DE10012624A1

DE10012624A1 - Methode und Vorrichtung zum Senden optischer Signale in einen optoelektrischen Computer-Netzwerk

Info

Publication number: DE10012624A1
Application number: DE10012624A
Authority: DE
Inventors: Daniel Mcconell; Charlie Munoz-Bustamante
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: Lenovo Singapore Pte Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2020-03-16
Also published as: KR20010006793A; DE10012624B4; US6529299B1; KR100322714B1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Senden optischer Signale innerhalb eines optoelektronischen Computer-Netzwerks wird offengelegt. Das optoelektronische Computer-Netzwerk umfaßt mehrere Computer. Jeder der Computer umfaßt ein erstes Glasfaserkabel zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel zum Empfang optischer Signalstrahlen. Die Vorrichtung zum Senden optischer Signale innerhalb des optoelektronischen Computer-Netzwerks umfaßt eine Linse und ein Spiegel-Array. Die Linse kann einen optischen Signalstrahl von einem ersten Glasfaserkabel von einem der Computer in mehrere optische Signalstrahlen aufteilen. Der Spiegel-Array aus einer Reihe verformbarer Spiegel leitet dann jeden einzelnen der aufgeteilten Signalstrahlen an ein entsprechendes Glasfaserkabel an einen der ausgewählten restlichen Computer in dem optoelektronischen Computer-Netzwerk weiter.

Description

Technischer Hintergrund

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einer Methode und Vorrichtung für die Übertragung von Signalen im allgemeinen und mit einer Methode und Vorrichtung zur Übertragung von optischen Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk im besonderen.

Stand der Technik

Bei einem optoelektrischen Computer-Netzwerk handelt es sich um ein Computer-Netzwerk, in dem digitale Datensignale sowohl über optische als auch über elektrisch leitende Pfade geleitet werden. Zumeist sind alle Computer in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk optoelektrische Computer. Ein optoelektrischer Computer ist ein Computersystem, in dem digitale Datensignale sowohl über elektrisch leitende Busse als auch über optische Busse (oder Pfade) geleitet werden. Typischerweise ist ein optoelektrischer Computer mit Möglichkeiten zur optischen Verknüpfung ausgestattet und kann beispielsweise Halbleitergeräte mit "Vertical Cavity Surface Emitting Lasers" (VCSELs) als Wandler für den optoelektrischen Austausch verwenden.

In einem optoelektrischen Computer-Netzwerk kann ein optischer Hub verwendet werden, um Informationen zwischen allen Computern innerhalb des Netzwerks auszutauschen. Der optische Hub arbeitet analog zu einem elektrischen Netzwerkschalter und ermöglicht die gleichzeitige Kommunikation zwischen mehreren Computern. In einem solchen optoelektrischen Computer-Netzwerk kann sich ein effizientes Zuweisen verfügbarer optischer Pfadressourcen zur Übertragung optischer Signale schwierig gestalten, vor allem dort, wo die Kapazitäten der optischen Pfade die Kapazitäten der elektrisch leitenden Pfade übertreffen, wie beispielsweise bei Bussen früherer Generationen an Datenverarbeitungssystemen. Die vorliegende Offenlegung bietet eine Vorrichtung zum Senden optischer Signale in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk, so daß ein einzelner optischer Pfad verwendet werden kann, um ein optisches Signal an mehrere Empfänger zu versenden, die vom Sender ausgewählt werden. Dies kann wichtig beim Liefern von Inhalt sein, wie etwa Videovorführungen auf Anfrage oder Vorlesungen über ein optoelektrisches Computer-Netzwerk.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein optoelektrisches Computer-Netzwerk umfaßt mehrere Computer. Jeder der Computer umfaßt ein erstes Glasfaserkabel zum Senden optischer Signalstrahlen sowie ein zweites Glasfaserkabel zum Empfangen von Signalstrahlen. In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfaßt die Vorrichtung zum Senden von Signalen innerhalb des optoelektrischen Computer-Netzwerks eine Linse und einen Spiegel-Array. Die Linse splittet einen optischen Signalstrahl von einem ersten Glasfaserkabel von einem der Computer in mehrere optische Signalstrahlen auf. Der Spiegel-Array besteht aus einer Reihe von formbaren Spiegeln und leitet anschließend jeden einzelnen der optischen Signalstrahlen zum entsprechenden zweiten Glasfaserkabel der restlichen Computer des Netzwerks.

Alle Ziele, Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung selbst sowie das bevorzugte Ausführungsbeispiel zur Anwendung, weitere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines optoelektrischen Computer-Netzwerks mit optischen Verknüpfungen darstellt, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegenden der Erfindung;

Fig. 2 eine grafische Ansicht eines Netzwerk-Schaltmechanismus innerhalb des optischen Hubs aus Fig. 1 darstellt, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine grafische Ansicht eines Netzwerksendemechanismus innerhalb des optischen Hubs aus Fig. 1 darstellt, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4a-4c eine perspektivische Darstellung, ein Grundriß sowie eine Ansicht im Querschnitt darstellen, die alle ein einzelnes Pixel eines verformbaren Spiegels zeigen, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Strahlablenkung ist, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 ist ein detailliertes Blockdiagramm eines optoelektrischen Computer-Netzwerks mit optischen Verknüpfungen in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei einem optoelektronischen Computer-Netzwerk 10 kann es sich um ein Local Area Network (LAN) oder ein Wide Area Network (WAN) handeln. Wie gezeigt, umfaßt ein optoelektrisches Netzwerk 10 die Computer 11 bis 19 sowie einen Hub 5. Bei jedem der Computer 11 bis 19 kann es sich um einen Personal Computer, einen Computer mittlerer Größe oder einen Großcomputer handeln. Vorzugsweise verfügt jeder der Computer 11 bis 19 über Möglichkeiten zur optischen Verknüpfung, so daß alle Computer 11 bis 19 über einen optischen Hub 5 miteinander verbunden werden können. Die optische Verknüpfung zwischen einem der Computer 11 bis 19 und einem optischen Hub 5 besteht aus mindestens zwei Glasfaserkabeln, eines zur Übertragung optischer Signale zum optischen Hub 5 und das andere zum Empfang optischer Signale vom optischen Hub 5. Ein Glasfaserkabel 11s beispielsweise sendet optische Signale vom Computer 11 an den optischen Hub 5, und ein Glasfaserkabel 11r leitet optische Signale vom optischen Hub 5 an den Computer 11. Die gesamte Kommunikation zwischen den Computern 11 bis 19 wird über den optischen Hub 5 durchgeführt. Im wesentlichen arbeitet das optische Hub 5 als Netzwerk-Schalter für die Computer 11 bis 19 innerhalb des optoelektrischen Computer-Netzwerks 10.

Fig. 2 zeigt eine grafische Darstellung eines Netzwerk-Schaltmechanismus innerhalb eines optischen Hubs 5, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Netzwerk- Schaltmechanismus 20 umfaßt einen Spiegel-Array 7 und zwei Glasfaserbündel 8, 9. Bei dem Spiegel-Array 7 handelt es sich vorzugsweise um ein verformbares Spiegelgerät (Deformable Mirror Device = DMD) mit mehreren Spiegeln, wie etwa Spiegel 22, angeordnet in der Form eines Arrays. Einzelheiten eines DMD werden später beschrieben. Ein Glasfaserbündel 8 umfaßt eine Gruppe von Glasfaserkabeln, wobei jedes einzelne der Kabel einem der Computer 11 bis 19 aus Figur zugeordnet ist. Jedes Glasfaserkabel überträgt Signale vom zugeordneten Computer zum Spiegel- Array 7. Das Glasfaserkabel 11s beispielsweise überträgt optische Signale vom Computer 11 (aus Fig. 1) an den Spiegel-Array 7. Umgekehrt überträgt das Glasfaserkabel 11r optische Signale an den Computer 11 vom Spiegel- Array 7. Jeder Spiegel 21 innerhalb des Spiegel-Arrays 7 kann unabhängig angepaßt werden, um ein optisches Signal zu reflektieren, das von einem optischen Glasfaserkabel innerhalb eines Glasfaserbündels 8 an ein gewünschtes Glasfaserkabel im Glasfaserbündel 9 zu senden. Vorzugsweise können mehrere optische Signale gleichzeitig über verschiedene Glasfaserkabel eines Glasfaserbündels übertragen werden, wie in Fig. 2 dargestellt. Somit ist eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zwischen zwei Computern 11-19 über die Winkelanpassung der Spiegel 21 im Spiegel-Array 7 möglich.

Fig. 3 zeigt eine grafische Ansicht eines Netzwerksendemechanismus innerhalb des optischen Hubs 5, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, umfaßt der Netzwerksendemechanismus 30 einen Konvexspiegel 31 und eine Linse 32 zusammen mit einem Spiegel-Array 7 sowie zwei Glasfaserbündel 8, 9, wie in Fig. 2 gezeigt. In Fig. 3 wird nur das Glasfaserkabel 11s des Glasfaserbündels 8 gezeigt, aus Gründen einer vereinfachten Darstellung. Wenn der Computer 11 (aus Fig. 1) bestimmte Informationen an alle oder an bestimmte andere Computer zu senden hat, sendet der Computer 11 zunächst einen entsprechenden optische Signalstrahl an einen der Spiegel 21 innerhalb des Spiegel-Arrays 7 über ein Glasfaserkabel, wie etwa das Glasfaserkabel 11s. Statt die optischen Signale direkt zum Glasfaserbündel 9 reflektieren (wie in Fig. 2 gezeigt), reflektiert der Spiegel im Spiegel-Array 7 den optischen Signalstrahl zum Konvexspiegel 31, der den optischen Signalstrahl daraufhin zur Linse 32 reflektiert. Die Linse 32 mit einer spezifischen Brennweite, wie sie den Fachleuten bekannt sein dürfte, teilt den optischen Signalstrahl in mehrere optische Signalstrahlen auf und leitet die Signalstrahlen an die verschiedenen Spiegel 21 innerhalb des Spiegel-Arrays 7 weiter. Alle optischen Signalstrahlen verlaufen im wesentlichen parallel zueinander. Jeder Spiegel 21 innerhalb des Spiegel-Arrays 7 wird dann unabhängig von den anderen an einen Winkel angepaßt, damit alle optischen Signalstrahlen von der Linse 32 zu einem entsprechenden Glasfaserkabel in einem Glasfaserbündel 9 geleitet werden. Als Ergebnis werden die Informationen vom Computer 11 an die ausgewählten restlichen Computer im optoelektrischen Netzwerk 10 gesendet. Es ist zu beachten, daß der zum Computer 11 gehörige Spiegel so angepaßt werden kann, daß der optische Signalstrahl, falls gewünscht, nicht zum Glasfaserkabel 11r des Glasfaserbündels 9 übertragen wird.

Wie zuvor bereits erwähnt, handelt es sich bei dem Spiegel-Array 7 vorzugsweise um einen DMD. Ein DMD ist ein Transducer, der ein auftretendes Licht in ein räumliches Muster umwandelt, das einem elektrischen oder optischen Input entspricht. Das auftretende Licht kann in seiner Phase, Intensität, Polarisierung oder Richtung moduliert werden und die Lichtmodulation kann durch eine Reihe von Materialien hervorgerufen werden, die optoelektrische oder optomagnetische Effekte aufweisen und durch Material, das Licht durch Oberflächenverformung moduliert. Ein DMD wird normalerweise aus Bereichs-Arrays aus Pixeln (oder Spiegeln) gebildet, wobei jeder Pixel einzeln verwendet werden kann und über mindestens einen ablenkbaren Reflektierstrahl verfügt. Ein DMD arbeitet mit Reflektieren von Licht von den Pixeln, und das reflektierte Licht wird durch variiert Ablenkung der ablenkbaren Strahlen moduliert. Die Fig. 4a-4c zeigen einen einzelnen Pixel eines DMD in perspektivischer Darstellung, als Grundriß sowie als Ansicht im Querschnitt, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Fig. 4c ist ein Querschnitt entlang der Linie c-c, die in den Fig. 4a und 4b dargestellt wird. Ein Pixel in einem DMD ist ein Träger (oder eine Platte) über einer flachen Wanne. Wie gezeigt umfaßt ein Pixel 40 ein Siliziumsubstrat 41, einen isolierenden Abstandhalter 92, eine bewegliche Metallschicht 43, eine Metallträgerschicht 44, einen Träger 45 und mehrere Plasma-Ätz- Zugriffsöffnungen 46 im Träger 45. Die Teile 47 und 48 der beweglichen Schicht 43, die von der Trägerschicht 44 abgedeckt werden, bilden Torsionsgelenke (Torsionsstangen), die den Träger 45 mit den Teilen der Schichten 43 und 44 auf dem Abstandhalter 42 verbinden. Die Elektroden 54 bewegen sich zwischen dem Abstandhalter 42 und dem Substrat 44 und sind vom Substrat 91 durch eine Schicht aus Siliziumdioxid 50 isoliert.

Bevorzugte Abmessungen für Pixel 40 sind die folgenden: Träger 45 ist ein Quadrat, dessen Seiten 12,5 Micron lang sind, der Abstandhalter 42 ist 4,0 Micron dick, die bewegliche Schicht 43 ist 800 Å dick, die Trägerschicht 44 ist 3.600 Å dick, jede der beweglichen Schichten 47, 48 ist 4,6 Micron lang und 1,8 Micron breit, die Plasma-Ätz-Zugriffsöffnungen 46 haben einen Durchmesser von 2,0 Micron und die Plasma-Ätz-Lücke 55 (der Platz zwischen Träger 45 und dem Rest der Trägerschicht 44) ist 2,0 Micron breit. Andere mögliche Abmessungen für Pixel 40, um einen maximalen Strahlablenkungswinkel von ca. 10 Grad zu erzielen, sind die folgenden:
Träger 45 ist ein Quadrat, dessen Seiten 19 Micron lang sind, der Abstandhalter 42 ist 2, 3 Micron dick, die bewegliche Schicht 43 ist 750 Å dick, die Trägerschicht 44 ist 3.000 Å dick, jede der beweglichen Schichten 47, 48 ist 4,6 Micron lang und 1,0 Micron breit, die Plasma-Ätz- Zugriffsöffnungen 46 haben einen Durchmesser von 1,5 Micron und die Plasma-Ätz-Lücke 55 ist 1,0 Micron breit.

Das Substrat 41 besteht aus Silizium mit einem Widerstand von ca. 10 Ohm- cm. Der Abstandhalter 42 dient der Isloation; sowohl die beweglichen Schichten 43 als auch die Trägerschicht 44 sind einer Legierung aus Aluminium, Titanium und Silizium (Ti:Si:Al) mit 1% Ti und 1% Si. Diese Legierung hat einen Koeffizienten für die thermische Ausdehnung, der sich von dem des Abstandhalters 42 nicht wesentlich unterscheidet und somit die Spannung zwischen den Metallschichten und dem Abstandhalter 42 während des Herstellungsprozesses minimiert. Es ist zu beachten, daß jede Spannung zwischen den Schichten im Träger oder der beweglichen Schicht ein Abknicken oder Abbiegen des freien Teils des Metalls über der Wanne bewirken kann.

Pixel 40 arbeitet, indem eine Spannung zwischen den Metallschichten 43, 44 und den Elektroden 53 oder 54 auf dem Substrat 41 angelegt wird; Träger 45 und die Elektroden bilden die beiden Platten für einen Luftlückenkondensator, und die gegensätzlichen Ladungen auf den beiden Platten durch die angelegte Spannung erzeugt einen Träger mit elektrostatischer Anziehung 45 auf das Substrat 41, wobei die Elektroden 51 und 52 über die gleiche Spannung verfügen wie der Träger 45. Diese Anziehungskraft bewirkt, daß sich der Träger 45 an den beweglichen Schichten 47, 48 dreht und zum Substrat 41 abgelenkt wird.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht der oben genannten Ablenkung zusammen mit einer Angabe der Ladungen, die in den Regionen der schmalsten Lücken konzentriert werden, für eine positive Ladung an der Elektrode 53. Für Ladungen im Bereich von 20 Volt bewegt sich die Ablenkung in einem Bereich von 2 Grad. Wenn jedoch die bewegliche Schicht 47 länger, dünner oder schmaler wird, kann die Ablenkung größer werden, da die Anpassung der beweglichen Schicht 47 linear und entgegengesetzt zu seiner Breite und direkt mit dem Quadrat seiner Länge und entgegengesetzt mit der dritten Potenz der Dicke variiert. Es ist zu beachten, daß die Dicke von Träger 45 größere Abbiegungen von Träger 45 verhindert, indem Oberflächenspannung bei der Herstellung erzeugt wird, und die dünne bewegliche Schicht 47 eine große Anpassung ermöglicht. Fig. 5 zeigt auch die Reflexion von Licht vom abgelenkten Träger 45, wie sie beim Betrieb auftreten kann.

Wie beschrieben, bietet die vorliegende Erfindung eine Methode und eine Vorrichtung zum Senden von Signalen in einem optoelektrischen Computer- Netzwerk. Die vorliegende Erfindung bietet Netzwerksendefunktionen durch eine modulierbare Lichtquelle, fokussiert auf ein erstes Glasfaserbündel, ein zweites Glasfaserbündel und ein elektrisch gesteuertes DMD, das zwischen die Enden der beiden Glasfaserbündel geschaltet ist. Durch Steuerung des DMD können die Zwischenschaltungen zwischen Glasfaserbündeln so gesteuert werden, daß optische Signalkommunikation zwischen den beiden Glasfaserbündeln erstellt oder unterbrochen werden kann, um so ein weit gefaßtes Array in ein eng gefaßtes Array zu verwandeln und die optische Verbindung ausgewählter Teile der Glasfaserbündel zu steuern und die optische Verbindung zu bestimmten Teilen der Glasfaserbündel selektiv auszuschließen.

Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben und erläutert wurde, sollte den Fachleuten klar sein, daß verschiedene Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne Ziel und Zweck der Erfindung nachhaltig zu verändern.

Claims

1. Eine Vorrichtung zum Senden von Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk, wobei das genannte optoelektrische Computer- Netzwerk eine Vielzahl an Computern umfaßt, wobei jeder der vielen Computer ein erstes Glasfaserkabel zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel zum Empfang optischer Signalstrahlen umfaßt, weiterhin folgendes umfassend:
Eine Linse zum Aufteilen eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel von einem der vielen Computer in eine Vielzahl von optischen Signalstrahlen;
Ein Spiegel-Array mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln, die jeden der optischen Signalstrahlen zu einem entsprechenden zweiten Glasfaserkabel von mindestens einem der vielen Computer leiten.

2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Spiegel-Array um eine verformbare Spiegelvorrichtung handelt.

3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Vorrichtung weiterhin einen Konvex-Spiegel umfaßt.

4. Ein optoelektrisches Computer-Netzwerk, folgendes umfassend:
Eine Vielzahl an Computern, wobei jeder der vielen Computer ein erstes Glasfaserkabel zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel zum Empfang optischer Signalstrahlen umfaßt; und
ein optischer Hub, der mit der Vielzahl an Computern gekoppelt ist, wobei der genannte optische Hub folgendes umfaßt:
eine Linse zur Aufteilung eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel von einem der vielen Computer in eine Vielzahl von optischen Signalstrahlen; und
ein Spiegel-Array mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln, die jeden einzelnen der optischen Signalstrahlen zum entsprechenden zweiten Glasfaserkabel von mindestens einem der vielen Computer leitet.

5. Das optoelektrische Computer-Netzwerk nach Anspruch 4, wobei der genannte Spiegel-Array eine verformbare Spiegelvorrichtung ist.

6. Ein optoelektrisches Computer-Netzwerk nach Anspruch 4, wobei die genannte Vorrichtung weiterhin einen Konvex-Spiegel umfaßt.

7. Eine Methode zum Senden von Signalen in einem optoelektrischen Computer-Netzwerk, wobei das genannte optoelektrische Computer- Netzwerk eine Vielzahl von Computern umfaßt, wobei jeder der vielen Computer ein erstes Glasfaserkabel zum Senden optischer Signalstrahlen und ein zweites Glasfaserkabel zum Empfang optischer Signalstrahlen umfaßt, wobei diese Methode weiterhin folgende Schritte umfaßt:
Aufteilen eines optischen Signalstrahls von einem ersten Glasfaserkabel von einen der genannten zahlreichen Computer in einer Vielzahl an optischen Signalstrahlen; und
Verwenden eines Spiegel-Arrays mit einer Vielzahl an verformbaren Spiegeln, um jeden der optischen Signalstrahlen zu einem entsprechenden zweiten Glasfaserkabel von mindestens einem der ausgewählten restlichen Computer weiterzuleiten.

8. Die Methode nach Anspruch 7, wobei der genannte Spiegel-Array eine verformbare Spiegelvorrichtung ist.

9. Die Methode nach Anspruch 7, wobei der genannte Schritt zum Aufteilen weiterhin einen Schritt zum Verwenden einer Linse zum Aufteilen der genannten optischen Signalstrahlen umfaßt.