202、 204-206和211以進(jìn)行進(jìn)一 步處理。MEMS 220被配置成將數(shù)據(jù)承載束240引導(dǎo)到接收器230，該接 收器230位于節(jié)點(diǎn)202的下側(cè)，并且MEMS 221被配置成將數(shù)據(jù)承載束 241引導(dǎo)到接收器231。節(jié)點(diǎn)204包含孔徑(aperture) 250,使得MEMS 222能夠?qū)?shù)據(jù)承載束242無阻礙地引導(dǎo)到位于非鄰近節(jié)點(diǎn)205上的接 收器232。節(jié)點(diǎn)204包含孔徑252,并且節(jié)點(diǎn)205也包含孔徑253,使得 MEMS 223能夠?qū)?shù)據(jù)承載束243無阻礙地引導(dǎo)到位于非鄰近節(jié)點(diǎn)206上 的接收器233。 MEMS 224被配置成將數(shù)據(jù)承載束244水平地引導(dǎo)到接收 器234。
用于允許在非鄰近節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)承載束的孔徑的大小隨著越 接近生成數(shù)據(jù)承載束的節(jié)點(diǎn)而增大。例如，孔徑252比孔徑253大。所 述孔徑可以是圓形、橢圓形、方形、矩形或適合于無阻礙地將數(shù)據(jù)承載 束傳輸通過節(jié)點(diǎn)的任何其它形狀。注意，DCP中的光子互連可以不代替 節(jié)點(diǎn)之間的所有電互連。換句話說，本發(fā)明的光子互連可以用于只代替 某些電互連。例如，如圖2所示，DCP 200還可包含通過節(jié)點(diǎn)之間的電 互連提供某些數(shù)據(jù)承載電信號(hào)的傳輸?shù)慕粨Q機(jī)(未示出)。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，接收器能夠電子耦合到電機(jī)，諸如壓電 電機(jī)，所述電機(jī)用于重新定位接收器以截獲由不同節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間生成 的數(shù)據(jù)承載束。圖3A-3B示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的4-節(jié)點(diǎn)DCP 300的 示意性圖示，其中接收器能夠被重新定位以便檢測(cè)由兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)在不 同時(shí)間生成的數(shù)據(jù)承載束。如圖3A中所示，DCP 300包含四個(gè)節(jié)點(diǎn) 302-305的列。節(jié)點(diǎn)302包含MEMS 306和MEMS 312。 MEMS 306將第一 數(shù)據(jù)承載束308引導(dǎo)到位于節(jié)點(diǎn)303上的接收器310,而MEMS 312將第 二數(shù)據(jù)承載束314引導(dǎo)到位于節(jié)點(diǎn)305上的接收器316。節(jié)點(diǎn)303包含 MEMS 318,其將第三數(shù)據(jù)承載束320引導(dǎo)到位于節(jié)點(diǎn)304上第一位置的 接收器322。最初，如圖3A所示，第二數(shù)據(jù)承載束314無阻礙地穿過節(jié) 點(diǎn)303中的孔徑324和節(jié)點(diǎn)304中的孔徑326，以到達(dá)接收器316。然 而，后來，如圖3B所示，當(dāng)節(jié)點(diǎn)303不再向節(jié)點(diǎn)304傳輸數(shù)據(jù)并且節(jié) 點(diǎn)302需要向節(jié)點(diǎn)304而不是節(jié)點(diǎn)305傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，能夠經(jīng)由在操作中
7耦合到接收器322的電機(jī)(未示出)重新定位接收器322以截獲數(shù)據(jù)承載 束314。
在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，本發(fā)明的光子互連能夠用于在單個(gè)節(jié)點(diǎn) 的部件之間傳輸信息，而不是使用電子總線的電信號(hào)線。圖4示出根據(jù) 本發(fā)明實(shí)施例的其中光子互連位于節(jié)點(diǎn)部件上以進(jìn)行板上光子通信的 節(jié)點(diǎn)400。節(jié)點(diǎn)400包含中央處理單元("CPU" ) 402、第一存儲(chǔ)設(shè)備 404和第二存儲(chǔ)設(shè)備406。為了圖解的簡(jiǎn)單起見，未示出節(jié)點(diǎn)400的其 它部件。存儲(chǔ)設(shè)備404和406能夠是本領(lǐng)域眾所周知的許多不同類型的 隨機(jī)存取存儲(chǔ)設(shè)備之一。如圖4所示，CPU 402經(jīng)由四個(gè)光子互連與存 儲(chǔ)設(shè)備404和406進(jìn)行光子通信。第一光子互連包括MEMS 410和接收 器420,第二光子互連包括MEMS 411和接收器421,第三光子互連包括 MEMS 412和接收器422,而第四光子互連包括MEMS 413和接收器423。 這四個(gè)光子互連用于在CPU 402與第一存儲(chǔ)設(shè)備422之間和CPU 402與 第二存儲(chǔ)設(shè)備406之間傳輸數(shù)據(jù)承載束，而不是使用電子總線的電信號(hào) 線。
在以下論述中，術(shù)語"計(jì)算設(shè)備"指的是節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)部件。如上面 參考圖2-4所描述的，為了從第一計(jì)算設(shè)備向第二計(jì)算設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)承 載束，光子互連包括位于第一計(jì)算設(shè)備上的MEMS和位于第二計(jì)算設(shè)備 上的接收器。然而，某些計(jì)算設(shè)備在操作期間可能被擾動(dòng)。例如，在某 些DCP中，節(jié)點(diǎn)在操作期間可能具有大約IOO微米的振動(dòng)位移。這些振 動(dòng)位移可隨著時(shí)間使數(shù)據(jù)承載束與位于對(duì)應(yīng)接收器上的光電檢測(cè)器失 準(zhǔn)，這進(jìn)而可能中斷節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，光子 互連包含將從第一計(jì)算設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)承載束動(dòng)態(tài)地對(duì)準(zhǔn)和聚焦到位 于第二計(jì)算設(shè)備上的光電檢測(cè)器上的系統(tǒng)。
圖5A-5B示出了兩種類型的光子互連，每種光子互連都表示本發(fā)明 的實(shí)施例。在圖5A中，第一光子互連500包含MEMS 502和接收器504。 MEMS 502能夠位于第一計(jì)算設(shè)備506上，并與能夠位于第一計(jì)算設(shè)備 5 06中的系統(tǒng)控制5 08進(jìn)行電通信。兩個(gè)光電檢測(cè)器510和512被定位 在MEMS 5 02的相對(duì)側(cè)上，并且還與系統(tǒng)控制5 08進(jìn)行電通信。MEMS 5 02 將從第一計(jì)算設(shè)備506輸出的數(shù)據(jù)承載束513和兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)束514和516 引導(dǎo)到接收器504。接收器504包含光電檢測(cè)器518和位于光電檢測(cè)器 518的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)反射器520和522。光電一企測(cè)器518 一企測(cè)數(shù)據(jù)承
8載束513,并且將數(shù)據(jù)編碼的電磁輻射轉(zhuǎn)換成能夠由第二計(jì)算設(shè)備(未示 出)處理的數(shù)據(jù)承載信號(hào)。反射器520和522被定位成將對(duì)準(zhǔn)束514和 516分別反射回到光電檢測(cè)器508和510。對(duì)準(zhǔn)束514和516被用于確 定節(jié)點(diǎn)振動(dòng)或某些其它擾動(dòng)是否已經(jīng)將數(shù)據(jù)承載束513移動(dòng)成不與光電 ;險(xiǎn)測(cè)器518對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)光電才企測(cè)器508和510分別沒有沖企測(cè)到對(duì)準(zhǔn)束514 和516的任一個(gè)或二者時(shí)，系統(tǒng)控制508可通過將信號(hào)傳輸?shù)組EMS 502—其將數(shù)據(jù)承載束513和對(duì)準(zhǔn)束514和516分別帶回到與光電檢測(cè) 器518、 508和510對(duì)準(zhǔn)--來估文出響應(yīng)。
在圖5B中，光子互連550包含MEMS 552和接收器554。 MEMS 552 位于第一計(jì)算設(shè)備556上并且與系統(tǒng)控制558進(jìn)行電通信。四個(gè)光電檢 測(cè)器560-563凈皮定位在MEMS 552周圍并且也與系統(tǒng)控制558進(jìn)行電通 信，而不是如上面參考圖5A所描述的使用兩個(gè)光電檢測(cè)器來檢測(cè)未對(duì) 準(zhǔn)。MEMS 552將從第一計(jì)算設(shè)備556輸出的數(shù)據(jù)承載束564和四個(gè)對(duì)準(zhǔn) 束566-569引導(dǎo)到接收器554。接收器554包含光電檢測(cè)器570和位于 光電檢測(cè)器570周圍的四個(gè)反射器572-575。光電檢測(cè)器570檢測(cè)數(shù)據(jù) 承載束564,并將電磁輻射轉(zhuǎn)換成可由第二計(jì)算設(shè)備(未示出)處理的數(shù) 據(jù)承載信號(hào)。反射器572-575被定位成將對(duì)準(zhǔn)束566-569分別反射回到 光電檢測(cè)器560-563。當(dāng)光電檢測(cè)器560-563分別沒有檢測(cè)到對(duì)準(zhǔn)束 566-569中的一個(gè)或多個(gè)時(shí)，系統(tǒng)控制558通過將信號(hào)傳輸?shù)組EMS 552 以便將數(shù)據(jù)承載束564和對(duì)準(zhǔn)束566-569分別帶回到與光電檢測(cè)器570 和560-563對(duì)準(zhǔn)而估文出響應(yīng)。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的MEMS 600的等距視圖。MEMS 600包 含膜602、膜致動(dòng)器系統(tǒng)604、衍射光柵606和光柵致動(dòng)器系統(tǒng)608。MEMS 600由計(jì)算設(shè)備610支撐，該計(jì)算設(shè)備610可以是DCP的節(jié)點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)部 件。MEMS 600能夠電子耦合到系統(tǒng)控制，該系統(tǒng)控制引導(dǎo)MEMS 600以 將從計(jì)算設(shè)備610輸出的數(shù)據(jù)承載束對(duì)準(zhǔn)和聚焦到位于不同計(jì)算設(shè)備 (未示出)上的接收器(未示出)的光電檢測(cè)器上，如上面參考圖5所描述 的。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖6所示的MEMS 600沿線7-7的橫 截面圖。膜602具有在操作中耦合到膜致動(dòng)器系統(tǒng)604的柔性凹表面， 膜致動(dòng)器系統(tǒng)604用于改變膜602的曲率。本發(fā)明的膜致動(dòng)器系統(tǒng)604 實(shí)施例在下面參考圖11進(jìn)行描述。膜602可具有反射從源702發(fā)射的電磁輻射的鍍銀表面，或者膜602的表面可被配置為布拉格反射器，該 布拉格反射器濾掉特定波長(zhǎng)的電磁輻射并反射從源7 02發(fā)射的其它波長(zhǎng) 的電磁輻射。源702能夠是激光二極管或垂直腔表面發(fā)射激光器。作為 布拉才各反射器才喿作的刀莫和柔性四面4竟刀莫(concave mirrored membrane) 在本領(lǐng)域是眾所周知的。衍射光柵606在操作中耦合到光柵致動(dòng)器系統(tǒng) 608，光柵致動(dòng)器系統(tǒng)608能夠改變衍射光柵606的衍射量和/或方位 (orientation)。本發(fā)明的光4冊(cè)致動(dòng)器系統(tǒng)608和衍射光柵606實(shí)施 例的操作在下面參考圖12-16進(jìn)行描述。膜致動(dòng)器系統(tǒng)604、光柵致動(dòng) 器系統(tǒng)608和源702電子耦合到控制這些設(shè)備的操作的系統(tǒng)控制706。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，源702能夠發(fā)射由計(jì)算設(shè)備610生成的 電磁輻射編碼數(shù)據(jù)束704。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，源702能夠發(fā)射 具有基本上連續(xù)強(qiáng)度的電磁輻射束。光柵致動(dòng)器系統(tǒng)608能夠在系統(tǒng)控 制706的控制下調(diào)整衍射光柵606,以通過改變衍射光柵606的光柵或 方位來在束704中編碼數(shù)據(jù)。調(diào)整衍射光柵606以聚焦束704或?qū)?shù)據(jù) 編碼在束704中將在下面參考圖12和16進(jìn)行描述。
圖8是數(shù)據(jù)編碼的電磁輻射相對(duì)于時(shí)間的示例強(qiáng)度曲線圖。在圖8 中，水平軸802表示時(shí)間，而垂直軸804表示強(qiáng)度。方波806表示對(duì)應(yīng) 于二進(jìn)制數(shù)據(jù)串"10101"的電磁輻射束的強(qiáng)度變化。相對(duì)高強(qiáng)度區(qū) 808-81 0表示二進(jìn)制數(shù)字'T，，而相對(duì)低強(qiáng)度區(qū)811和812表示二進(jìn)制 數(shù)字"0"。方波806表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的由MEMS發(fā)射的數(shù)據(jù)承載 束。
回到圖7，膜致動(dòng)器系統(tǒng)604控制膜602的曲率，使得束704離開 膜602的表面朝著衍射光柵606反射。衍射光柵606被配置成將束704 分成若干周期衍射束，每一個(gè)周期衍射束以與向量708所成的不同角度 從衍射光柵606發(fā)射，向量708近似正交于計(jì)算設(shè)備610的表面。向量 710-714表示由衍射光柵606產(chǎn)生的五個(gè)分離的且周期衍射的電磁輻射 束的方向。束710對(duì)應(yīng)于基本上平行于向量708而被引導(dǎo)的束704的一 部分。束710還對(duì)應(yīng)于上面參考圖2-5所描述的數(shù)據(jù)承載束。束711和 712是以與向量708所成的角度a被引導(dǎo)的束704的部分，而束713和 714是以與向量708所成的相對(duì)較大的衍射角卩被引導(dǎo)的束7 04的部分。 假定向量708被引導(dǎo)到位于另一個(gè)計(jì)算設(shè)備上的光電檢測(cè)器，或者它能
10夠被引導(dǎo)到將數(shù)據(jù)承載束引導(dǎo)到位于另一個(gè)計(jì)算設(shè)備上的光電檢測(cè)器 的鏡子。
圖9是衍射束710-714的周期強(qiáng)度相對(duì)于衍射角的曲線圖。水平線 902是衍射角軸，而垂直線904是強(qiáng)度軸。強(qiáng)度峰值910-914被低強(qiáng)度 區(qū)分開。最高的強(qiáng)度峰值910對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)承載束710,而相對(duì)低強(qiáng)度的 峰值911-914對(duì)應(yīng)于束711-714,它們能夠用于動(dòng)態(tài)地對(duì)準(zhǔn)和聚焦數(shù)據(jù) 承載束710,如下面參考圖10所描述的。
圖7所示的束711-714中的兩個(gè)或更多束能夠用作一皮反射回到位于 MEMS 600相對(duì)側(cè)上的光電才全測(cè)器716和718的對(duì)準(zhǔn)束。光電斥全測(cè)器716 和718相對(duì)于位于接收器(未示出)上的反射器進(jìn)行定位，并且分別檢測(cè) 反射的對(duì)準(zhǔn)束720和722。光電檢測(cè)器716和718還與系統(tǒng)控制706進(jìn) 行電通信，系統(tǒng)控制706基于在光電檢測(cè)器716和718處的檢測(cè)事件來 協(xié)調(diào)源702、膜致動(dòng)器系統(tǒng)604和光柵致動(dòng)器系統(tǒng)608的操作。
本發(fā)明的實(shí)施例包含將數(shù)據(jù)承載束動(dòng)態(tài)地對(duì)準(zhǔn)和聚焦到位于不同 計(jì)算設(shè)備上的光電檢測(cè)器上。動(dòng)態(tài)對(duì)準(zhǔn)和聚焦可以剛好在數(shù)據(jù)傳輸開始 之前執(zhí)行，或者它可以在數(shù)據(jù)傳輸期間周期性地執(zhí)行以試圖減少由于擾 動(dòng)(諸如振動(dòng))而引起的數(shù)據(jù)傳輸中斷。例如，系統(tǒng)控制706可被配置 成當(dāng)反射的對(duì)準(zhǔn)束720和722未同時(shí)被光電檢測(cè)器716和718檢測(cè)到時(shí) 識(shí)別出數(shù)據(jù)承載束710未與光電檢測(cè)器對(duì)準(zhǔn)。系統(tǒng)控制706然后可中斷 數(shù)據(jù)傳輸，并引導(dǎo)源702發(fā)射非數(shù)據(jù)編碼束704，以便動(dòng)態(tài)地對(duì)準(zhǔn)和聚 焦數(shù)據(jù)承載束710。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，能夠按如下所述實(shí)現(xiàn)動(dòng) 態(tài)對(duì)準(zhǔn)和聚焦。如圖IOA所示，系統(tǒng)控制706引導(dǎo)源702發(fā)射束704。 MEMS 600隨后產(chǎn)生與向量708不對(duì)準(zhǔn)(衍射角為9)的數(shù)據(jù)承載束710和 與位于接收器(未示出)上的反射器不對(duì)準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)束711-714。結(jié)果，被 傳輸回到計(jì)算設(shè)備610的反射對(duì)準(zhǔn)束720和722不與光電檢測(cè)器716和 718排成一線。接下來，如圖10B所示，因?yàn)橄到y(tǒng)控制706未接收到指 示檢測(cè)到對(duì)準(zhǔn)束720和722之一或二者的信號(hào)，所以系統(tǒng)控制706引導(dǎo) 膜致動(dòng)器系統(tǒng)604和光柵致動(dòng)器系統(tǒng)608相應(yīng)地改變膜602的曲率并改 變書f射光4冊(cè)6 06的方位，如由方向箭頭1002、 1004和1 006所指示的， 使得數(shù)據(jù)承載束710與向量7 08對(duì)準(zhǔn)。
若干不同的膜致動(dòng)器系統(tǒng)能夠用于動(dòng)態(tài)地改變膜602的曲率。圖 11 A-l 1C示出三個(gè)不同的膜致動(dòng)器系統(tǒng)，每一個(gè)都表示本發(fā)明的實(shí)施例。(諸如彎曲部 (flexure))而耦合到致動(dòng)器1102,這些元件是本領(lǐng)域眾所周知的。 致動(dòng)器1102通過對(duì)偏置元件1104-U06施加力或減少偏置元件 11 04-1 106上的力來控制膜602的曲率，這些偏置元件又將膜602推成 或拉成不同的曲率，諸如更大的曲率1108。在圖11B中，膜602流體耦 合到填充有流體的第一儲(chǔ)存器1110 ( membrane 602 is fluidly coupled to fluid filling a first reservoir 1110)。如圖11B所示，第一 儲(chǔ)存器1110流體耦合到裝有相同流體的第二儲(chǔ)存器1112,第二儲(chǔ)存器 1112流體耦合到泵1114。泵1114可以是對(duì)第二儲(chǔ)存器1112中的流體 施加壓力的壓電泵，所述流體又將膜602推成或拉成不同的配置，諸如 更大曲率的配置1116。在圖11C中，膜602經(jīng)由位于膜602的非反射表 面上和腔室1124的相對(duì)表面上的電極(諸如電極1122)而電子耦合到 電壓源1120。電壓源1120提供在相對(duì)電極之間生成靜電排斥力或吸引 力的電壓，這些力將膜602推成或拉成具有不同曲率的不同配置，諸如 更大曲率的配置1126。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，電壓源1120提供在 相對(duì)電極之間生成靜磁排斥力或吸引力的電壓。
衍射光柵606能夠使用沿衍射光柵606的頂部、底部和側(cè)面定位的 扭轉(zhuǎn)支撐件(諸如扭轉(zhuǎn)彈簧或扭桿)而耦合到光柵致動(dòng)器結(jié)構(gòu)608。附 接到設(shè)備的扭轉(zhuǎn)支撐件是本領(lǐng)域眾所周知的。電極能夠置于衍射光柵 606和光柵致動(dòng)器系統(tǒng)608的相對(duì)表面上，使得當(dāng)將適當(dāng)?shù)碾妷菏┘拥?所述電極時(shí)，靜電或靜磁排斥力或吸引力能夠用于相對(duì)于光柵致動(dòng)器系 統(tǒng)608的固定位置改變衍射光柵606的方位。圖12示出了根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施例的三個(gè)不同旋轉(zhuǎn)軸1202-1204,衍射光柵606能夠圍繞這些旋轉(zhuǎn) 軸旋轉(zhuǎn)。例如，施加到衍射光柵606的下部的靜電排斥力使得衍射光柵 606繞軸1204旋轉(zhuǎn)，施加到衍射光柵606左下部的靜電排斥力使得衍射 光柵606繞軸1203旋轉(zhuǎn)，而施加到衍射光柵606右手部的靜電排斥力 使得衍射光柵6Q6繞軸1202旋轉(zhuǎn)。
能夠使用多種不同類型的衍射元件來形成衍射光柵606,所述衍射 元件是本領(lǐng)域眾所周知的。為衍射光柵606選擇的衍射元件的大小、布 置和類型取決于所需的對(duì)準(zhǔn)束的數(shù)量和布置以及從源發(fā)射的電磁輻射 的波長(zhǎng)。基于從衍射光柵發(fā)射的衍射束的波長(zhǎng)和數(shù)量選擇衍射元件的大 小、布置和類型的方法是本領(lǐng)域眾所周知的。圖13A示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基本上周期間隔的線性衍射元件的交替模式。圖13B示出根據(jù)本 發(fā)明買施例的基本上頭見則間隔的矩形扔-射7K牛的才冊(cè)才各。圖14A—14C示出 根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖13所示的不同類型的衍射元件沿線14-14的三 個(gè)橫截面圖。圖14A示出矩形形狀的衍射元件的橫截面圖。圖14B示出 在衍射元件之間形成間隔的圓形凹槽的橫截面圖。圖14C示出閃耀衍射 元件的橫截面圖。
圖15示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光柵光閥150G的等距視圖。光柵光 閥("GLV" ) 1500是能夠用作衍射光柵606的樣i機(jī)械相位光柵。GLV 1500 包含襯底1502、底部電極1504和十個(gè)條帶，諸如條帶1506。當(dāng)條帶未 受到干擾時(shí)，氣隙1508存在于條帶與電極1504之間。電壓源1510耦 合到交替條帶1512-1516和底部電極1504。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中， 襯底1502能夠由夾在頂鵠層與底硅層之間的中間氧化物層組成。所述 條帶能夠由沉積在氮化物或另一種合適材料的底層上的反射性頂層(諸 如鋁)組成。鋁層用作反射性表面。對(duì)于光柵光閥的概述參見"The Grating Light Valve: revolutionizing display technology" (D. M. Bloom， Proc. SPIE Vol. 3013， p. 165-171， Pro ject ion Di splays III, 1997年5月，Ming H. Wu; Ed)。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，條帶的寬 度和數(shù)量能夠根據(jù)源702發(fā)射的電磁輻射的波長(zhǎng)和所需的對(duì)準(zhǔn)束的數(shù)量 而改變。
通過使用通過向交替條帶1512-1516和電極1504施加適當(dāng)電壓而 產(chǎn)生的靜電力來下拉(pull down on)交替條帶1512-1516， GLV 1500 能夠操作為衍射光柵606。圖16A-16B示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖15所 示的GLV 1500沿線16-16的橫截面圖，其中使用GLV 1500作為反射器 和衍射光柵。在圖16A中，當(dāng)沒有電壓施加到交替條帶1512-1516和電 極1504時(shí)，條帶呈自然"向上"的位置。這個(gè)自然"向上"位置由條 帶材料的張應(yīng)力維持。當(dāng)所有條帶都位于同一平面時(shí)，從條帶的外表面 反射1604入射電f茲輻射1 602。然而，如圖16B所示，當(dāng)適當(dāng)?shù)碾妷菏?加到交替條帶1512-1516和電極1504時(shí)，靜電力朝著電極1504下拉交 替條帶1512-1516以形成衍射光柵606。入射電磁輻射束1606被衍射以 產(chǎn)生分開的電磁輻射周期衍射束1608和1610。在本發(fā)明的某些實(shí)施例 中，通過快速"接通"和"斷開"適當(dāng)?shù)碾妷?，GVL 1 5 00能夠用于將數(shù) 據(jù)編碼在具有基本上連續(xù)強(qiáng)度的電磁輻射中，如上面參考圖7所描述的。
13例的光子互連的MEMS 1700部分的等距 視圖。在圖17A中，MEMS 1700懸在節(jié)點(diǎn)1702的一部分的上方。MEMS 1700 包含下面參考圖17B更詳細(xì)描述的透鏡結(jié)構(gòu)1704,該透鏡結(jié)構(gòu)1704聚 焦從節(jié)點(diǎn)1702中的源1706發(fā)射的束。源1706可以是激光二極管或垂 直腔表面發(fā)射激光器。MEMS 1700附接到電機(jī)(未示出)，所述電機(jī)用于 橫向調(diào)整MEMS 1 700的位置并將從透鏡結(jié)構(gòu)1704發(fā)射的數(shù)據(jù)承載束引 導(dǎo)到位于第二節(jié)點(diǎn)(未示出)上的光電檢測(cè)器上。
圖17B示出才艮據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖17A所示的MEMS 1700和節(jié)點(diǎn) 1702沿線17B-17B的橫截面圖。透鏡結(jié)構(gòu)1704包含流體耦合到膜1710 的裝有流體的第一儲(chǔ)存器1708。該流體可以是透明液體，而膜1710可 以是薄的透明柔性材料，諸如硅、Si3N4、 Si02或一些其它合適的柔性透 明材料。第一儲(chǔ)存器1708流體耦合到第二儲(chǔ)存器1712,第二儲(chǔ)存器1712 在操作中耦合到泵1714。系統(tǒng)控制1716電子耦合到電機(jī)1718和泵1714， 以便動(dòng)態(tài)地將從源1706發(fā)射并透射通過透鏡結(jié)構(gòu)1704的數(shù)據(jù)承載束對(duì) 準(zhǔn)和聚焦到位于第二節(jié)點(diǎn)上的光電檢測(cè)器(未示出)上。電機(jī)1718用于
橫向地重新定位MEMS 1 700,并將數(shù)據(jù)承載束與光電檢測(cè)器對(duì)準(zhǔn)。泵1714 對(duì)第二儲(chǔ)存器1712施加壓力或減少第二儲(chǔ)存器1712上的壓力，第二儲(chǔ) 存器1712又對(duì)儲(chǔ)存器1708中的流體施加壓力或減少所述流體上的壓力 以改變膜1710的曲率并將數(shù)據(jù)承載束聚焦到光電檢測(cè)器上。泵1714可 以是壓電泵。
前面的描述為了說明目的使用了特定術(shù)語來提供對(duì)本發(fā)明的全面 理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員要明白的是，為了實(shí)施本發(fā)明不需要這些 特定細(xì)節(jié)。為了例證和描述目的，給出了本發(fā)明具體實(shí)施例的上述描述。 這些描述并不打算是窮盡的，或?qū)⒈景l(fā)明局限于所公開的精確形式。顯 然，根據(jù)以上示教，許多修改和改變是可能的。示出和描述了這些實(shí)施 例以便最好地解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，由此使本領(lǐng)域的其它技 術(shù)人員能夠最好地利用本發(fā)明和具有適合于所考慮的特定用途的各種 修改的各種實(shí)施例。將本發(fā)明的范圍旨在由所附權(quán)利要求書及其等效物 限定。
1權(quán)利要求
1.一種微機(jī)電系統(tǒng)(600)，包括膜(602)，其具有被配置成反射電磁輻射束的柔性凹表面；衍射光柵(606)，其被配置成將從所述膜反射的所述電磁輻射束分成一個(gè)或多個(gè)電磁輻射束；以及膜致動(dòng)器系統(tǒng)(604)，其在操作中耦合到所述膜，所述膜致動(dòng)器系統(tǒng)用于改變所述膜的曲率并將所述電磁輻射束引導(dǎo)到所述衍射光柵上。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括在操作中耦合到所述衍射光 柵的光柵致動(dòng)器系統(tǒng)(608),所述光柵致動(dòng)器系統(tǒng)用于改變所述衍射光 柵的方位以控制所述一個(gè)或多個(gè)分開的交替電磁輻射束的方向。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述衍射光柵還包括下述項(xiàng)的其中之一具有 一維衍射元件陣列的表面； 具有二維衍射元件陣列的表面；以及光柵光閱。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中從垂直腔表面發(fā)射激光器發(fā)射 所述電磁輻射束。
5. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述膜還包括下述項(xiàng)的其中之凹面布拉4各鏡；以及 凹面鍍4艮膜。
6. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述膜致動(dòng)器系統(tǒng)還包括如下 述項(xiàng)的其中之一泵(1114)和儲(chǔ)存器(111 G),所述儲(chǔ)存器裝有流體并流體耦合到所述 膜(602),所述泵對(duì)所述流體施加壓力以改變所述膜的曲率和所述電磁 輻射束的方向；泵(1102)和彎曲部(1104-1106),所迷彎曲部耦合到所述膜，所述 泵對(duì)所述彎曲部施加壓力以改變所述膜的曲率和所述電磁輻射束的方 向；以及電壓源(1120)和電極(1122)，所述電極位于與所述膜的反射表面相 對(duì)的所述膜的 一側(cè)上，所述電壓源向所述電極提供偏壓以產(chǎn)生靜電排斥 力來改變所述膜的曲率和所述電磁輻射束的方向。
7. —種微機(jī)電系統(tǒng)(1700),包括透鏡結(jié)構(gòu)(1704),其包含具有柔性彎曲表面的基本透明膜(1710)和 裝有流體并且流體耦合到所述膜的儲(chǔ)存器(1708、 1712);以及致動(dòng)器系統(tǒng)，其在操作中耦合到所述儲(chǔ)存器，所述致動(dòng)器系統(tǒng)用于 對(duì)所述流體施加壓力以改變所述膜的曲率和所述透鏡結(jié)構(gòu)的焦點(diǎn)。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述透明膜和填充有流體的儲(chǔ)存器形成雙曲透^:。
9. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述膜致動(dòng)器系統(tǒng)還包括 滑閥，其流體耦合到所述儲(chǔ)存器；以及泵(1714),其在操作中耦合到所述滑閥，所述泵用于對(duì)所述滑閥施 加壓力，所述滑閥又對(duì)所述流體施加壓力以改變所述膜的曲率和所述透 鏡結(jié)構(gòu)的焦點(diǎn)。
10. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括在操作中耦合到所述膜致動(dòng) 器系統(tǒng)的電機(jī)(1718),所述電機(jī)用于通過相對(duì)于電磁輻射源改變所述透 鏡結(jié)構(gòu)的位置來改變所述透鏡的焦點(diǎn)。
全文摘要
本發(fā)明的各種實(shí)施例針對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)和采用微機(jī)電系統(tǒng)的光子互連。本發(fā)明的一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)實(shí)施例包含透鏡結(jié)構(gòu)(1704)和致動(dòng)器。透鏡結(jié)構(gòu)包含具有柔性彎曲表面的基本透明膜(1710)和流體耦合到該膜的裝有流體的儲(chǔ)存器(1708、1710)。致動(dòng)器系統(tǒng)在操作中耦合到儲(chǔ)存器以便對(duì)流體施加壓力來改變?cè)撃さ那屎屯哥R結(jié)構(gòu)的焦點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/12GK101687630SQ200880022532
公開日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者M·西格拉斯, R·S·威廉斯, S·-Y·王, T·莫里斯 申請(qǐng)人:惠普開發(fā)有限公司