微小電気機械システム、及び微小電気機械システムを利用するフォトニック相互接続
本発明の様々な実施形態は、微小電気機械システム、及び微小電気機械システムを利用するフォトニック相互接続を対象とする。本発明の微小電気機械システムの一実施形態は、レンズ構造要素(1704)及びアクチュエータを含む。レンズ構造要素は、フレキシブルな曲面を有する実質的に透明な膜(1710)、及び膜に流体的に連通するように結合される流体を保持するリザーバ(1708、1710)を含む。アクチュエータシステムは、膜の曲率およびレンズ構造要素の焦点を変更するように流体に圧力を加えるために、リザーバに動作可能に結合される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、微小電気機械システム及びフォトニック相互接続を対象とし、特にデータ符号化電磁放射線を動的に集束させて位置合わせするために微小電気機械システムを利用する、微小電気機械システム及びフォトニック相互接続を対象とする。
【0002】
背景
分散コンピューティングは、単一のコンピュータタスクが分散コンピューティングプラットフォーム(distributed computing platform:「DCP」)のノードで同時に且つ別個に実行され得る多数のコンピュータタスクに分割されるコンピュータ処理方法である。ノードは、サーバ、コンピュータ、メモリ、周辺装置、又は任意の他のデータ処理および/または記憶装置とすることができる。コンピュータは、1つ又は複数のメモリデバイス、及び1つ又は複数のプロセッサを含むことができる。ノード間にデータを分散させるために、ノードは一般に、高速で低い待ち時間の電気相互接続を介してスイッチに相互接続され、当該スイッチを用いてノード間でデータを伝送する。図1は、8ノードDCP 100の略図を示す。DCP100はノード102〜109及びスイッチ110を含む。ノード102〜109は2つの列に配列され、イーサネット(R)ケーブルのようなデータ伝送ケーブルを介してスイッチ110に電子的に相互接続される。ノード102〜109は、1つ又は複数のラック又はキャビネット(図示せず)に収容され、処理のためにノード102〜109間にデータのパケットを送出するようにスイッチ110を使用することができる。例えば、スイッチ110を用いて、ノード104により生成されたデータを、更なる処理のためにノード103及び107に伝えることができる。
【0003】
一般に、DCPは、並列処理アプリケーションのための効率的なコンピューティングプラットフォームである。しかしながら、一般的なDCPは非効率的なエネルギー消費装置である。特に、金属ワイヤを使用してノードとノードの構成要素を相互接続することが多く、金属ワイヤを介して電気信号を伝送するために必要なエネルギーの大部分は、熱として放散される。例えば、Cuのワイヤを介して信号を伝送するために必要な電気エネルギーの約80〜90%は、熱として放散される。この熱が蓄積するのを防止し、ノードの構成要素、ワイヤ、及び他の電気相互接続に回復困難な損傷をもたらすことを防止するために、DCPは一般に空調室に配置され、各ノードは、ノードの構成要素および回路基板のワイヤにわたって空気を循環させる1つ又は複数の通風機を含むことができる。しかしながら、DCPを冷却するためだけに必要なエネルギーが、DCPを動作させるために必要な全エネルギー量に追加される。ノードとノードの構成要素との間に高帯域幅で高速の相互接続を提供し、且つ使用するエネルギーが少なく、一般的なDCPで使用される従来の電気相互接続よりも発生する熱が少ない相互接続の必要性を、製造業者、設計者、及びDCPのユーザは認識している。
【0004】
概要
本発明の様々な実施形態は、微小電気機械システム、及び微小電気機械システムを利用するフォトニック相互接続を対象とする。本発明の微小電気機械システムの一実施形態は、レンズ構造要素およびアクチュエータを含む。レンズ構造要素は、フレキシブルな曲面を有する実質的に透明な膜、及び膜に流体的に連通するように結合される流体を保持するリザーバを含む。アクチュエータシステムは、膜の曲率およびレンズ構造要素の焦点を変更するように流体に圧力を加えるために、リザーバに動作可能に結合される。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】8ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図2】本発明の実施形態による、フォトニック相互接続を含む10ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図3A】本発明の実施形態による、受信器が、異なる時間に2つの異なるノードにより生成された電磁放射線のデータ搬送ビームを検出するように動作可能である4ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図3B】本発明の実施形態による、受信器が、異なる時間に2つの異なるノードにより生成された電磁放射線のデータ搬送ビームを検出するように動作可能である4ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図4】本発明の実施形態による、オンボードのフォトニック通信のためにノードの構成要素に配置されたフォトニック相互接続を有するノードを示す図である。
【図5A】本発明の一実施形態を表すフォトニック相互接続を示す図である。
【図5B】本発明の一実施形態を表す別の種類のフォトニック相互接続を示す図である。
【図6】本発明の実施形態による、微小電気機械システムの等角図である。
【図7】本発明の実施形態による、図6に示された線7−7に沿った微小電気機械システムの断面図である。
【図8】時間に対するデータ符号化電磁放射線の強度のグラフである。
【図9】回折格子から出力された5つの回折ビームに関する、周期的強度−対−回折角のグラフである。
【図10A】本発明の実施形態による、図7に示された微小電気機械システムを用いて電磁放射線のデータ搬送ビームの動的な位置合わせと集束を示す図である。
【図10B】本発明の実施形態による、図7に示された微小電気機械システムを用いて電磁放射線のデータ搬送ビームの動的な位置合わせと集束を示す図である。
【図11A】本発明の実施形態を表す膜アクチュエータシステムを示す図である。
【図11B】本発明の実施形態を表す膜アクチュエータシステムを示す図である。
【図11C】本発明の実施形態を表す膜アクチュエータシステムを示す図である。
【図12】本発明の実施形態による、図6に示された回折格子が回転することができる3つの回転軸を示す図である。
【図13A】本発明の実施形態を表す回折格子の実質的に反復的要素を示す図である。
【図13B】本発明の実施形態を表す回折格子の実質的に反復的要素を示す図である。
【図14A】本発明の実施形態による、図13に示された、線14−14に沿った回折要素の断面図である。
【図14B】本発明の実施形態による、図13に示された、線14−14に沿った回折要素の断面図である。
【図14C】本発明の実施形態による、図13に示された、線14−14に沿った回折要素の断面図である。
【図15】本発明の実施形態による回折格子ライトバルブの等角図である。
【図16A】本発明の実施形態に従って、反射器および回折格子として回折格子ライトバルブを用いる、図15に示された線16−16に沿った回折格子ライトバルブの断面図である。
【図16B】本発明の実施形態に従って、反射器および回折格子として回折格子ライトバルブを用いる、図15に示された線16−16に沿った回折格子ライトバルブの断面図である。
【図17A】本発明の実施形態によるフォトニック相互接続の微小電気機械システムを示す図である。
【図17B】本発明の実施形態によるフォトニック相互接続の微小電気機械システムを示す図である。
【0006】
詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、微小電気機械システム、及び微小電気機械システムを利用するフォトニック相互接続を対象とする。フォトニック相互接続を用いて、DCPのノード間の特定の電気相互接続を置き換える、及びノードの構成要素間の特定の電気相互接続を置き換えることができる。フォトニック相互接続は、ノードとノードの構成要素との間に、より高い帯域幅でより高速の相互接続を提供することができ、より少ないエネルギーを使用して、従来の電気相互接続よりも発生する熱を少なくすることができる。
【0007】
プロセッサにより生成された情報、又はノードのメモリから取り出された情報は、「データ搬送ビーム」と呼ばれる電磁放射線のビームに符号化される。本発明のフォトニック相互接続は、微小電気機械システムを利用して、データ搬送ビームをDCP内の異なるノードに配置された受信機に、又は同じノード内の構成要素に配置された受信機に送る。受信機は、ノードにより処理され得る電気信号または電磁放射線信号へとデータ搬送ビームを変換する光検出器を含む。本発明の微小電気機械システムは、データ搬送ビームを対応する光検出器上に動的に位置合わせして集束する(focus:結像する)ことができる。
【0008】
図2は、本発明の実施形態によるフォトニック相互接続を含む10ノードDCP200の略図を示す。DCP200は、第1の列208に構成されたノード202〜206、及び第2の列216に構成されたノード210〜214を含む。ノード202〜206及び210〜214は、1つ又は複数のラック又はキャビネット(図示せず)に収容され得る。列内の各ノードは、同じ列内の他のノードとフォトニック通信することができ、本発明のフォトニック相互接続の実施形態を介して隣接する列の特定のノードとフォトニック通信することができる。本発明のフォトニック相互接続の実施形態は、第1のノードに配置された微小電気機械システム(「MEMS」)及び第2のノードに配置された受信機を含む。例えば、図2に示されるように、ノード203は、5つのフォトニック相互接続を介して、第1の列208のノード202及び204〜206と、及び第2の列216の隣接するノード211とフォトニック通信する。5つのフォトニック相互接続は、ノード203に配置された5つのMEMS220〜224の全て、並びに第1の列のノード202と204〜206及び第2の列216の隣接するノード211に配置された5つの対応する受信機230〜234を含む。MEMS220〜224の実施形態は、図6〜図17に関連して以下に詳述される。ノード203は、更なる処理のためにノード202、204〜206及び211に伝えられるデータ搬送ビーム240〜244の形態でデータを生成する。MEMS220は、ノード202の下側に配置された受信機230にデータ搬送ビーム240を送るように構成され、MEMS221は、データ搬送ビーム241を受信機231に送るように構成される。ノード204は、隣接していないノード205に配置された受信機232へ妨げられずにデータ搬送ビーム242をMEMS222が送ることができるように、開口250を含む。ノード204は開口252を含み、またノード205は、隣接していないノード206に配置された受信機233へ妨げられずにデータ搬送ビーム243をMEMS223が送ることができるように、開口253を含む。MEMS224は、データ搬送ビーム244を受信機234に水平方向に送るように構成される。
【0009】
隣接しないノード間でのデータ搬送ビームの伝送を可能にするために使用される開口のサイズは、データ搬送ビームを生成するノードに接近するほど増大する。例えば、開口252は開口253より大きい。開口は、円形、楕円形、正方形、長方形、又はノードを貫通するデータ搬送ビームの妨げられない伝送に適した任意の他の形状とすることができる。留意すべきは、DCPのフォトニック相互接続は、ノード間の電気相互接続の全てを置き換えることはできない。言い換えれば、本発明のフォトニック相互接続は、特定の電気相互接続のみを置き換えるために使用され得る。例えば、図2に示されるように、DCP200は、ノード間の電気相互接続を介して特定のデータ搬送電気信号の伝送を提供するスイッチ(図示せず)も含むことができる。
【0010】
本発明の他の実施形態において、受信機は、圧電モータのようなモータに電子的に結合されることができ、当該モータは、異なる時間に異なるノードにより生成されるデータ搬送ビームを傍受するように受信機を再位置決めするように動作可能である。図3A〜図3Bは、本発明の実施形態に従って、異なる時間に2つの異なるノードにより生成されるデータ搬送ビームを検出するために、受信機が再位置決めされ得る、4ノードDCP300の略図を示す。図3Aに示されるように、DCP300は4つのノード302〜305の列を含む。ノード302はMEMS306とMEMS312を含む。MEMS306は、ノード303に配置された受信機310に第1のデータ搬送ビーム308を送り、MEMS312は、ノード305に配置された受信機316に第2のデータ搬送ビーム314を送る。ノード303は、ノード304の第1の位置に配置された受信機322に第3のデータ搬送ビーム320を送るMEMS318を含む。最初に、図3Aに示されるように、第2のデータ搬送ビーム314が、受信機316に達するように、ノード303の開口324及びノード304の開口326を妨げられずに通過する。しかしながら、その後、図3Bに示されるように、ノード303がもはやノード304にデータを伝えず、且つノード302がノード305の代わりにノード304にデータを伝える必要がある場合、受信機322は、データ搬送ビーム314を傍受するように、受信機322に動作可能に結合されたモータ(図示せず)を介して、再位置決めされ得る。
【0011】
本発明の他の実施形態において、本発明のフォトニック相互接続は、電子バスの電気信号線を用いる代わりに、単一のノードの構成要素間で情報を伝送するために使用され得る。図4は、本発明の実施形態に従って、オンボードのフォトニック通信用のノード構成要素に配置されたフォトニック相互接続を有するノード400を示す。ノード400は、中央処理装置(「CPU」)402、第1のメモリデバイス404、及び第2のメモリデバイス406を含む。ノード400の他の構成要素は、図面の簡略化のために図示されていない。メモリデバイス404と406は、当該技術分野で良く知られている、多くの様々なタイプのランダムアクセスメモリデバイスの1つとすることができる。図4に示されているように、CPU402は、4つのフォトニック相互接続を介して、メモリデバイス404及び406とフォトニック通信する。第1のフォトニック相互接続はMEMS410と受信機420を含み、第2のフォトニック相互接続はMEMS411と受信機421を含み、第3のフォトニック相互接続はMEMS412と受信機422を含み、及び第4のフォトニック相互接続はMEMS413と受信機423を含む。これら4つのフォトニック相互接続は、電子バスの電気信号線を用いる代わりに、CPU402と第1のメモリデバイス422との間、及びCPU402と第2のメモリデバイス406との間でデータ搬送ビームを伝送するために使用される。
【0012】
以下の説明において、用語「計算手段」は、ノード及びノードの構成要素を意味する。図2〜図4に関連して上述されたように、第1の計算手段から第2の計算手段へデータ搬送ビームを送るために、フォトニック相互接続は、第1の計算手段に配置されたMEMS、及び第2の計算手段に配置された受信機を含む。しかしながら、特定の計算手段は、動作中、摂動を与えられる可能性がある。例えば、特定のDCPにおいて、ノードは、動作中に、約100μmの振動性の変位を有する可能性がある。これら振動性変位は、時間が経つにつれて、対応する受信機に配置された光検出器との位置合わせの範囲外にデータ搬送ビームを当てる可能性があり、その結果としてノード間のデータの伝送が遮断される可能性がある。本発明の実施形態に従って、フォトニック相互接続は、第1の計算手段から出力されたデータ搬送ビームを第2の計算手段に配置された光検出器上へと動的に位置合わせして集束するシステムを含む。
【0013】
図5A〜図5Bは2種類のフォトニック相互接続を示し、各フォトニック相互接続は本発明の一実施形態を表す。図5Aにおいて、第1のフォトニック相互接続500は、MEMS502、及び受信機504を含む。MEMS502は、第1の計算手段506に配置されることができ、第1の計算手段506に配置され得るシステム制御装置508と電気通信する。2つの光検出器510と512が、MEMS502の両側に配置され、システム制御装置508とも電気通信する。MEMS502は、第1の計算手段506から出力されたデータ搬送ビーム513、及び2つの位置合わせビーム514と516を受信機504に送る。受信機504は、光検出器518、及び光検出器518の両側に配置された2つの反射器520と522を含む。光検出器518はデータ搬送ビーム513を検出し、データ符号化された電磁放射線を、第2の計算手段(図示せず)により処理され得るデータ搬送信号へと変換する。反射器520と522は、位置合わせビーム514と516を光検出器510と512とにそれぞれ反射して戻すように配置される。位置合わせビーム514と516は、ノードの振動、又は何らかの他の摂動がデータ搬送ビーム513を移動して光検出器518とずれているか否かを判定するために使用される。位置合わせビーム514と516の何れか又は双方がそれぞれ、光検出器510及び512により検出されない場合、システム制御装置508は、データ搬送ビーム513、及び位置合わせビーム514と516が光検出器518、510、及び512のそれぞれと位置合わせされた状態へ戻す信号をMEMS502に送ることにより応答することができる。
【0014】
図5Bにおいて、フォトニック相互接続550は、MEMS552及び受信機554を含む。MEMS552は、第1の計算手段556に配置され、システム制御装置558と電気通信する。図5Aに関連して上述したような、位置合わせ不良を検出するために2つの光検出器を使用する代わりに、4つの光検出器560〜563が、MEMS552の周りに配置され、システム制御装置558とも電気通信する。MEMS552は、第1の計算手段556から出力されたデータ搬送ビーム564、及び4つの位置合わせビーム566〜569を受信機554に送る。受信機554は、光検出器570、及び光検出器570の周りに配置された4つの反射器572〜575を含む。光検出器570は、データ搬送ビーム564を検出し、電磁放射線を、第2の計算手段(図示せず)により処理され得るデータ搬送信号へと変換する。反射器572〜575は、位置合わせビーム566〜569を光検出器560〜563にそれぞれ反射して戻すように配置される。1つ又は複数の位置合わせビーム566〜569がそれぞれ、光検出器560〜563により検出されない場合、システム制御装置558は、データ搬送ビーム564、及び位置合わせビーム566〜569が光検出器570、及び560〜563のそれぞれと位置合わせされた状態へ戻すために、信号をMEMS552に送ることにより応答する。
【0015】
図6は、本発明の実施形態によるMEMS600の等角図を示す。MEMS600は、膜602、膜アクチュエータシステム604、回折格子606、及び回折格子アクチュエータシステム608を含む。MEMS600は、DCPのノード又はノードの構成要素とすることができる計算手段610により支持される。MEMS600は、図5に関連して上述されたように、異なる計算手段(図示せず)に配置された受信機(図示せず)の光検出器上へ、計算手段610から出力されたデータ搬送ビームを位置合わせして集束するようにMEMS600を管理するシステム制御装置に電子的に結合され得る。
【0016】
図7は、本発明の実施形態に従って、図6に示された線7−7に沿ったMEMS600の断面図を示す。膜602は、フレキシブルな凹面形の表面を有し、当該表面は、膜602の曲率を変更するように動作可能である膜アクチュエータシステム604に動作可能に結合される。本発明の膜アクチュエータシステム604の実施形態は、図11に関連して後述される。膜602は、供給源702から放出された電磁放射線を反射する銀めっきされた表面を有するか、又は膜602の表面は、供給源702から放出された、特定の波長の電磁放射線を遮り、他の波長の電磁放射線を反射するブラッグ反射器として構成され得る。供給源702は、レーザダイオード又は面発光レーザとすることができる。フレキシブルで凹面形の鏡面仕上げの膜、及びブラッグ反射器として動作する膜は、当該技術分野で良く知られている。回折格子606は、回折格子606の回折および/または向きの量を変更することができる回折格子アクチュエータシステム608に動作可能に結合される。本発明の回折格子アクチュエータシステム608の動作および回折格子606の実施形態は、図12〜図16に関連して後述される。膜アクチュエータシステム604、回折格子アクチュエータシステム608、及び供給源702は、これら装置の動作を制御するシステム制御装置706に電子的に結合される。
【0017】
本発明の特定の実施形態において、供給源702は、計算手段610により生成されるデータを符号化している電磁放射線のビーム704を放出することができる。本発明の他の実施形態において、供給源702は、実質的に連続した強度を有する電磁放射線のビームを放出することができる。回折格子606は、回折格子606の回折または向き(配向)を変更することによりビーム704にデータを符号化するように、システム制御装置706の制御下で回折格子アクチュエータシステム608により調整され得る。ビーム704において集束またはデータを符号化するために回折格子606を調整することは、図12〜図16に関連して後述される。
【0018】
図8は、時間に対するデータ符号化電磁放射線の強度のグラフ例である。図8において、水平軸802は時間を表し、垂直軸804は強度を表す。方形波806は、二値データ列「10101」に対応する、電磁放射線のビームの強度変化を表す。相対的に高い強度の領域808〜810は、二進数の「1」を表し、相対的に低い強度の領域811と812は二進数「0」を表す。方形波806は、本発明の実施形態に従って、MEMSにより放出されたデータ搬送ビームを表す。
【0019】
図7を参照すると、膜アクチュエータシステム604は、ビーム704が膜602の表面から回折格子606の方へ反射されるように、膜602の曲率を制御する。回折格子606は、ビーム704を多数の周期的な回折ビームへと分離するように構成され、当該回折ビームのそれぞれは、計算手段610の表面にほぼ垂直なベクトル708に対して異なる角度で回折格子606から放出される。ベクトル710〜714は、回折格子606により生成された電磁放射線の5つの分離した周期的な回折ビームの方向を表す。ビーム710は、ベクトル708に実質的に平行に送られるビーム704の一部に対応する。また、ビーム710は、図2〜図5に関連して上述されたデータ搬送ビームにも対応する。ビーム711及び712は、ベクトル708に対する角度αをなして送られるビーム704の一部であり、ビーム713及び714は、ベクトル708に対する比較的大きい回折角βをなして送られるビーム704の一部である。ベクトル708は、別の計算手段に配置された光検出器に向けられると想定されるか、又は別の計算手段に配置された光検出器にデータ搬送ビームを送るミラーに向けられ得る。
【0020】
図9は、回折ビーム710〜714に関する、周期的強度−対−回折角のグラフである。横軸902は回折角の軸であり、縦軸904は強度軸である。強度のピーク910〜914は、低い強度の領域により分離される。最も高い強度のピーク910は、データ搬送ビーム710に対応し、比較的低い強度のピーク911〜914はビーム711〜714に対応し、それらビーム711〜714は、図10に関連して後述されるように、データ搬送ビーム710を動的に位置合わせして集束するために使用され得る。
【0021】
図7に示されるように、2つ以上のビーム711〜714は、MEMS600の両側に配置される光検出器716と718に戻るように反射される位置合わせビームとして使用され得る。光検出器716と718はそれぞれ、受信機(図示せず)に配置された反射器に対して位置決めされ、反射された位置合わせビーム720と722を検出する。また、光検出器716と718は、光検出器716と718における検出事象に基づいて、供給源702、膜アクチュエータシステム604、及び回折格子アクチュエータシステム608の動作を協調させるシステム制御装置706とも電気通信する。
【0022】
本発明の実施形態は、異なる計算手段に配置された光検出器上へのデータ搬送ビームの動的な位置合わせと集束を含む。動的な位置合わせと集束は、データ伝送が始まる直前に実施され得るか、又は振動のような摂動に起因したデータ伝送の障害を低減する目的でデータ伝送中に周期的に実施され得る。例えば、システム制御装置706は、反射された位置合わせビーム720と722が光検出器716と718により同時に検出されない場合に、データ搬送ビーム710が光検出器と位置合わせされていないことを認識するように構成され得る。次いで、システム制御装置706は、データ搬送ビーム710を動的に位置合わせして集束するために、データ伝送を中断して、非データ符号化ビーム704を放出するように供給源702に命じることができる。本発明の一実施形態において、動的な位置合わせと集束は、以下のように達成され得る。図10Aに示されるように、システム制御装置706は、ビーム704を放出するように供給源702に命じる。MEMS600は、その後、回折角θだけベクトル708とそろえられていないデータ搬送ビーム710、及び受信機(図示せず)に配置された反射器と位置合わせされていない位置合わせビーム711〜714を生成する。この結果、計算手段610に戻るように送られる反射位置合わせビーム720と722は、光検出器716と718に一致しない。次に、図10Bに示されるように、システム制御装置706が位置合わせビーム720と722の一方または双方の検出を示す信号を受信しないので、システム制御装置706は、それに対応して、方向矢印1002、1004、及び1006により示されるように、膜602の曲率を変化させ、且つ回折格子606の向きを変化させるように、膜アクチュエータシステム604及び回折格子アクチュエータシステム608に命令し、その結果、データ搬送ビーム710がベクトル708とそろえられる。
【0023】
多数の様々な膜アクチュエータシステムを用いて、膜602の曲率を動的に変更することができる。図11A〜図11Cは、3つの異なる膜アクチュエータシステムを示し、それらの各々は、本発明の一実施形態を表す。図11Aにおいて、膜602は、当該技術分野で良く知られている可撓性部材のような、偏倚要素またはスプリング要素1104〜1106を介してアクチュエータ1102に結合される。アクチュエータ1102は、偏倚要素1104〜1106に力を加える、又は偏倚要素1104〜1106に対する力を低減することにより、膜602の曲率を制御し、その結果として、より大きな曲率1108のような異なる曲率へと膜602が押したり引いたりされる。図11Bにおいて、膜602は、第1のリザーバ1110を満たす流体に流体的に連通するように結合される。図11Bに示されるように、第1のリザーバ1110は、ポンプ1114に流体的に連通するように結合される同じ流体を保持する第2のリザーバ1112に流体的に連通するように結合される。ポンプ1114は、第2のリザーバ1112内の流体に圧力を加える圧電ポンプとすることができ、その結果として、より大きな曲率の形状1116のような異なる形状に膜602が押したり引いたりされる。図11Cにおいて、膜602は、膜602の非反射表面に、及びチャンバ1124の対向する表面に配置された電極1122のような、電極を介して電圧源1120に電気結合される。電圧源1120は、対向する電極間に静電反発力または静電引力を生成する電圧を供給し、それにより膜602が、より大きな曲率の形状1126のような異なる曲率を有する異なる形状へと押したり引いたりされる。本発明の他の実施形態において、電圧源1120は、対向する電極間に静磁反発力または静磁引力を生成する電圧を供給する。
【0024】
回折格子606は、回折格子606の上面、底面、及び側面に沿って配置されたトーションバネ又はトーションバーのような、トーション支持体を用いて回折格子アクチュエータ構造608に結合され得る。装置に取り付けられるトーション支持体は、当該技術分野で良く知られている。電極が回折格子606と回折格子アクチュエータシステム608の対向する表面に配置されることができ、その結果、適切な電圧が電極に印加される場合、静電または静磁反発力または引力を用いて、回折格子アクチュエータシステム608の固定位置に対して、回折格子606の向きを変更することができる。図12は、本発明の実施形態に従って、回折格子606が回転することができる3つの異なる回転軸1202〜1204を示す。例えば、回折格子606の下側部分に静電反発力が加えられることにより、回折格子606は軸1204を中心にして回転し、回折格子606の下側の左側部分に静電反発力が加えられることにより、回折格子606は軸1203を中心にして回転し、回折格子606の右側部分に静電反発力が加えられることにより、回折格子606は軸1202を中心にして回転する。
【0025】
多数の様々な種類の回折要素を用いて、当該技術分野で良く知られている回折格子606を形成することができる。回折格子606に選択される回折要素のサイズ、構成、及びタイプは、必要とされる位置合わせビームの数と構成に依存し、且つ供給源から放出される電磁放射線の波長に依存する。波長、及び回折格子から放出される回折ビームの数に基づいて回折要素のサイズ、構成、及びタイプを選択する方法は、当該技術分野で良く知られている。図13Aは、本発明の実施形態に従って、実質的に周期的に間隔を置いて配置された線形回折要素の交互パターンを示す。図13Bは、本発明の実施形態に従って、実質的に規則通りに間隔を置いて配置された長方形回折要素の格子を示す。図14〜図14Cは、本発明の実施形態に従って、図13に示された線14−14に沿った異なる種類の回折要素の3つの断面図を示す。図14Aは、長方形形状の回折要素の断面図を示す。図14Bは、回折要素間に間隔を形成する丸い溝の断面図を示す。図14Cは、ブレーズド回折要素の断面図を示す。
【0026】
図15は、本発明の実施形態による回折格子ライトバルブ1500の等角図を示す。回折格子ライトバルブ(Grating light valve:「GLV」)1500は、回折格子606として使用され得るマイクロメカニカル位相格子である。GLV1500は、基板1502,下側電極1504、及びリボン1506のような10個のリボンを含む。リボンが乱されない場合、エアギャップ1508がリボンと電極1504との間に存在する。電圧源1510が一つ置きのリボン1512〜1516に、及び下側電極1504に結合される。本発明の特定の実施形態において、基板1502は、タングステンの上側層とシリコンの下側層との間に挟まれた酸化物の中間層から構成され得る。リボンは、窒化物または別の適切な材料の下側層上に堆積された、アルミニウムのような反射上側層から構成され得る。アルミニウム層は、反射表面として機能する。回折格子ライトバルブに関する一般的な説明については、D.M. Bloom著、「The Grating Light Valve: revolutionizing display technology」 Proc. SPIE Vol. 3013、165-171頁、Projection Display III、1997年5月、Ming H. Wu; Edを参照されたい。本発明の他の実施形態において、リボンの幅と数は、供給源702により放出される電磁放射線の波長に依存して、且つ必要とされる位置合わせビームの数に依存して、変更され得る。
【0027】
GLV1500は、一つ置きのリボン1512〜1516及び電極1504に適切な電圧を印加することにより生成される静電力を用いて一つ置きのリボン1512〜1516を引き下ろすことによって、回折格子606として動作され得る。図16A〜図16Bは、本発明の実施形態に従って、反射器および回折格子としてGLV1500を用いる、図15に示された線16−16に沿ったGLV1500の断面図を示す。図16Aにおいて、電圧が一つ置きのリボン1512〜1516及び電極1504に印加されていない場合、当該リボンは本来の「上」位置にある。この本来の「上」位置はリボン材料の引張応力により維持される。リボンの全てが同じ平面に位置する場合、入射電磁放射線1602はリボンの外面から反射される(1604)。しかしながら、図16Bに示されるように、適切な電圧が一つ置きのリボン1512〜1516及び電極1504に印加される場合、静電力が一つ置きのリボン1512〜1516を電極1504の方へ引き下げて、回折格子606を形成する。電磁放射線1606の入射ビームは回折されて、電磁放射線の分離した周期的な回折ビーム1608及び1610を生成する。本発明の特定の実施形態において、適切な電圧を「ON」及び「OFF」に迅速に切り替えることにより、GLV1500は、図7に関連して上述されたように、実質的に連続する強度を有する電磁放射線にデータを符号化するために使用され得る。
【0028】
図17Aは、本発明の実施形態による、フォトニック相互接続のMEMS1700の一部の等角図を示す。図17Aにおいて、MEMS1700は、ノード1702の一部の上に浮いている。MEMS1700は、図17Bに関連して以下で詳述されるレンズ構造要素1704を含み、当該レンズ構造要素は、ノード1702の供給源1706から放出されたビームを集束する。供給源1706はレーザダイオード又は面発光レーザビームとすることができる。MEMS1700は、MEMS1700の位置を水平方向に調整し、且つレンズ構造要素1704から放出されたデータ搬送ビームを第2のノード(図示せず)に配置された光検出器上に送るように動作可能なモータ(図示せず)に取り付けられる。
【0029】
図17Bは、本発明の実施形態に従って、図17Aに示された線17B−17Bに沿ったMEMS1700及びノード1702の断面図を示す。レンズ構造要素1704は、膜1710に流体的に連通するように結合される流体を保持する第1のリザーバ1708を含む。流体は、透明な液体とすることができ、膜1710は、シリコン、Si3N4、SiO2、又は何らかの他の適切なフレキシブルな透明材料のような、薄くて透明でフレキシブルな材料とすることができる。第1のリザーバ1708は、ポンプ1714に動作可能に結合された第2のリザーバ1712に流体的に連通するように結合される。システム制御装置1716は、供給源1706から放出されてレンズ構造要素1704を介して送られるデータ搬送ビームを第2のノードに配置された光検出器(図示せず)上に動的に位置合わせして集束するように、モータ1718及びポンプ1714に電子的に結合される。モータ1718は、MEMS1700を水平方向に再位置決めして、データ搬送ビームを光検出器と位置合わせするように動作可能である。ポンプ1714は第2のリザーバ1712に圧力を加えるか又は当該リザーバに対する圧力を低減し、その結果としてリザーバ1708の流体に圧力を加えるか又は当該流体に対する圧力を低減して、膜1710の曲率を変更し、データ搬送ビームを光検出器上へ集束する。ポンプ1714は圧電ポンプとすることができる。
【0030】
上記の説明は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために特定の学術用語を使用した。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明を実施するために、特定の細部は必要とされない。本発明の特定の実施形態に関する上記の説明は、例示および説明のために提供されている。当該説明は、本発明を網羅的にする又は全く同一の開示された形態に本発明を制限することは意図されていない。言うまでもなく、多くの修正形態および変更形態が上記の教示に鑑みて可能である。本発明の原理およびその実際の用途を最も良く説明し、それにより当業者が、本発明および特定の企図された用途に適するように様々な修正と共に種々の実施形態を最も良く利用することを可能にするために、実施形態は図示されて説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物により定義されることが意図されている。
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、微小電気機械システム及びフォトニック相互接続を対象とし、特にデータ符号化電磁放射線を動的に集束させて位置合わせするために微小電気機械システムを利用する、微小電気機械システム及びフォトニック相互接続を対象とする。
【0002】
背景
分散コンピューティングは、単一のコンピュータタスクが分散コンピューティングプラットフォーム(distributed computing platform:「DCP」)のノードで同時に且つ別個に実行され得る多数のコンピュータタスクに分割されるコンピュータ処理方法である。ノードは、サーバ、コンピュータ、メモリ、周辺装置、又は任意の他のデータ処理および/または記憶装置とすることができる。コンピュータは、1つ又は複数のメモリデバイス、及び1つ又は複数のプロセッサを含むことができる。ノード間にデータを分散させるために、ノードは一般に、高速で低い待ち時間の電気相互接続を介してスイッチに相互接続され、当該スイッチを用いてノード間でデータを伝送する。図1は、8ノードDCP 100の略図を示す。DCP100はノード102〜109及びスイッチ110を含む。ノード102〜109は2つの列に配列され、イーサネット(R)ケーブルのようなデータ伝送ケーブルを介してスイッチ110に電子的に相互接続される。ノード102〜109は、1つ又は複数のラック又はキャビネット(図示せず)に収容され、処理のためにノード102〜109間にデータのパケットを送出するようにスイッチ110を使用することができる。例えば、スイッチ110を用いて、ノード104により生成されたデータを、更なる処理のためにノード103及び107に伝えることができる。
【0003】
一般に、DCPは、並列処理アプリケーションのための効率的なコンピューティングプラットフォームである。しかしながら、一般的なDCPは非効率的なエネルギー消費装置である。特に、金属ワイヤを使用してノードとノードの構成要素を相互接続することが多く、金属ワイヤを介して電気信号を伝送するために必要なエネルギーの大部分は、熱として放散される。例えば、Cuのワイヤを介して信号を伝送するために必要な電気エネルギーの約80〜90%は、熱として放散される。この熱が蓄積するのを防止し、ノードの構成要素、ワイヤ、及び他の電気相互接続に回復困難な損傷をもたらすことを防止するために、DCPは一般に空調室に配置され、各ノードは、ノードの構成要素および回路基板のワイヤにわたって空気を循環させる1つ又は複数の通風機を含むことができる。しかしながら、DCPを冷却するためだけに必要なエネルギーが、DCPを動作させるために必要な全エネルギー量に追加される。ノードとノードの構成要素との間に高帯域幅で高速の相互接続を提供し、且つ使用するエネルギーが少なく、一般的なDCPで使用される従来の電気相互接続よりも発生する熱が少ない相互接続の必要性を、製造業者、設計者、及びDCPのユーザは認識している。
【0004】
概要
本発明の様々な実施形態は、微小電気機械システム、及び微小電気機械システムを利用するフォトニック相互接続を対象とする。本発明の微小電気機械システムの一実施形態は、レンズ構造要素およびアクチュエータを含む。レンズ構造要素は、フレキシブルな曲面を有する実質的に透明な膜、及び膜に流体的に連通するように結合される流体を保持するリザーバを含む。アクチュエータシステムは、膜の曲率およびレンズ構造要素の焦点を変更するように流体に圧力を加えるために、リザーバに動作可能に結合される。
【図面の簡単な説明】
【0005】
【図1】8ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図2】本発明の実施形態による、フォトニック相互接続を含む10ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図3A】本発明の実施形態による、受信器が、異なる時間に2つの異なるノードにより生成された電磁放射線のデータ搬送ビームを検出するように動作可能である4ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図3B】本発明の実施形態による、受信器が、異なる時間に2つの異なるノードにより生成された電磁放射線のデータ搬送ビームを検出するように動作可能である4ノード分散コンピューティングプラットフォームの略図である。
【図4】本発明の実施形態による、オンボードのフォトニック通信のためにノードの構成要素に配置されたフォトニック相互接続を有するノードを示す図である。
【図5A】本発明の一実施形態を表すフォトニック相互接続を示す図である。
【図5B】本発明の一実施形態を表す別の種類のフォトニック相互接続を示す図である。
【図6】本発明の実施形態による、微小電気機械システムの等角図である。
【図7】本発明の実施形態による、図6に示された線7−7に沿った微小電気機械システムの断面図である。
【図8】時間に対するデータ符号化電磁放射線の強度のグラフである。
【図9】回折格子から出力された5つの回折ビームに関する、周期的強度−対−回折角のグラフである。
【図10A】本発明の実施形態による、図7に示された微小電気機械システムを用いて電磁放射線のデータ搬送ビームの動的な位置合わせと集束を示す図である。
【図10B】本発明の実施形態による、図7に示された微小電気機械システムを用いて電磁放射線のデータ搬送ビームの動的な位置合わせと集束を示す図である。
【図11A】本発明の実施形態を表す膜アクチュエータシステムを示す図である。
【図11B】本発明の実施形態を表す膜アクチュエータシステムを示す図である。
【図11C】本発明の実施形態を表す膜アクチュエータシステムを示す図である。
【図12】本発明の実施形態による、図6に示された回折格子が回転することができる3つの回転軸を示す図である。
【図13A】本発明の実施形態を表す回折格子の実質的に反復的要素を示す図である。
【図13B】本発明の実施形態を表す回折格子の実質的に反復的要素を示す図である。
【図14A】本発明の実施形態による、図13に示された、線14−14に沿った回折要素の断面図である。
【図14B】本発明の実施形態による、図13に示された、線14−14に沿った回折要素の断面図である。
【図14C】本発明の実施形態による、図13に示された、線14−14に沿った回折要素の断面図である。
【図15】本発明の実施形態による回折格子ライトバルブの等角図である。
【図16A】本発明の実施形態に従って、反射器および回折格子として回折格子ライトバルブを用いる、図15に示された線16−16に沿った回折格子ライトバルブの断面図である。
【図16B】本発明の実施形態に従って、反射器および回折格子として回折格子ライトバルブを用いる、図15に示された線16−16に沿った回折格子ライトバルブの断面図である。
【図17A】本発明の実施形態によるフォトニック相互接続の微小電気機械システムを示す図である。
【図17B】本発明の実施形態によるフォトニック相互接続の微小電気機械システムを示す図である。
【0006】
詳細な説明
本発明の種々の実施形態は、微小電気機械システム、及び微小電気機械システムを利用するフォトニック相互接続を対象とする。フォトニック相互接続を用いて、DCPのノード間の特定の電気相互接続を置き換える、及びノードの構成要素間の特定の電気相互接続を置き換えることができる。フォトニック相互接続は、ノードとノードの構成要素との間に、より高い帯域幅でより高速の相互接続を提供することができ、より少ないエネルギーを使用して、従来の電気相互接続よりも発生する熱を少なくすることができる。
【0007】
プロセッサにより生成された情報、又はノードのメモリから取り出された情報は、「データ搬送ビーム」と呼ばれる電磁放射線のビームに符号化される。本発明のフォトニック相互接続は、微小電気機械システムを利用して、データ搬送ビームをDCP内の異なるノードに配置された受信機に、又は同じノード内の構成要素に配置された受信機に送る。受信機は、ノードにより処理され得る電気信号または電磁放射線信号へとデータ搬送ビームを変換する光検出器を含む。本発明の微小電気機械システムは、データ搬送ビームを対応する光検出器上に動的に位置合わせして集束する(focus:結像する)ことができる。
【0008】
図2は、本発明の実施形態によるフォトニック相互接続を含む10ノードDCP200の略図を示す。DCP200は、第1の列208に構成されたノード202〜206、及び第2の列216に構成されたノード210〜214を含む。ノード202〜206及び210〜214は、1つ又は複数のラック又はキャビネット(図示せず)に収容され得る。列内の各ノードは、同じ列内の他のノードとフォトニック通信することができ、本発明のフォトニック相互接続の実施形態を介して隣接する列の特定のノードとフォトニック通信することができる。本発明のフォトニック相互接続の実施形態は、第1のノードに配置された微小電気機械システム(「MEMS」)及び第2のノードに配置された受信機を含む。例えば、図2に示されるように、ノード203は、5つのフォトニック相互接続を介して、第1の列208のノード202及び204〜206と、及び第2の列216の隣接するノード211とフォトニック通信する。5つのフォトニック相互接続は、ノード203に配置された5つのMEMS220〜224の全て、並びに第1の列のノード202と204〜206及び第2の列216の隣接するノード211に配置された5つの対応する受信機230〜234を含む。MEMS220〜224の実施形態は、図6〜図17に関連して以下に詳述される。ノード203は、更なる処理のためにノード202、204〜206及び211に伝えられるデータ搬送ビーム240〜244の形態でデータを生成する。MEMS220は、ノード202の下側に配置された受信機230にデータ搬送ビーム240を送るように構成され、MEMS221は、データ搬送ビーム241を受信機231に送るように構成される。ノード204は、隣接していないノード205に配置された受信機232へ妨げられずにデータ搬送ビーム242をMEMS222が送ることができるように、開口250を含む。ノード204は開口252を含み、またノード205は、隣接していないノード206に配置された受信機233へ妨げられずにデータ搬送ビーム243をMEMS223が送ることができるように、開口253を含む。MEMS224は、データ搬送ビーム244を受信機234に水平方向に送るように構成される。
【0009】
隣接しないノード間でのデータ搬送ビームの伝送を可能にするために使用される開口のサイズは、データ搬送ビームを生成するノードに接近するほど増大する。例えば、開口252は開口253より大きい。開口は、円形、楕円形、正方形、長方形、又はノードを貫通するデータ搬送ビームの妨げられない伝送に適した任意の他の形状とすることができる。留意すべきは、DCPのフォトニック相互接続は、ノード間の電気相互接続の全てを置き換えることはできない。言い換えれば、本発明のフォトニック相互接続は、特定の電気相互接続のみを置き換えるために使用され得る。例えば、図2に示されるように、DCP200は、ノード間の電気相互接続を介して特定のデータ搬送電気信号の伝送を提供するスイッチ(図示せず)も含むことができる。
【0010】
本発明の他の実施形態において、受信機は、圧電モータのようなモータに電子的に結合されることができ、当該モータは、異なる時間に異なるノードにより生成されるデータ搬送ビームを傍受するように受信機を再位置決めするように動作可能である。図3A〜図3Bは、本発明の実施形態に従って、異なる時間に2つの異なるノードにより生成されるデータ搬送ビームを検出するために、受信機が再位置決めされ得る、4ノードDCP300の略図を示す。図3Aに示されるように、DCP300は4つのノード302〜305の列を含む。ノード302はMEMS306とMEMS312を含む。MEMS306は、ノード303に配置された受信機310に第1のデータ搬送ビーム308を送り、MEMS312は、ノード305に配置された受信機316に第2のデータ搬送ビーム314を送る。ノード303は、ノード304の第1の位置に配置された受信機322に第3のデータ搬送ビーム320を送るMEMS318を含む。最初に、図3Aに示されるように、第2のデータ搬送ビーム314が、受信機316に達するように、ノード303の開口324及びノード304の開口326を妨げられずに通過する。しかしながら、その後、図3Bに示されるように、ノード303がもはやノード304にデータを伝えず、且つノード302がノード305の代わりにノード304にデータを伝える必要がある場合、受信機322は、データ搬送ビーム314を傍受するように、受信機322に動作可能に結合されたモータ(図示せず)を介して、再位置決めされ得る。
【0011】
本発明の他の実施形態において、本発明のフォトニック相互接続は、電子バスの電気信号線を用いる代わりに、単一のノードの構成要素間で情報を伝送するために使用され得る。図4は、本発明の実施形態に従って、オンボードのフォトニック通信用のノード構成要素に配置されたフォトニック相互接続を有するノード400を示す。ノード400は、中央処理装置(「CPU」)402、第1のメモリデバイス404、及び第2のメモリデバイス406を含む。ノード400の他の構成要素は、図面の簡略化のために図示されていない。メモリデバイス404と406は、当該技術分野で良く知られている、多くの様々なタイプのランダムアクセスメモリデバイスの1つとすることができる。図4に示されているように、CPU402は、4つのフォトニック相互接続を介して、メモリデバイス404及び406とフォトニック通信する。第1のフォトニック相互接続はMEMS410と受信機420を含み、第2のフォトニック相互接続はMEMS411と受信機421を含み、第3のフォトニック相互接続はMEMS412と受信機422を含み、及び第4のフォトニック相互接続はMEMS413と受信機423を含む。これら4つのフォトニック相互接続は、電子バスの電気信号線を用いる代わりに、CPU402と第1のメモリデバイス422との間、及びCPU402と第2のメモリデバイス406との間でデータ搬送ビームを伝送するために使用される。
【0012】
以下の説明において、用語「計算手段」は、ノード及びノードの構成要素を意味する。図2〜図4に関連して上述されたように、第1の計算手段から第2の計算手段へデータ搬送ビームを送るために、フォトニック相互接続は、第1の計算手段に配置されたMEMS、及び第2の計算手段に配置された受信機を含む。しかしながら、特定の計算手段は、動作中、摂動を与えられる可能性がある。例えば、特定のDCPにおいて、ノードは、動作中に、約100μmの振動性の変位を有する可能性がある。これら振動性変位は、時間が経つにつれて、対応する受信機に配置された光検出器との位置合わせの範囲外にデータ搬送ビームを当てる可能性があり、その結果としてノード間のデータの伝送が遮断される可能性がある。本発明の実施形態に従って、フォトニック相互接続は、第1の計算手段から出力されたデータ搬送ビームを第2の計算手段に配置された光検出器上へと動的に位置合わせして集束するシステムを含む。
【0013】
図5A〜図5Bは2種類のフォトニック相互接続を示し、各フォトニック相互接続は本発明の一実施形態を表す。図5Aにおいて、第1のフォトニック相互接続500は、MEMS502、及び受信機504を含む。MEMS502は、第1の計算手段506に配置されることができ、第1の計算手段506に配置され得るシステム制御装置508と電気通信する。2つの光検出器510と512が、MEMS502の両側に配置され、システム制御装置508とも電気通信する。MEMS502は、第1の計算手段506から出力されたデータ搬送ビーム513、及び2つの位置合わせビーム514と516を受信機504に送る。受信機504は、光検出器518、及び光検出器518の両側に配置された2つの反射器520と522を含む。光検出器518はデータ搬送ビーム513を検出し、データ符号化された電磁放射線を、第2の計算手段(図示せず)により処理され得るデータ搬送信号へと変換する。反射器520と522は、位置合わせビーム514と516を光検出器510と512とにそれぞれ反射して戻すように配置される。位置合わせビーム514と516は、ノードの振動、又は何らかの他の摂動がデータ搬送ビーム513を移動して光検出器518とずれているか否かを判定するために使用される。位置合わせビーム514と516の何れか又は双方がそれぞれ、光検出器510及び512により検出されない場合、システム制御装置508は、データ搬送ビーム513、及び位置合わせビーム514と516が光検出器518、510、及び512のそれぞれと位置合わせされた状態へ戻す信号をMEMS502に送ることにより応答することができる。
【0014】
図5Bにおいて、フォトニック相互接続550は、MEMS552及び受信機554を含む。MEMS552は、第1の計算手段556に配置され、システム制御装置558と電気通信する。図5Aに関連して上述したような、位置合わせ不良を検出するために2つの光検出器を使用する代わりに、4つの光検出器560〜563が、MEMS552の周りに配置され、システム制御装置558とも電気通信する。MEMS552は、第1の計算手段556から出力されたデータ搬送ビーム564、及び4つの位置合わせビーム566〜569を受信機554に送る。受信機554は、光検出器570、及び光検出器570の周りに配置された4つの反射器572〜575を含む。光検出器570は、データ搬送ビーム564を検出し、電磁放射線を、第2の計算手段(図示せず)により処理され得るデータ搬送信号へと変換する。反射器572〜575は、位置合わせビーム566〜569を光検出器560〜563にそれぞれ反射して戻すように配置される。1つ又は複数の位置合わせビーム566〜569がそれぞれ、光検出器560〜563により検出されない場合、システム制御装置558は、データ搬送ビーム564、及び位置合わせビーム566〜569が光検出器570、及び560〜563のそれぞれと位置合わせされた状態へ戻すために、信号をMEMS552に送ることにより応答する。
【0015】
図6は、本発明の実施形態によるMEMS600の等角図を示す。MEMS600は、膜602、膜アクチュエータシステム604、回折格子606、及び回折格子アクチュエータシステム608を含む。MEMS600は、DCPのノード又はノードの構成要素とすることができる計算手段610により支持される。MEMS600は、図5に関連して上述されたように、異なる計算手段(図示せず)に配置された受信機(図示せず)の光検出器上へ、計算手段610から出力されたデータ搬送ビームを位置合わせして集束するようにMEMS600を管理するシステム制御装置に電子的に結合され得る。
【0016】
図7は、本発明の実施形態に従って、図6に示された線7−7に沿ったMEMS600の断面図を示す。膜602は、フレキシブルな凹面形の表面を有し、当該表面は、膜602の曲率を変更するように動作可能である膜アクチュエータシステム604に動作可能に結合される。本発明の膜アクチュエータシステム604の実施形態は、図11に関連して後述される。膜602は、供給源702から放出された電磁放射線を反射する銀めっきされた表面を有するか、又は膜602の表面は、供給源702から放出された、特定の波長の電磁放射線を遮り、他の波長の電磁放射線を反射するブラッグ反射器として構成され得る。供給源702は、レーザダイオード又は面発光レーザとすることができる。フレキシブルで凹面形の鏡面仕上げの膜、及びブラッグ反射器として動作する膜は、当該技術分野で良く知られている。回折格子606は、回折格子606の回折および/または向きの量を変更することができる回折格子アクチュエータシステム608に動作可能に結合される。本発明の回折格子アクチュエータシステム608の動作および回折格子606の実施形態は、図12〜図16に関連して後述される。膜アクチュエータシステム604、回折格子アクチュエータシステム608、及び供給源702は、これら装置の動作を制御するシステム制御装置706に電子的に結合される。
【0017】
本発明の特定の実施形態において、供給源702は、計算手段610により生成されるデータを符号化している電磁放射線のビーム704を放出することができる。本発明の他の実施形態において、供給源702は、実質的に連続した強度を有する電磁放射線のビームを放出することができる。回折格子606は、回折格子606の回折または向き(配向)を変更することによりビーム704にデータを符号化するように、システム制御装置706の制御下で回折格子アクチュエータシステム608により調整され得る。ビーム704において集束またはデータを符号化するために回折格子606を調整することは、図12〜図16に関連して後述される。
【0018】
図8は、時間に対するデータ符号化電磁放射線の強度のグラフ例である。図8において、水平軸802は時間を表し、垂直軸804は強度を表す。方形波806は、二値データ列「10101」に対応する、電磁放射線のビームの強度変化を表す。相対的に高い強度の領域808〜810は、二進数の「1」を表し、相対的に低い強度の領域811と812は二進数「0」を表す。方形波806は、本発明の実施形態に従って、MEMSにより放出されたデータ搬送ビームを表す。
【0019】
図7を参照すると、膜アクチュエータシステム604は、ビーム704が膜602の表面から回折格子606の方へ反射されるように、膜602の曲率を制御する。回折格子606は、ビーム704を多数の周期的な回折ビームへと分離するように構成され、当該回折ビームのそれぞれは、計算手段610の表面にほぼ垂直なベクトル708に対して異なる角度で回折格子606から放出される。ベクトル710〜714は、回折格子606により生成された電磁放射線の5つの分離した周期的な回折ビームの方向を表す。ビーム710は、ベクトル708に実質的に平行に送られるビーム704の一部に対応する。また、ビーム710は、図2〜図5に関連して上述されたデータ搬送ビームにも対応する。ビーム711及び712は、ベクトル708に対する角度αをなして送られるビーム704の一部であり、ビーム713及び714は、ベクトル708に対する比較的大きい回折角βをなして送られるビーム704の一部である。ベクトル708は、別の計算手段に配置された光検出器に向けられると想定されるか、又は別の計算手段に配置された光検出器にデータ搬送ビームを送るミラーに向けられ得る。
【0020】
図9は、回折ビーム710〜714に関する、周期的強度−対−回折角のグラフである。横軸902は回折角の軸であり、縦軸904は強度軸である。強度のピーク910〜914は、低い強度の領域により分離される。最も高い強度のピーク910は、データ搬送ビーム710に対応し、比較的低い強度のピーク911〜914はビーム711〜714に対応し、それらビーム711〜714は、図10に関連して後述されるように、データ搬送ビーム710を動的に位置合わせして集束するために使用され得る。
【0021】
図7に示されるように、2つ以上のビーム711〜714は、MEMS600の両側に配置される光検出器716と718に戻るように反射される位置合わせビームとして使用され得る。光検出器716と718はそれぞれ、受信機(図示せず)に配置された反射器に対して位置決めされ、反射された位置合わせビーム720と722を検出する。また、光検出器716と718は、光検出器716と718における検出事象に基づいて、供給源702、膜アクチュエータシステム604、及び回折格子アクチュエータシステム608の動作を協調させるシステム制御装置706とも電気通信する。
【0022】
本発明の実施形態は、異なる計算手段に配置された光検出器上へのデータ搬送ビームの動的な位置合わせと集束を含む。動的な位置合わせと集束は、データ伝送が始まる直前に実施され得るか、又は振動のような摂動に起因したデータ伝送の障害を低減する目的でデータ伝送中に周期的に実施され得る。例えば、システム制御装置706は、反射された位置合わせビーム720と722が光検出器716と718により同時に検出されない場合に、データ搬送ビーム710が光検出器と位置合わせされていないことを認識するように構成され得る。次いで、システム制御装置706は、データ搬送ビーム710を動的に位置合わせして集束するために、データ伝送を中断して、非データ符号化ビーム704を放出するように供給源702に命じることができる。本発明の一実施形態において、動的な位置合わせと集束は、以下のように達成され得る。図10Aに示されるように、システム制御装置706は、ビーム704を放出するように供給源702に命じる。MEMS600は、その後、回折角θだけベクトル708とそろえられていないデータ搬送ビーム710、及び受信機(図示せず)に配置された反射器と位置合わせされていない位置合わせビーム711〜714を生成する。この結果、計算手段610に戻るように送られる反射位置合わせビーム720と722は、光検出器716と718に一致しない。次に、図10Bに示されるように、システム制御装置706が位置合わせビーム720と722の一方または双方の検出を示す信号を受信しないので、システム制御装置706は、それに対応して、方向矢印1002、1004、及び1006により示されるように、膜602の曲率を変化させ、且つ回折格子606の向きを変化させるように、膜アクチュエータシステム604及び回折格子アクチュエータシステム608に命令し、その結果、データ搬送ビーム710がベクトル708とそろえられる。
【0023】
多数の様々な膜アクチュエータシステムを用いて、膜602の曲率を動的に変更することができる。図11A〜図11Cは、3つの異なる膜アクチュエータシステムを示し、それらの各々は、本発明の一実施形態を表す。図11Aにおいて、膜602は、当該技術分野で良く知られている可撓性部材のような、偏倚要素またはスプリング要素1104〜1106を介してアクチュエータ1102に結合される。アクチュエータ1102は、偏倚要素1104〜1106に力を加える、又は偏倚要素1104〜1106に対する力を低減することにより、膜602の曲率を制御し、その結果として、より大きな曲率1108のような異なる曲率へと膜602が押したり引いたりされる。図11Bにおいて、膜602は、第1のリザーバ1110を満たす流体に流体的に連通するように結合される。図11Bに示されるように、第1のリザーバ1110は、ポンプ1114に流体的に連通するように結合される同じ流体を保持する第2のリザーバ1112に流体的に連通するように結合される。ポンプ1114は、第2のリザーバ1112内の流体に圧力を加える圧電ポンプとすることができ、その結果として、より大きな曲率の形状1116のような異なる形状に膜602が押したり引いたりされる。図11Cにおいて、膜602は、膜602の非反射表面に、及びチャンバ1124の対向する表面に配置された電極1122のような、電極を介して電圧源1120に電気結合される。電圧源1120は、対向する電極間に静電反発力または静電引力を生成する電圧を供給し、それにより膜602が、より大きな曲率の形状1126のような異なる曲率を有する異なる形状へと押したり引いたりされる。本発明の他の実施形態において、電圧源1120は、対向する電極間に静磁反発力または静磁引力を生成する電圧を供給する。
【0024】
回折格子606は、回折格子606の上面、底面、及び側面に沿って配置されたトーションバネ又はトーションバーのような、トーション支持体を用いて回折格子アクチュエータ構造608に結合され得る。装置に取り付けられるトーション支持体は、当該技術分野で良く知られている。電極が回折格子606と回折格子アクチュエータシステム608の対向する表面に配置されることができ、その結果、適切な電圧が電極に印加される場合、静電または静磁反発力または引力を用いて、回折格子アクチュエータシステム608の固定位置に対して、回折格子606の向きを変更することができる。図12は、本発明の実施形態に従って、回折格子606が回転することができる3つの異なる回転軸1202〜1204を示す。例えば、回折格子606の下側部分に静電反発力が加えられることにより、回折格子606は軸1204を中心にして回転し、回折格子606の下側の左側部分に静電反発力が加えられることにより、回折格子606は軸1203を中心にして回転し、回折格子606の右側部分に静電反発力が加えられることにより、回折格子606は軸1202を中心にして回転する。
【0025】
多数の様々な種類の回折要素を用いて、当該技術分野で良く知られている回折格子606を形成することができる。回折格子606に選択される回折要素のサイズ、構成、及びタイプは、必要とされる位置合わせビームの数と構成に依存し、且つ供給源から放出される電磁放射線の波長に依存する。波長、及び回折格子から放出される回折ビームの数に基づいて回折要素のサイズ、構成、及びタイプを選択する方法は、当該技術分野で良く知られている。図13Aは、本発明の実施形態に従って、実質的に周期的に間隔を置いて配置された線形回折要素の交互パターンを示す。図13Bは、本発明の実施形態に従って、実質的に規則通りに間隔を置いて配置された長方形回折要素の格子を示す。図14〜図14Cは、本発明の実施形態に従って、図13に示された線14−14に沿った異なる種類の回折要素の3つの断面図を示す。図14Aは、長方形形状の回折要素の断面図を示す。図14Bは、回折要素間に間隔を形成する丸い溝の断面図を示す。図14Cは、ブレーズド回折要素の断面図を示す。
【0026】
図15は、本発明の実施形態による回折格子ライトバルブ1500の等角図を示す。回折格子ライトバルブ(Grating light valve:「GLV」)1500は、回折格子606として使用され得るマイクロメカニカル位相格子である。GLV1500は、基板1502,下側電極1504、及びリボン1506のような10個のリボンを含む。リボンが乱されない場合、エアギャップ1508がリボンと電極1504との間に存在する。電圧源1510が一つ置きのリボン1512〜1516に、及び下側電極1504に結合される。本発明の特定の実施形態において、基板1502は、タングステンの上側層とシリコンの下側層との間に挟まれた酸化物の中間層から構成され得る。リボンは、窒化物または別の適切な材料の下側層上に堆積された、アルミニウムのような反射上側層から構成され得る。アルミニウム層は、反射表面として機能する。回折格子ライトバルブに関する一般的な説明については、D.M. Bloom著、「The Grating Light Valve: revolutionizing display technology」 Proc. SPIE Vol. 3013、165-171頁、Projection Display III、1997年5月、Ming H. Wu; Edを参照されたい。本発明の他の実施形態において、リボンの幅と数は、供給源702により放出される電磁放射線の波長に依存して、且つ必要とされる位置合わせビームの数に依存して、変更され得る。
【0027】
GLV1500は、一つ置きのリボン1512〜1516及び電極1504に適切な電圧を印加することにより生成される静電力を用いて一つ置きのリボン1512〜1516を引き下ろすことによって、回折格子606として動作され得る。図16A〜図16Bは、本発明の実施形態に従って、反射器および回折格子としてGLV1500を用いる、図15に示された線16−16に沿ったGLV1500の断面図を示す。図16Aにおいて、電圧が一つ置きのリボン1512〜1516及び電極1504に印加されていない場合、当該リボンは本来の「上」位置にある。この本来の「上」位置はリボン材料の引張応力により維持される。リボンの全てが同じ平面に位置する場合、入射電磁放射線1602はリボンの外面から反射される(1604)。しかしながら、図16Bに示されるように、適切な電圧が一つ置きのリボン1512〜1516及び電極1504に印加される場合、静電力が一つ置きのリボン1512〜1516を電極1504の方へ引き下げて、回折格子606を形成する。電磁放射線1606の入射ビームは回折されて、電磁放射線の分離した周期的な回折ビーム1608及び1610を生成する。本発明の特定の実施形態において、適切な電圧を「ON」及び「OFF」に迅速に切り替えることにより、GLV1500は、図7に関連して上述されたように、実質的に連続する強度を有する電磁放射線にデータを符号化するために使用され得る。
【0028】
図17Aは、本発明の実施形態による、フォトニック相互接続のMEMS1700の一部の等角図を示す。図17Aにおいて、MEMS1700は、ノード1702の一部の上に浮いている。MEMS1700は、図17Bに関連して以下で詳述されるレンズ構造要素1704を含み、当該レンズ構造要素は、ノード1702の供給源1706から放出されたビームを集束する。供給源1706はレーザダイオード又は面発光レーザビームとすることができる。MEMS1700は、MEMS1700の位置を水平方向に調整し、且つレンズ構造要素1704から放出されたデータ搬送ビームを第2のノード(図示せず)に配置された光検出器上に送るように動作可能なモータ(図示せず)に取り付けられる。
【0029】
図17Bは、本発明の実施形態に従って、図17Aに示された線17B−17Bに沿ったMEMS1700及びノード1702の断面図を示す。レンズ構造要素1704は、膜1710に流体的に連通するように結合される流体を保持する第1のリザーバ1708を含む。流体は、透明な液体とすることができ、膜1710は、シリコン、Si3N4、SiO2、又は何らかの他の適切なフレキシブルな透明材料のような、薄くて透明でフレキシブルな材料とすることができる。第1のリザーバ1708は、ポンプ1714に動作可能に結合された第2のリザーバ1712に流体的に連通するように結合される。システム制御装置1716は、供給源1706から放出されてレンズ構造要素1704を介して送られるデータ搬送ビームを第2のノードに配置された光検出器(図示せず)上に動的に位置合わせして集束するように、モータ1718及びポンプ1714に電子的に結合される。モータ1718は、MEMS1700を水平方向に再位置決めして、データ搬送ビームを光検出器と位置合わせするように動作可能である。ポンプ1714は第2のリザーバ1712に圧力を加えるか又は当該リザーバに対する圧力を低減し、その結果としてリザーバ1708の流体に圧力を加えるか又は当該流体に対する圧力を低減して、膜1710の曲率を変更し、データ搬送ビームを光検出器上へ集束する。ポンプ1714は圧電ポンプとすることができる。
【0030】
上記の説明は、説明の目的で、本発明の完全な理解を提供するために特定の学術用語を使用した。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明を実施するために、特定の細部は必要とされない。本発明の特定の実施形態に関する上記の説明は、例示および説明のために提供されている。当該説明は、本発明を網羅的にする又は全く同一の開示された形態に本発明を制限することは意図されていない。言うまでもなく、多くの修正形態および変更形態が上記の教示に鑑みて可能である。本発明の原理およびその実際の用途を最も良く説明し、それにより当業者が、本発明および特定の企図された用途に適するように様々な修正と共に種々の実施形態を最も良く利用することを可能にするために、実施形態は図示されて説明された。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物により定義されることが意図されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
微小電気機械システム(600)であって、
電磁放射線のビームを反射するように構成されたフレキシブルな凹面形の表面を有する膜(602)と、
前記膜から反射された前記電磁放射線のビームを、1つ又は複数の電磁放射線のビームへ分離するように構成された回折格子(606)と、
前記膜に動作可能に結合された膜アクチュエータシステム(604)とを含み、前記膜アクチュエータシステムが、前記膜の曲率を変更して、前記電磁放射線のビームを前記回折格子上に送るように動作可能である、微小電気機械システム(600)。
【請求項2】
前記回折格子に動作可能に結合された回折格子アクチュエータシステム(608)を更に含み、前記回折格子アクチュエータシステムが、前記電磁放射線の1つ又は複数の分離した交互のビームの方向を制御するように前記回折格子の向きを変更するように動作可能である、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
前記回折格子が、
回折要素の1次元アレイを有する表面、
回折要素の2次元アレイを有する表面、及び
回折格子ライトバルブのうちの1つを更に含む、請求項2に記載のシステム。
【請求項4】
前記電磁放射線のビームが面発光レーザから放出される、請求項1に記載のシステム。
【請求項5】
前記膜が更に、
凹面形のブラッグミラー、及び
凹面形の鏡面仕上げの膜のうちの1つからなる、請求項1に記載のシステム。
【請求項6】
前記膜アクチュエータシステムが更に、
ポンプ(1114)及びリザーバ(1110)であって、前記リザーバ(1110)が流体を保持し、前記膜(602)に流体的に連通するように結合され、前記ポンプが前記流体に圧力を加えて、前記膜の曲率、及び前記電磁放射線のビームの方向を変更する、ポンプ(1114)及びリザーバ(1110)、
ポンプ(1102)及び可撓性部材(1104〜1106)であって、前記可撓性部材(1104〜1106)が前記膜に結合され、前記ポンプが前記可撓性部材に圧力を加えて、前記膜の曲率、及び前記電磁放射線のビームの方向を変更する、ポンプ(1102)及び可撓性部材(1104〜1106)、及び
電圧源(1120)及び電極(1122)であって、前記電極(1122)が前記膜の反射面の反対側の前記膜の面に配置され、前記電圧源が前記電極にバイアスを供給して、静電反発力を生成することにより、前記膜の曲率および前記電磁放射線のビームの方向を変更する、電圧源(1120)及び電極(1122)
のうちの1つからなる、請求項1に記載のシステム。
【請求項7】
微小電気機械システム(1700)であって、
フレキシブルな曲面を有する実質的に透明な膜(1710)、及び流体を保持し且つ前記膜に流体的に連通するように結合されているリザーバ(1708、1712)を含むレンズ構造要素(1704)と、
前記リザーバに動作可能に結合されたアクチュエータシステムとを含み、前記アクチュエータシステムが、前記膜の曲率および前記レンズ構造要素の焦点を変更するように、前記流体に圧力を加えるように動作可能である、微小電気機械システム(1700)。
【請求項8】
前記透明な膜および前記流体を満たしたリザーバが、双曲線レンズを形成する。
【請求項9】
前記膜アクチュエータシステムが、
前記リザーバに流体的に連通するように結合された滑り弁と、
前記滑り弁に動作可能に結合されたポンプ(1714)とを更に含み、前記ポンプが、前記膜の曲率および前記レンズ構造要素の焦点を変更するために、前記滑り弁に圧力を加えて、その結果として前記流体に圧力を加えるように動作可能である、請求項7に記載のシステム。
【請求項10】
前記膜アクチュエータシステムに動作可能に結合されたモータ(1718)を更に含み、前記モータが、電磁放射線源に対して前記レンズ構造要素の位置を変更することによりレンズの焦点距離を変更するように動作可能である、請求項7に記載のシステム。
【請求項1】
微小電気機械システム(600)であって、
電磁放射線のビームを反射するように構成されたフレキシブルな凹面形の表面を有する膜(602)と、
前記膜から反射された前記電磁放射線のビームを、1つ又は複数の電磁放射線のビームへ分離するように構成された回折格子(606)と、
前記膜に動作可能に結合された膜アクチュエータシステム(604)とを含み、前記膜アクチュエータシステムが、前記膜の曲率を変更して、前記電磁放射線のビームを前記回折格子上に送るように動作可能である、微小電気機械システム(600)。
【請求項2】
前記回折格子に動作可能に結合された回折格子アクチュエータシステム(608)を更に含み、前記回折格子アクチュエータシステムが、前記電磁放射線の1つ又は複数の分離した交互のビームの方向を制御するように前記回折格子の向きを変更するように動作可能である、請求項1に記載のシステム。
【請求項3】
前記回折格子が、
回折要素の1次元アレイを有する表面、
回折要素の2次元アレイを有する表面、及び
回折格子ライトバルブのうちの1つを更に含む、請求項2に記載のシステム。
【請求項4】
前記電磁放射線のビームが面発光レーザから放出される、請求項1に記載のシステム。
【請求項5】
前記膜が更に、
凹面形のブラッグミラー、及び
凹面形の鏡面仕上げの膜のうちの1つからなる、請求項1に記載のシステム。
【請求項6】
前記膜アクチュエータシステムが更に、
ポンプ(1114)及びリザーバ(1110)であって、前記リザーバ(1110)が流体を保持し、前記膜(602)に流体的に連通するように結合され、前記ポンプが前記流体に圧力を加えて、前記膜の曲率、及び前記電磁放射線のビームの方向を変更する、ポンプ(1114)及びリザーバ(1110)、
ポンプ(1102)及び可撓性部材(1104〜1106)であって、前記可撓性部材(1104〜1106)が前記膜に結合され、前記ポンプが前記可撓性部材に圧力を加えて、前記膜の曲率、及び前記電磁放射線のビームの方向を変更する、ポンプ(1102)及び可撓性部材(1104〜1106)、及び
電圧源(1120)及び電極(1122)であって、前記電極(1122)が前記膜の反射面の反対側の前記膜の面に配置され、前記電圧源が前記電極にバイアスを供給して、静電反発力を生成することにより、前記膜の曲率および前記電磁放射線のビームの方向を変更する、電圧源(1120)及び電極(1122)
のうちの1つからなる、請求項1に記載のシステム。
【請求項7】
微小電気機械システム(1700)であって、
フレキシブルな曲面を有する実質的に透明な膜(1710)、及び流体を保持し且つ前記膜に流体的に連通するように結合されているリザーバ(1708、1712)を含むレンズ構造要素(1704)と、
前記リザーバに動作可能に結合されたアクチュエータシステムとを含み、前記アクチュエータシステムが、前記膜の曲率および前記レンズ構造要素の焦点を変更するように、前記流体に圧力を加えるように動作可能である、微小電気機械システム(1700)。
【請求項8】
前記透明な膜および前記流体を満たしたリザーバが、双曲線レンズを形成する。
【請求項9】
前記膜アクチュエータシステムが、
前記リザーバに流体的に連通するように結合された滑り弁と、
前記滑り弁に動作可能に結合されたポンプ(1714)とを更に含み、前記ポンプが、前記膜の曲率および前記レンズ構造要素の焦点を変更するために、前記滑り弁に圧力を加えて、その結果として前記流体に圧力を加えるように動作可能である、請求項7に記載のシステム。
【請求項10】
前記膜アクチュエータシステムに動作可能に結合されたモータ(1718)を更に含み、前記モータが、電磁放射線源に対して前記レンズ構造要素の位置を変更することによりレンズの焦点距離を変更するように動作可能である、請求項7に記載のシステム。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図15】
【図16A】
【図16B】
【図17A】
【図17B】
【公表番号】特表2010−532015(P2010−532015A)
【公表日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−514804(P2010−514804)
【出願日】平成20年6月25日(2008.6.25)
【国際出願番号】PCT/US2008/007933
【国際公開番号】WO2009/002523
【国際公開日】平成20年12月31日(2008.12.31)
【出願人】(503003854)ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. (1,145)
【Fターム(参考)】
【公表日】平成22年9月30日(2010.9.30)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年6月25日(2008.6.25)
【国際出願番号】PCT/US2008/007933
【国際公開番号】WO2009/002523
【国際公開日】平成20年12月31日(2008.12.31)
【出願人】(503003854)ヒューレット−パッカード デベロップメント カンパニー エル.ピー. (1,145)
【Fターム(参考)】
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