基于微机电系统的光交换结构的反馈控制系统的制作方法

专利名称：基于微机电系统的光交换结构的反馈控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及光网络的开关，更具体而言，涉及用于有倾斜镜面的光交换结构的、基于反馈的控制系统。
背景技术：
随着光纤不断地补充并代替作为电信网络骨干的金属导线，路由光信号的开关已变成明显的瓶颈。传输系统移动作为光学光子的信息，而交换、路由、复用和解复用光信号的交换系统和所谓的交叉连接结构一般都是电子化的。电子交换要求在称为光-电-光(OEO)转换的过程中，光被转换成电信号来穿过开关，然后被重新转换成光，这个过程导致时间延迟和耗费。
因此在电信工业中，对开发全光交换以避免必须多次OEO转换有着很大的兴趣。在长距离网络中，在每根光纤上复用数十或数百个不同的波长，每个波长都承载了信号。希望在光纤级、波长级或者这两个级别上提供全光交换的开关。例如，如Bishop等人在《科学美国人》(ScientificAmerican)(2001年1月pp.88-94)中所描述的，提出了基于多种基础技术的全光开关，包括微机电系统(MEMS)的倾斜镜面、热光器件、由喷墨打印头形成的气泡以及液晶。基于MEMS镜面的光纤开关尤其有吸引力，因为它们可结合超大规模集成光路并能够是鲁棒的、长期使用的和可扩充的。
例如，在Lin的美国专利5,960,132中所描述的一种光纤开关，包括铰接MEMS镜面的阵列，其中每个都可绕其枢轴在反射状态和非反射状态之间旋转。需要一个有N2个这种镜面的阵列来将由N个输入光纤承载的信号从N个输出光纤的一个切换到另一个。很不幸，对于大的N，N2的标度会导致器件复杂得无法管理。
在以上所引的Bishop等人的文章以及Bishop等人在《PhotonicsSpectra》(2000年3月pp.167-169)中所描述的另一种光纤开关，包括位于单个表面上的MEMS镜面阵列。每个镜面独立地倾斜，以将从输入/输出光纤阵列接收的光引导到任一个其他的镜面，并由此引导到任一个输入/输出光纤。目前为止在出版物中没有描述用于此开关的内部光学诊断。
另一种光纤开关基于两个MEMS镜面阵列，所述MEMS镜面能够倾斜成任何方向。输入光被引导到第一阵列中的镜面，该镜面将其反射到第二阵列中的预定镜面上。接着，第二阵列中的所述镜面将光引导到预定输出端口。在这些所谓的2N配置中，必须非常精确地控制镜面的位置，精确到度的很小部分，以提供所希望的连接。
因此，具有低插入损耗并能够精细调节以交叉连接大量输入输出光纤的光纤开关，将促进光纤电信网络的发展。此外，需要用于控制光纤开关的调节的控制系统。

发明内容
根据本发明，公开了一种控制系统，用于在基于微机电系统(MEMS)的光交换结构中控制各个镜面。光交换结构是指具有多个输入端口和多个输出端口的光开关，该光开关允许在任何输入端口上进入该设备的光信号被引导到任何输出端口。这样，光交换结构从节点控制器接收指令，并基于这些指令将来自输入端口的光引导到指定的输出端口。
于是基于MEMS的光交换结构可以包括输入镜面阵列，该输入镜面阵列从输入端口接收信号光束并将信号光束反射到输出镜面阵列。输出镜面阵列从输入镜面阵列接收信号光束并将这些信号光束引导到输出端口。例如，特定的信号光束通过第一输入端口进入光交换结构，然后通过从输入镜面阵列的单个镜面反射到输出镜面阵列的单个镜面而被路由。输出镜面的该单个镜面根据来自节点控制器的指令，将此特定光束引导到其指定的输出端口。在本发明的一些实施例中，信号光束可以在两个方向上行进通过光交换结构，使得光束可以由输出镜面阵列接收并由输入镜面阵列引导出光交换结构。
在一些实施例中，输入镜面阵列的各个镜面中的每一个从输入端口中的一个接收光，而输出镜面阵列的各个镜面中的每一个将光引导到输出端口中的一个。输入镜面阵列的单个镜面可以被定向，以将来自其对应输入端口的光引导到输出镜面阵列的各个镜面中的一个。输出镜面阵列的所述单个镜面从输入镜面阵列的所述单个镜面接收光，并将其引导到相关联的输出端口。于是，通过将输入镜面的各个镜面恰当定向以将光引导到输出镜面阵列的恰当镜面，并将输出镜面的各个镜面恰当定向，以从输入镜面阵列的相关联的各个镜面接收光并将光引导到与该单个镜面相关联的输出端口，这样来将输入端口光耦合到所选择的输出端口。
根据本发明，位置感应检测器相对于第一镜面阵列而被定位，以监控第一镜面阵列中每个镜面的方向。可以由激光器或其他光源产生的第一控制光束，可以被二色光学元件所引导，以至少从第一镜面阵列反射到第一位置感应检测器上。第一镜面阵列可以是输入镜面阵列或输出镜面阵列中的任何一个。在一些实施例中，还可以将第一校准光束引导到第一位置感应检测器上。于是，第一镜面阵列的各个镜面的方向，直接与来自第一镜面阵列的各个镜面中的每一个的第一控制光束在第一位置感应检测器的单元上的位置相关。
在一些实施例中，可以沿着信号光束的光路共线地，将第二控制光束引导通过第二镜面阵列并引导到第二位置感应检测器上。在一些实施例中，还可以将第二校准光束引导到第二位置感应检测器上。第二镜面阵列的各个镜面的方向，直接与来自第二镜面阵列的各个镜面中的每一个的第二控制光束在第二位置感应检测器的单元上的位置相关。第二镜面阵列可以是输入镜面阵列或输出镜面阵列中的任何一个。
在另一些实施例中，第三控制光束可以沿着信号光束光路行进通过第一镜面阵列和第二镜面阵列，并被引导到第三位置感应检测器的单元上。第三位置感应检测器接收被引导通过第一镜面阵列和第二镜面阵列的第三控制光束，为镜面方向的细调对准提供数据。在一些实施例中，还可以将第三校准光束引导到第三位置感应检测器上，以校准第三位置感应检测器。
在一些实施例中，多个控制和校准光束可以由多个激光器产生，并被引导到位置感应检测器上。例如，第一控制光束和第二控制光束可以由第一激光器产生；第三控制光束和第二校准光束可以由第二激光器产生；第一校准光束和第三校准光束可以由第三激光器产生。控制光束通过被第一镜面阵列或第二镜面阵列的一个或多个反射到位置感应检测器上，而被引导到位置感应检测器上。校准光束不从第一镜面阵列或第二镜面阵列反射。于是，在一些实施例中，包括如下时序打开第一激光器以产生第一控制光束和第二控制光束，第一控制光束从第一镜面阵列反射到第一位置感应检测器上，而第二控制光束从第二镜面阵列反射到第二位置感应检测器上；关闭第一激光器并打开第二激光器以产生第三控制光束和第二校准光束，第三控制光束从第一镜面阵列和第二镜面阵列反射到第三位置感应检测器上，第二校准光束入射到第二位置感应检测器上；以及关闭第二激光器并打开第三激光器以产生第一校准光束和第三校准光束，第一校准光束入射到第一位置感应检测器上，而第三校准光束入射到第三位置感应检测器上。在一些实施例中，来自第一位置感应检测器、第二位置感应检测器和第三位置感应检测器中的每一个的PSD信号由积分和数字化电路积分、数字化并存储起来以在后来被读取。数字信号处理器读取累积的数据，并相应地调节第一镜面阵列和第二镜面阵列中各个镜面的方向。
在一些实施例中，一个或多个数字信号处理器从位置感应检测器读取已积分和数字化的数据，并基于该数据来调节第一镜面阵列和第二镜面阵列中各个镜面的方向。保持第一镜面阵列和第二镜面阵列中各个镜面的方向，使得从它们反射的控制光束到达相关位置感应检测器的单元上的特定坐标。换句话说，通过相关位置感应检测器的单元上的位置，来监控第一镜面阵列和第二镜面阵列中各个镜面的方向，这就确定了光从输入端口到输出端口的路由。
本发明的一些实施例可以包括多于两个的镜面阵列。在那些实施例中，PSD检测器可以被布置来监控交换结构中每个镜面阵列的各个镜面。
以下将结合附图进一步讨论这些和其他实施例。


图1示出了根据本发明的光交换结构的一个实施例。
图2A、2B、2C和2D示出了镜面阵列的单个镜面的实施例，其具有用于控制该单个镜面的方向的致动器系统的实施例。
图2E示出了图2A至2D所示的镜面实施例的电压和镜面角度之间的关系。
图2F示出了根据本发明的镜面的致动器控制的另一个实施例。
图3示出了用于根据本发明的光交换结构的控制系统的框图。
图4示出了可以在图3的控制系统中使用的位置感应检测器的一个实施例。
图5A示出了交换结构的实施例的框图，所述交换结构利用激光器产生控制光束和校准光束以控制各个镜面的方向。
图5B示出了基于反馈的控制系统的框图，所述控制系统用于控制根据本发明的交换结构的各个镜面的方向。
图5C示出了根据本发明的积分和数字化电路的框图，所述电路用于从位置感应检测器的单元接收信号。
图5D示出了根据本发明的积分和数字化电路的实施例的框图，所述电路用于从位置感应检测器的单元接收信号。
图5E示出了根据本发明的积分和数字化电路的另一个实施例的框图，所述电路用于从位置感应检测器的单元接收信号。
图5F示出了图5E所示的积分和数字化电路的子部件。
图5G示出了致动器驱动器电路的框图，所述电路用于响应于控制信号而控制施加到镜面阵列的各个镜面的致动器的电压。
图6示出了根据本发明的基于反馈的控制系统的时序图。
图7A示出了描述根据本发明的控制系统的镜面控制器算法的框图。
图7B示出了描述根据本发明的控制系统的镜面控制算法的框图。
具体实施例方式
图1示出了光交换结构1的一个实施例的框图。在与本公开转让给同一受让人的美国申请案卷号No.M-10967US和M-11418US中，更全面地描述了光交换结构1，此处通过全面参考而将其包括到本申请中。
光交换结构1能够将来自多个输入端口的光切换到任何输出端口中。在一些实施例中，输入端口的数量和输出端口的数量可以在1000的量级上，因此得到1000乘1000的光开关。在光交换结构1中，如图1所示，输入光纤4被接收到输入光纤块8中，在输入光纤4中明确示出了光纤4a至4e。在与本发明一样转让给同一受让人的美国申请案卷号No.M-11501US中，更全面地描述了输入光纤块8的一个实施例，此处通过全面参考而将其包括到本申请中。
来自输入光纤4的光从光纤末端10被引导到小透镜阵列12中，在光纤末端10中明确示出了分别与光纤4a至4e相对应的光纤末端10a至10e。在小透镜阵列14中，小透镜14将光准直以形成光束16，在小透镜阵列14中明确示出了小透镜14a至14e，在光束16中明确示出了分别与来自光纤4a至4e的光相对应的光束16a至16e。在输入镜面阵列18中接收光束16。镜面阵列18包括被调整来引导光束16的微机电镜面。然后光束16被引导到反射表面24，并随后被引导到输出镜面阵列26的各个镜面上。在一些实施例中，其中明确示出了各个镜面18a至18e的镜面阵列18中的每一个镜面，将来自输入光纤4即4a至4e中的一个的光分别引导到镜面阵列26的任何一个镜面上。其中明确示出了镜面26a至26e的镜面阵列26中的各个镜面，将光通过小透镜块34和输出光纤块38引导到输出光纤6中对应的光纤。镜面阵列26的各个镜面中的每一个都被定向以将光反射到小透镜阵列34的一个微透镜上。如图1所示，镜面26a至26e随后将光分别引导到小透镜阵列34的透镜34a至34e上。然后，小透镜阵列34将来自透镜34a至34e的光束分别引导到输出光纤块38中的光纤末端40a至40e上。虽然此处镜面阵列18被称为输入镜面阵列，而镜面阵列26被称为输出镜面阵列，但本领域技术人员将认识到部分端口4可以被用作输出，而部分端口6可以被用作输入。
作为示例，来自输入光纤4c的光可以被镜面阵列18的镜面18c引导到镜面阵列26的镜面26a上。镜面26a被调整以接收来自镜面18c的光束，并将该光束引导到透镜34a上，以耦合到光纤6的输出光纤6a中。
镜面阵列18和镜面阵列26的各个镜面可以被控制系统20控制。控制系统20从网络控制器(未示出)接收将光从输入光纤4之一引导到输出光纤6之一的路由信息。然后，控制系统20调整镜面阵列18和镜面阵列26的各个镜面，使得如同网络控制器所指示的那样在输入光纤和输出光纤之间路由光，并持续监控镜面阵列18和26的各个镜面的方向，使得各个镜面维持正确的指定方向。
在一些实施例中，镜面阵列18和镜面阵列26的各个镜面可以被二维定向，以将光引导到二维平面(dθ，d)中。图2A、2B、2C和2D示出了单个镜面100的实施例，镜面100可以是镜面阵列18或镜面阵列26的各个镜面中的一个。在标题为“A Microelectromechinical Mirror”、由StevenNasiri于2001年2月7日提出申请、并与本发明一样转让给同一受让人的美国申请Serial No.09/779,189中，进一步描述了镜面100，此处通过全面参考而将其包括到本申请中。
如图2A所示，镜面100包括位于柱1 20上的镜表面101。柱120安装在可自由移动的盘102上，盘102悬挂在静电致动器103上。如图2B所示，致动器103自身悬挂在致动器框架107上，致动器框架107全部形成在镜面阵列18或26的致动器层200中。致动器103利用板状挠性件(plate flexure)104和105耦合到可自由移动的盘102。因为镜表面101(图2A)通过柱120安装到可移动盘102，因此镜表面101与可自由移动的盘102一起旋转。如图2A所示，在基体110上与致动器103相邻的静电电极108和109可以对每个致动器103施加扭矩。在图2A至2D所示的镜面100的实施例中，致动器103相对于可自由移动的盘102定位成两对相对的致动器。于是镜表面101可以在两个方向上倾斜。一般地，为了控制镜面101的方向，可以将任何数量的致动器103放置在可自由移动的盘102周围并与之耦合。
如图2B所示，每个致动器103绕着轴111旋转，并由此向可自由移动的盘102提供扭矩，以使盘102绕着轴113旋转。图2C图示了在使镜表面101旋转通过角度θm时致动器103和103′的操作。在图2C中与致动器103和103′垂直的相对致动器使镜表面101旋转过角度φm。致动层200上的致动器支承107通过柱115与基体110分开。在基体110上电极108和109位于致动器103之下，使得可以通过对电极108和109施加电压而使致动器103绕着枢轴支承106旋转。类似地，通过对电极108′和109′施加电压而使致动器103′绕着枢轴支承106′旋转。在一些实施例中，可以通过支承107对致动器103和103′施加偏置电压。在一些实施例中，偏置电压可能是大约负的60V。然后对电极109施加正的电压，使得致动器103以顺时针方向朝电极109旋转，这就将支承105的末端推向基体110。在一些实施例中，对电极109施加正的60V并对致动器103施加负的60V，可以使致动器103旋转大约1°。根据镜面100的具体几何构造，致动器103的这个旋转量可以转换成镜表面101的角度偏转θm，该角度偏转θm大大超过致动器103的旋转量。在一些特定实施例中，致动器103旋转1°时，镜表面101的角度偏转可以是大约5.5°。5.5°的偏转导致可控制镜面101的方向通过约11°，每侧5.5°。
类似地，对电极108′施加正的电压使得致动器103′以顺时针方向朝着电极108′旋转，使得耦合到致动器103′的支承105′的末端移动离开基体110。照这样，使得可自由移动的盘102，并由此使得镜表面101，以逆时针方向移动角度θm。类似地，对电极108和109′施加正的电压使得镜表面101沿顺时针方向移动。
在一些实施例中，致动器103和103′的旋转位移并不使可自由移动的表面102平移离开其平衡位置。致动器103和103′的旋转位移，只是使可自由移动的表面102绕着通过可自由移动的表面102指向图2C平面之外的旋转轴而旋转。此外，支承105和105′可以抑制镜表面101被机械激发的震动。
将镜表面101(图2A)安装在静电致动的盘102(图1)和致动层200之上，允许多个镜面100一起被密集地封装成镜面阵列，使得镜面阵列的表面基本上成镜面，所述镜面阵列可以是镜面阵列18和26之一。这样，可以容易地将光从多个输入光纤切换到多个输出光纤，如图1所示。此外，虽然图2A至图2D所示的镜面阵列18和26的镜面的特定实施例包括四个致动器，即垂直的两对，但可以使用多于2个的任何数目的致动器来实现镜表面101的旋转。
图2D示出了镜面101在操作中的示图。致动器103绕着枢轴点106旋转角度θa。此外，致动器103′沿相同的方向绕着枢轴点106′旋转角度θa。于是镜表面101从其平衡位置旋转了角度θm，此外镜表面101还可以从平衡位置平移距离x。
镜表面101的运动的模型可以表达为Mx··+Bx·+Kx=GT,---(1)]]>其中，M、B和K是矩阵，其元素取决于与镜面100的几何构造相关的各个物理常数。变量x是称为系统状态的向量。带点标记是指x的元素的时间导数。在图2D所示的镜面100的实施例中，x可以被定义成x=θmθaxm---(2)]]>其中θm是镜面角度(即镜表面101平衡位置和当前位置的法线之间的角度)，θa是致动器103和103′的角度，xm是镜面101离开平衡位置的横向位移。
变量T是施加到致动器103和103′以产生镜面101的运动的扭矩。于是矩阵G即所谓的输入矩阵由下式给出G=010---(3)]]>扭矩T是标量强迫函数(scalar forcing function)，并且是施加到致动器的电压V、致动器角度θa和在θa为0时致动器与电极之间的距离的函数。此外，在图2A至2D的几何结构中，因为有两个电极所以扭矩是两个值的和。于是，来自两个电极之一的扭矩T可以由下式给出T=∫0X(1/2)ϵ0V2r(d-rsinθa)2dr---(4)]]>
其中积分变量r表示沿着致动器103从枢轴点106到致动器103的外缘的距离。于是积分上限X是致动器103长度d的1/2。于是扭矩T的解析式为 其中g≡d±Xsinθa(6)其中根据激活电极108和电极109的哪一个来旋转致动器103，g在第二项中的符号不同。在一些实施例中，分别只激活电极108和109中的一个以及对应的电极109′和108′中的一个。
于是将镜表面101的运动估计为时间的函数的完整运动方程，由下式给出Mx..+Bx.+Kx=G(d+gln(g)gsin2(θa)-1+ln(d)sin2(θa))ϵ02V2ifθa≠0Gϵ0X2V24d2ifθa=0---(7)]]>对此差分方程系统的研究显示，在允许的运动的某些区域中镜面可能不稳定。此不稳定性是由于致动器上的扭矩T是镜面位置的函数。当致动器靠近电极时，静电力随间隔的平方而增大。在某些点处，致动器103上的静电力变得比连接105所提供的回复力更大，如果不对施加到电极108和109(以及相应的电极108′和109′)的电压进行有效而持续的校正，则镜面101的进一步位移变得不稳定。
此外，描述镜面100的运动方程是非线性的。然而，非线性仅仅出现在扭矩项T(s)中。根据本发明的控制系统可以利用此运动方程的低阶非线性。
图2E示出了施加到相对致动器103和103′的电压与镜表面101的角度之间的关系。例如用约60V电压可以得到约2.0°的角度。在约120V电压处镜面变得不稳定，此处角度可能在约7.4°和8.6°之间。
图2D所示的镜面100的特定实施例包括控制镜表面101在一个方向上的旋转的相对致动器103和103′。另一组相对致动器103(参见图2A和2B)，可以在与由致动器103和103′所控制的方向垂直的方向上旋转镜表面101。在对镜表面101的旋转运动建模时，可以假定这些运动是分离的(即两个正交运动之间的干扰被最小化)。在具有不同布置的致动器实施例中，可以确定除了此处作为示例讨论的模型之外的其他模型。
图2F示出了致动器103和103′与被驱动盘102以其他方式耦合的镜面100的实施例。实际上，致动器103和103′工作以控制从动盘102沿着旋转轴113的运动，该旋转轴113分别平行于致动器103和103′的旋转轴，即轴107和107′。上述利用施加到致动器103和103′的电压的致动器盘102的旋转运动模型，也可以应用到图2F所示的镜面100的实施例。
图3示出了控制系统20(图1)的一个实施例。控制系统20从光交换结构1之外的光交换节点控制系统301接收命令。例如，光交换节点控制系统301可以请求将所选择的输入端口切换到所选择的输出端口。此外，来自控制系统20的错误消息和评价数据(例如，当前镜面方向、当前致动器电压和其他测量参数)可以传送到光交换节点301。
控制系统20包括监控控制系统302和本地镜面控制系统310和320。在图3所示的实施例中，镜面控制系统310控制镜面阵列18，而镜面控制系统320控制镜面阵列26。监控控制系统302监控交换结构1的整体操作并维护本地镜面控制器310和320的整体校准。本地镜面控制器310和320分别控制镜面阵列26和镜面阵列18上的各个镜面，使得镜面按照光交换网络控制器301最初所要求的那样，被恰当地定向以将来自所选择输入端口的光束路由到所选择的输出端口。在与本发明一样转让给同一受让人的美国申请案卷号No.M-11419US中，进一步描述了监控控制系统302和与监控控制系统302相联系的校准监控器(例如多点校准系统和反射光监控反馈系统)，此处通过全面参考而将其包括进来。
通过由激光器306-1至306-P所产生的控制光束，来监控镜面阵列18和26中镜面的角度方向。在一些实施例中，来自激光器306-1至306-P的控制光束所处的光谱范围，不同于由交换结构1所交换的光束。例如在一些实施例中，激光器306-1至306-P产生可见光，而在输入端口4(图1)和输出端口6之间所引导的光是红外的。在此情况下，可以利用二色元件，使得来自激光器306-1至306-P的控制光束可以沿着与所交换光束相同的光路，被引导通过镜面阵列18和26。此外，来自激光器306-1至306-P的控制光束可以被引导到位置感应检测器阵列307-1至307-Q上，以提供关于镜面阵列18和26中每个个别镜面的方向的数据。在标题为“Optical configuration for Optical fiber Switch”、由C.C.Huang提出的美国申请案卷号No.M-10967US和美国申请序列号No.09/839,848中，描述了具有3个激光器306-1至306-3和3个PSD检测器307-1至307-3的光学系统的实施例，上述两个申请与本发明一样转让给同一受让人，此处通过全面参考而将其包括进来。在标题为“Architecture for Optical FiberSwitch”，由由C.C.Huang提出的美国申请案卷号No.M-11754US中，描述了如上所述的光学系统的另一个实施例，上述申请与本发明一样转让给同一受让人，此处通过全面参考而将其包括进来。
镜面控制器310包括耦合到一个或多个数字信号处理器(DSP)312-1至312-J(共同称为DSP 312)的接口连接和系统控制器311。在一些实施例中，使用DSP 312-1至312-J中的单个DSP来控制镜面阵列18的单个镜面的组。例如，镜面阵列18中每行镜面可以由DSP 312-1至312-J中的一个所控制，其中J是镜面阵列18中镜面的行号。在本发明的一些实施例中，镜面阵列18可以包括30行，每行40个镜面(总共1200个单独的镜面)，具有30个DSP(DSP 312-1至312-30)，每个DSP沿着指定的行控制40个单独的镜面。DSP 312-1至312-J中的每一个为各自的命令与接口311通信，所述各自的命令与镜面阵列18中落入DSP 312-1至312-J的各个DSP责任内的镜面的角位置相关。
DSP 312-1至312-J向致动器驱动器308输出信号，致动器驱动器308向各个镜面100中每一个的致动器103(图2A)的电极108和109提供恰当的电压信号，以将镜面100控制到被请求的方向。被请求的方向是恰当完成将来自输入端口4(图1)的光耦合到输出端口6的指定端口的请求的方向。镜面阵列18的各个镜面的方向可以由位置感应检测器(PSD)307-1至307-Q中的至少一个所监控。来自PSD 307-1至307-Q的PSD信号可以被输入到积分和数字化电路305中，所得的数字化PSD数据可以由DSP 312-1至312-J读取。在一些实施例中，时序和同步发生器304或者其他控制电路，可以控制进入镜面阵列18的数据以及从PSD 307-1至307-Q到DSP 312-1至312-J的各个DSP中的数据的时序和通信。
在一些实施例中，由DSP 312-1至312-J接收的数据，指示控制光束在PSD 307-1至307-Q中的一个上的位置。在一些实施例中，PSD 307-1至307-Q相对于镜面阵列18和26定位，使得PSD 307-1至307-Q中的每个单独的单元接收从镜面阵列18和26的单个镜面所反射的光束。由此，控制光束在PSD 307-1至307-Q的各个单元上的位置直接指示镜面阵列18和26的各个镜面的方向。于是镜面阵列18和26的各个镜面的方向可以根据控制光束在PSD 307-1至307-Q上的位置来进行监控。在一些实施例中，不是从镜面阵列18或镜面阵列26中的任何一个反射的校准光束，被引导到位置感应检测器307-1至307-Q上。校准光束允许用位置感应检测器307-1至307-Q中的性能漂移来校正控制光束的测量位置。
在一些实施例中，光交换节点控制器301可以以(输入端口，输出端口)的形式将请求和命令传送给监控控制器302，该形式表示哪一个输入端口需要被光耦合到哪一个输出端口。监控控制系统302随后指示镜面控制器310，对应于所请求输入端口的、镜面阵列18的特定单个镜面需要被定向，以将来自所请求输入端口的光引导到对应于所请求输出端口的、镜面阵列26的特定单个镜面。然后接口311可以指示DSP 312-1至312-J中恰当的一个DSP，将特定的单个镜面恰当定向以获得所请求的路由。可以在一些实施例中的接口311中，或者在另一些实施例中的DSP 312-1至312-J的每一个中，保存并维护输入端口方向的查找表。该查找表包括这样的数据，即为了完成所请求的路由，对于单个镜面希望的方向，从该单个镜面所反射的控制光束在PSD 307-1至307-Q中的一个上所测量的哪个位置是恰当的。然后DSP 312-1至312-J控制单个镜面的方向，以保持在PSD 307-1至307-Q中的一个或多个上所测量的恰当的位置。在一些实施例中，该查找表可以由监控控制器302例行地更新和重新校准。
类似地，监控控制器302也可以通过接口/控制器321与镜面控制器320通信。镜面控制器320包括DSP 322-1至322-K(共同称为DSP322)，它们也被耦合以通过积分和数字化电路305从部分PSD 307-1至307-Q接收数据。响应于指示镜面阵列26的各个镜面位置的位置测量，DSP 322-1至322-K向致动器驱动器309输出信号，该信号控制镜面阵列26的各个镜面的方向。同样，致动器驱动器309接收对镜面阵列26的每个单个镜面的控制信号，并产生恰当的致动器电压以控制各个镜面。同样，DSP 322-1至322-K中的每一个监视并控制镜面阵列26的各个镜面的子集，该镜面子集在某些情况下可以是单行的镜面。
时序和同步电路304控制激光器306-1至306-P中哪一个当前工作以产生控制光束，并且在一些实施例中产生校准光束。此外，时序和同步电路304控制来自PSD 307-1至307-Q中的每一个的数据在积分和数字化电路305中被积分多长时间，并且指示何时数据已经准备好被镜面控制器310的DSP 312-1至DSP 312-J和镜面控制器320的DSP 322-1至DSP 322-K所读取。在一些实施例中，根据激光器306-1至306-P中哪一个正在产生控制和校准光束，可以由PSD 307-1至307-Q测量到不同的校准和镜面方向数据。在一些实施例中，因为激光器306-1至306-P具有类似频率，所以可以使用相同的二色元件来路由来自每个激光器306-1至306-P的控制光束，时序电路304每次只安排来自激光器306-1至306-P中的一个激光器的控制光束入射到每个PSD 307-1至307-Q上。在激光器306-1至306-P产生不同频率的控制光束的情况下，PSD 307-1至307-Q可以对不同的频率敏感。
图4示出了可以是PSD 307-1至307-Q中任何一个的位置感应传感器(PSD)400的示意图。PSD 400包括具有N行和M列的N乘M个单元401-1，1至401-N，M的阵列。单元401-1，1至401-N，M中的每一个都是隔离的。在一些实施例中，光敏材料可以如下形成，即通过将该材料粘结到玻璃载片上，并切割该材料以形成隔离的单元401-1，1至401-N，M，所述光敏材料例如InGaAs检测器或者诸如四管脚二极管(Quad PIN diode)的硅器件。于是单元401-1，1至401-N，M中的每一个分别包括四元区域402-1，1至402-N，M、403-1，1至403-N，M、404-1，1至404-N，M和405-1，1至405-N，M。在单元401-1，1至401-N，M的任意一个单元401-j，k中，区域402-j，k提供信号IA，区域403-j，k提供信号IB，区域404-j，k提供信号IC而区域405-j，k提供信号ID。信号IA、IB、IC和ID通常分别是指示入射到区域402-j，k、403-j，k、404-j，k和405-j，k上的光强的电流信号。在一些实施例中，单元可以有任何数量的区域，从所述区域可以确定光束入射到该单元上的位置。
光束在单元401-j，k上的位置，指示与单元401-j，k对应的单个镜面的方向。在一些实施例中，每个单元401-j，k被定位以接收从镜面阵列18或26的各个镜面中对应的一个镜面反射的光。光束入射到单元401-j，k上的x坐标可以确定为x=α(IB+ID)-(IA+IC)IA+IB+IB+ID(10)]]>而y坐标可以由下式给出y=β(IA+IB)-(IC+ID)IA+IB+IC+ID,---(11)]]>其中α和β是比例常数。在一些实施例中，单元401-j，k的尺寸大约是1mm见方。与单元401-j，k相关联的单个镜面的物理方向，由单元401-j，k所接收光束的中心位置来确定。
位置感应检测器(PSD)400电耦合到积分和数字化电路305。在一些实施例中，可以通过凸块连接(bump connection)实现用于施加偏置电压和接收强度信号的到光敏材料的直接电连接。虽然偏置电压可以全面地施加到单元401-1，1至401-N，M中的每一个上，但为了使得积分和数字化电路305可以从每个单元401-1，1至401-N，M的每个区域接收信号，可以通过凸块连接来完成对区域402-1，1至402-N，M、403-1，1至403-N，M、404-1，1至404-N，M和405-1，1至405-N，M的电连接。于是可以基于来自区域402-1，1至402-N，M、403-1，1至403-N，M、404-1，1至404-N，M和405-1，1至405-N，M中的每一个的被滤波、积分并数字化的信号，由DSP 312-1至312-J或者DSP 322-1至322-K来完成对光束在每个单元中的位置的计算。
图5A示出了根据本发明的控制回路的示意图。镜面阵列18和26都被示为具有致动器层200和镜表面101(参见图2A)。镜面阵列18示出了第j行镜面，第j行镜面在图5A所示的实施例中由本地镜面控制器310的DSP 312-j控制。此外，镜面阵列26示出了第k行镜面，第k行镜面由本地镜面控制器320的DSP 322-k控制。在图5A所示的特定实施例中，光正在镜面阵列18的第j行中的一个镜面与镜面阵列26的第k行中的一个镜面之间被引导。
本地镜面控制器310的DSP 312-j被耦合来与致动器驱动器308通信，致动器驱动器308被耦合到镜面阵列18的致动器表面200以控制镜面阵列18的各个镜面。类似地，本地镜面控制器320的DSP 322-k被耦合来与致动器驱动器309通信，致动器驱动器309被耦合到镜面阵列26的致动器表面200以控制镜面阵列26的各个镜面。PSD 307-1被定位以接收控制光束550，控制光束550基本上与来自输入端口4(图1)并从镜面阵列18的单个镜面反射的输入光束相一致。PSD 307-2被定位以接收控制光束551，光束551与到输出端口6(图1)的输出光束基本上共线，但是以与输出信号光束相反的方向行进，并从镜面阵列26反射。PSD 307-3被定位以接收控制光束552，控制光束552与来自输入端口4的输入光束基本上一致地行进，并被镜面阵列18的单个镜面以及镜面阵列26中相应的单个镜面所反射。本领域技术人员将认识到PSD和控制光束有各种替代的布置方案。
激光器306-1提供控制光束550，控制光束550与来自输入端口4的输入光束一致地被引导，并从镜面阵列18的单个镜面反射到PSD 307-1的对应的单元上。激光器306-1还提供控制光束551，控制光束551与到输出端口6的输出光束一致地被引导，但以与输出光束相反的方向行进，并从镜面阵列26的单个镜面反射到PSD 307-2的对应的单元上。激光器306-2提供控制光束552，控制光束552与来自输入端口4的输入光束一致地被引导，并从镜面阵列18的单个镜面以及镜面阵列26中相应的单个镜面反射到PSD 307-3的对应的单元上。因此，来自激光器306-2的控制光束552沿着从输入端口4到输出端口6的单个输入光束的路径行进。来自激光器306-1的控制光束550和551在PSD 307-1和307-2的单元上的测量位置，分别提供了与镜面阵列18和镜面阵列26上的单个镜面的方向有关的粗调对准数据。来自激光器306-2的控制光束552在PSD 307-3的单元上的位置，提供了与镜面阵列18的单个镜面和镜面阵列26对应的单个镜面的相对方向有关的细调对准数据，并由此提供了关于从输入端口4到输出端口6的整个所希望的路由的数据。
除了控制光束552，激光器306-2还提供了被引导到PSD 307-2上的校准光束553。此外，激光器306-3提供校准光束554和555，它们分别被引导到PSD 307-3和PSD 307-1的单元上。校准光束553、554和555不从镜面阵列18或者镜面阵列26反射。由此，校准光束553、554和555分别在PSD 307-2、307-3和307-1上的位置，提供了与PSD 307-1至307-3中的任何漂移有关的信息，由此控制光束的位置测量值可以被校正。美国申请案卷号No.M-10967US和美国申请No.09/839,848中，进一步描述了图5A所示的光路。美国申请案卷号No.M-11745US中描述了具有激光器和PSD的不同布置的另一个实施例，也可以应用到本发明的实施例。
当控制光束550和551工作时，从PSD 307-1和PSD 307-2的各个相应单元上测得的强度数据，得到与镜面阵列18和26的各个镜面的物理方向有关的粗调数据。在一些实施例中，镜面阵列18各个镜面中的每一个由PSD 307-1的对应单元所监控，而镜面阵列26各个镜面中的每一个由PSD 307-2的对应单元所监控。当控制光束552工作时，与镜面阵列18的各个镜面和镜面阵列26的各个镜面的相对方向有关的细调数据，由PSD307-3上与镜面阵列26的各个镜面相对应的单元所监控。在一些实施例中，激光器306-2和PSD 307-3可以被布置成PSD 307-3转而监控镜面阵列18的各个镜面。因为在多次调节之间镜面阵列18和26的各个镜面中的每一个都由于震动或其他因素而从指定方向(即使得光按照网络控制器301所指定的那样在输入端口4和输出端口6之间被引导的方向)漂移，所以各个镜面可能需要被频繁调节以保持位置。在一些实施例中，可以按照每秒10,000次或更快的量级来完成对每个单个镜面的调节。此外，通过校准光束553、554和555，来周期性地检查PSD 307-1至307-3的操作，以校正DSP 312-j和322-k对操作中任何变化的响应。
图5B示出了控制系统20的控制系统400的实施例的框图，控制系统20与图5A所示的交换结构1对应。激光调制器501向激光器306-1至306-3提供激光信号。如上所述，激光器306-1向PSD 307-1和307-2提供控制信号550和551(分别通过镜面阵列18和26)，激光器306-2向PSD307-3提供控制信号552(通过镜面阵列18和镜面阵列26两者)，并向PSD 307-2提供校准信号553，激光器306-3分别向PSD 307-1和307-3提供校准信号555和554。来自PSD 307-1的输出信号被输入积分器305-1，来自PSD 307-2的输出信号被输入积分器305-2，而来自PSD 307-3的输出信号被输入积分器305-3。DSP 312读取来自积分器305-1的数字化输出信号。在此处描述的特定实施例中，DSP 322读取来自积分器305-2和积分器305-3的数字化输出信号。基于从积分器305-1读取的数字化数据，DSP 312向致动器驱动器308提供输出信号，以控制镜面阵列18的各个镜面的方向。基于从积分器305-2和积分器305-3读取的数字化数据，DSP322向致动器驱动器309提供输出信号，以控制镜面阵列26的各个镜面。
时序/同步发生器304为伺服回路提供时序，所述伺服回路由激光器306-1、306-2和306-3、PSD 307-1至307-3、DSP 312(全体DSP 312-1至312-M)和322(全体DSP 322-1至322-M)、致动器驱动器308和309以及镜面阵列18和26所定义。在一些实施例中，在任何给定时间激光器306-1至306-3中只有一个激光器是激活的，在此期间来自PSD 307-1至307-3的数据被积分器305-1至305-3积分。此外，已经由积分器305-1至305-3获得的数据可以被DSP 312和322读取并照此数据操作。例如，当激光器306-1激活时获得的数据，被用来调节镜面阵列18和镜面阵列26中各个镜面的方向。当激光器306-2激活时获得的数据，被用来校准从PSD 307-2读取的数据，并细调镜面阵列26中各个镜面的方向。当激光器306-3激活时获得的数据，被用来校准从PSD 307-1和307-3获得的数据。本领域技术人员将认识到，激光器306和PSD 307相对位置的变化可以导致其他的校准和调节的时序与过程。在一些实施例中，DSP 312-j和DSP312-k可以是TMS320C6711数字信号处理器。在标题为“MEMSDriver”、由Hakan Ates Gurcan提出并转让给Decicon公司的美国申请案卷号No.M-12141US中，描述了驱动器308和309的一些实施例，此处通过全面参考而将其包括进来。
图5C示出了PSD积分器电路530的示例，其处理来自PSD 307-1至307-3中的一个PSD的单个单元的数据。例如，积分器305-1可以包括与PSD 307-1的单元数相对应的多个电路530。如图4的单元401-j，k所示，一个单元包括四个区域402-j，k、403-j，k、404-j，k和405-j，k。由此，被称为PSD信号的四个强度信号IA、IB、IC和ID被接收到电路530中。
PSD信号IA、IB、IC和ID可以分别接收到滤波器531-1至531-4中。来自滤波器531-1至531-4的输出信号分别被接收到积分电路532-1至532-4中。积分电路532-1至532-4可以被控制，使得其在特定的时间被复位，然后在积分后的设定时间被停止。因此，积分电路532-1至532-4对从零开始的预定时间段积分。一旦积分电路532-1至532-4分别完成了对滤波器531-1至531-4的输出信号的积分，则积分电路532-1至532-4的输出信号被输入到模数转换器(ADC)533-1至533-4中。在一些实施例中，采样和保持电路存储积分电路532-1至532-4的输出，并且模拟积分信号在由多路复用电路读取后数字化。在图5C所示的实施例中，A/D转换器533-1至533-4的数字化输出信号被输入到存储寄存器534-1至534-4中。设置时序，使得在积分电路532-1至532-4完成积分之后并且积分电路532-1至532-4被复位之前，完成由ADC 533-1至533-4进行的数字化。此外，在ADC 533-1至533-4完成数字化后，存储寄存器534-1至534-4锁存ADC 533-1至533-4的输出信号。寄存器534-1至534-4的输出信号，即信号A、B、C和D分别被DSP 312或DSP 322中的一个读取。
图5D示出了积分和数字化电路305的一个实施例，该电路处理来自诸如图4的PSD 400的一个PSD的数据。例如，图3的积分和数字化电路305处理来自每个PSD 307-1至307-Q的PSD数据。图5B的积分器305-1至305-3分别处理来自PSD 307-1至307-3的数据。
如果与图4的PSD 400一起使用，则积分和数字化电路305从单元401-1，1至401-N，M中的每一个接收PSD数据。因为单元401-1，1至401-N，M中的每一个都是四元检测器，所以每个单元提供四个PSD信号，在图中标记为IA、IB、IC和ID。例如在图5D中，积分电路503-j，k从单元401-j，k接收信号IA、IB、IC和ID。积分电路503-j，k中的每一个都可以是图5C所示的积分电路530。
此外，时序与同步信号被输入到时序电路560中。响应于该时序信号，时序电路560向积分电路530-1，1至530-N，M中的每一个提供以下信号以提供恰当的时序复位(R)、停止积分(SI)、数字化(D)和锁存(L)。输出接口561与DSP 312或DSP 322(参见图5B)相互作用。输出接口561接收一个或多个地址(将要从这些地址读取数据)，并将来自积分电路530-1，1至530-N，M中所选积分电路的恰当的数字化输出引导到数据输出总线。在一些实施例中，地址总线上出现的地址可以是列地址，例如列k，在此情况下可以将来自积分电路530-1，k至530-N，k的输出数据同时从积分电路305读出来。本领域技术人员将想到用于从积分和数字化电路305读取数据的其他寻址和读出方案。
图5E示出了积分和数字化电路305-i的另一个实施例，此电路是例如图5B所示的积分电路中的一个。积分和数字化电路305-i包括四元PSD系统中的积分电路550-1，1至550-M，4。从每个PSD单元401-1，1至401-N，M接收PSD数据。在图5E所示的实施例中，按行来分离数据，使得积分电路550-1，1至550-1，4从PSD单元400(图4)的第一行的PSD单元401-1，1至401-1，M中的每一个单元接收电流数据IA、IB、IC和ID。
图5F示出了积分电路550-1，1至550-M，4中的一个，即积分块550。根据开关556的设置，来自N个PSD单元401-1，j至401-N，j的每一个的电流信号被输入到N路积分器551或者N路积分器552中的一个。开关557选择N路积分器551或者N路积分器552中的一个用于输出。开关556和557可以设置成当N路积分器551和552中的一个在充电时，N路积分器551和552中的另一个正在被读出。在一些实施例中，来自PSD单元401-1，j至401-N，j中偶数号元件(即401-2，j、401-4，j...401-N，j)的积分数据可以输入开关553，而奇数号PSD单元(即401-1，j401-3，j...401-(N-1)，j)的积分数据可以输入开关554。开关553的输出信号被输入放大器555，而开关554的输出信号被输入放大器556。开关557交替地选择放大器555和556的输出信号。开关553和554可以交叉控时，使得例如当放大器555的输出信号正在输入放大器558时，就在建立放大器556的输出信号。放大器558的输出信号在模数转换器559中被数字化并输出到线驱动器560。
如图5E所示，每个积分电路550-1，1至550-M，4的输出信号被输入到接口552中。接口552接收来自DSP 312-j和322-k(图5B)之一的地址请求，并输出对该行所请求的数据。在一些实施例中，地址可以是行地址，在此情况下接口552例如串行地输出整行的数据。在一些实施例中，可以选择单个PSD单元401-1，1至401-N，M，并可以为该单元输出四个被积分和数字化的数据值。
图5G示出了致动器驱动器570的一个实施例，致动器驱动器570可以是致动器驱动器308和309中的任一个。致动器驱动器570包括从DSP312和322接收地址和校正数据的接口571。同样，接口571可以包含对镜面阵列(对于致动器驱动器308是镜面阵列18，对于致动器驱动器309是镜面阵列26)的多个镜面的校正和地址。各个校正被接收到驱动器电路572-1，1至572-N，M中。例如，当被选址时，驱动器电路572-j，k接收对于耦合到致动器驱动器570的镜面阵列的j行k列处的单个镜面的校正数据xc和yc。然后致动器驱动器572-j，k对j行k列处的单个镜面提供新的致动器电压，并保持该致动器电压直到接收到新的校正数据。
图6示出了对图5B所示控制伺服系统进行基于时间的复用的时序图。图6示出了图5B所示的伺服系统实施例的时序的实施例。具体而言，图6示出了图5B所示的伺服系统在6个连续时间段T1至T6中的操作。在一些实施例中，6个连续时间段T1至T6具有相等的时间长度。在一些实施例中，时间段T1至T3持续例如大约100μs，使得每个单个的时间段大约持续33.33μs。然而，本发明的实施例可以包括持续任何时间的时间段。
在时间段T1中，激光器306-1打开而激光器306-2和306-3关闭。在激光器306-1打开后不久，设置积分器305-1和305-2来积分。由于没有光束入射到积分器电路305-3上，因此积分器电路305-3是否正在积分无关紧要。在时间段T1快要结束前，积分电路305-1和305-2停止积分，并保持从积分获得的数据。此外，在时间段T1期间，DSP 312从积分电路305-1读取在时间段T1前一个的时间段内累积的数据，而DSP322从积分电路305-3读取在时间段T1前一个的时间段内累积的数据。在时间段T1前一个的时间段中，积分器306-3已经被激活，并且积分电路305-1和305-3已经分别对来自校正光束555和554的PSD数据进行了积分和累积。
在时间段T2中，激光器306-1和306-3关闭而激光器306-2打开。在激光器306-2打开后不久，积分电路305-2和305-3开始分别对来自PSD307-2和307-3的PSD信号进行积分。就在时间段T2结束时激光器306-2被关闭之前不久，积分电路305-2和305-3停止积分，并存储积分结果以用于以后的输出。此外，在时间段T2期间，DSP 312读取在时间段T1期间由积分电路305-1累积的数据，而DSP 322读取在时间段T1期间由积分电路305-2累积的数据。在一些实施例中，进行一连串列的读取。因此，例如在40列的系统中，其中每个DSP 312-j从一行进行读取，DSP 312-j顺序地接收40个PSD数据值(每个数据值包括从PSD数据积分得到的A、B、C和D)。
此外，在时间段T2期间，DSP 312开始在从积分电路305-1读取的数据上进行计算，以提供对镜面阵列18的各个镜面方向的粗调校正。此外，DSP 322开始在从积分电路305-2读取的数据上进行计算，以提供对镜面阵列26的各个镜面方向的粗调校正。下面将会进一步讨论这些计算。
在时间段T3期间，激光器306-1和306-2关闭而激光器306-3打开。在激光器306-3打开后不久，积分电路305-1和305-3开始对接收自PSD307-1和307-3的PSD数据分别进行积分。此外，DSP 322读取积分电路305-2和305-3两者在时间段T2期间累积的数据。此外，一旦DSP 322完成对镜面阵列26的粗调方向校正的计算，DSP 322使用当前正在从积分电路305-3读取的数据来计算细调校正。就在DSP 322开始计算细调校正之后不久，由DSP 312将对镜面阵列18的x轴校正串行地(通常按列)输出到致动器驱动器308，并由DSP 322将对镜面阵列26的x轴校正串行地(通常按列)输出到致动器驱动器309。将x轴校正输出到致动器驱动器308和309可以延伸到时间段T4内。
在时间段T4期间，激光器306-1如同在时间段T1中一样再次打开，而激光器306-2和306-3关闭。于是积分电路305-1和305-2累积来自PSD307-1和307-2的PSD数据。此外，从积分电路305-1累积的校准数据由DSP 312读取，而从积分电路305-3累积的校准数据由DSP 322读取。一旦x轴校正数据被读出到致动器驱动器308和309，则将y轴校正数据读出到致动器驱动器308和309。在y轴校正数据被读出的同时，开始进行x轴电压稳定。一旦y轴数据被读出到致动器驱动器308和309，则在时间段T6中开始y轴稳定。
在时间段T4、T5和T6中执行的功能分别与在时间段T1、T2和T3中执行的功能相同。因此，在粗调PSD数据(激光器306-1激活时)被初始化的时间和x校正数据到达镜面阵列18与26的时间之间，大约有4.5个时间段的时滞。此外，在y校正数据到达镜面阵列18和26之前大约有6个时间段的时滞。因此，镜面阵列对在粗调校正步骤中所测量的数据的响应存在严重滞后。换句话说，从时间段T1中所获取数据得到的校正，在时间段T4中所获取数据被累积之前还不能完成。
图7A示出了根据图6所示的时序图，在DSP 312上执行的伺服算法的框图。图7A示出了镜面阵列18的一个单个镜面的方向中的两个方向之一的校正。如图6所示，对镜面阵列18各个镜面中的每一个的两个方向，在DSP 312上执行此处图示的计算。镜面阵列18的每个单个镜面对应于输入端口4(图1)中特定的一个端口。镜面阵列18的单个镜面的方向，可以用控制光束被引导到的PSD 307-1的对应单元上的位置来表示。于是，PSD 307-1上的位置与镜面阵列26中从镜面阵列18的所述单个镜面接收光的那个单个镜面相关联。镜面阵列26的每个单个镜面对应于特定的输出端口。因此，对于镜面阵列18的每个单个镜面的输出端口指定，对应于控制光束被引导到的PSD 307-1的对应单元上的特定(x，y)坐标。于是，位置计算701将对镜面阵列18的单个镜面的端口指定，转换成PSD 307-1的对应单元的线性坐标。
对镜面阵列18的镜面指定(即镜面阵列18的每个单个镜面将被引导到哪个输出端口)被输入到DSP 312的位置计算701。可以从监控控制器302(图3)接收对于镜面阵列18的每个单个镜面的输出端口指定。在一些实施例中，位置计算701包括，在查找表中为每个单个镜面查找位置s(该位置根据正在调节的方向可以是x或y)，所述位置s对应于该镜面各自的输出端口指定。然后将所期望的坐标s保持为位置计算701的输出信号。
位置计算708从PSD 307-1的对应单元接收四元信号，所述四元信号已经由积分电路305-1积分并数字化。然后位置计算708为来自镜面阵列18的该单个镜面的控制光束，计算在PSD 307-1单元上所测量的s位置sm。此s位置sm按照方程10来计算x坐标，或者按照方程11来计算y坐标。
位置计算708的输出值sm被输入到加法器709，在这里加上来自校准计算710的校正项。例如，在时序6的时间段T1和T4期间，输入到位置计算708的值是来自激光器306-3的校准光束的结果(在时间段T1之前的那个时间段以及时间段T3期间获得)，该校准光束没有被引导通过镜面阵列18的各个镜面。这些值为调节PSD 305-1的单元随时间的漂移提供了校准数据。因此，例如，校准光束在PSD 305-1的单元上的位置应当是(0，0)(或某些已定义的值)，因此任何在测得的位置sm中可测到的与0的偏差，都从随后的测量值中减去。
在图6中的时间段T2和T5期间，输入到位置校准708的值是来自激光器306-1的校准光束分别在时间段T1和T4期间累积的结果。于是，从在时间段T2和T5期间接收到的数据得到的测量值sm，对应于镜面阵列18的各个镜面的方向。在加法器709中，通过减去校准计算710得到的值来校正测量值。然后在加法器702中从位置计算701输出的值s减去值sm，以获得误差信号∈。然后在乘法器704中将误差信号∈乘以增益因子KI，并输入到加法器705。加法器705还从位置计算701接收乘以常数N的计算位置s。KI和N两者都是标量常数，KI与由加法器702完成的误差计算给出的校正响应的强度有关，N与从位置计算701得到的计算位置s的影响有关。值N乘以位置是为了获得计算位置s而在镜面100上所要求的期望扭矩。值KI乘以误差∈是获得该结果所要求的校正。
估计器711基于位置sm来计算镜面的状态。镜面的状态可以用若干个量来描述，这些量共同地描述该镜面的动态状态。这些量可以包括角方向和角方向的变化。在估计器711中可以使用方程1至7中所描述的镜面100的动态响应模式来估计这些状态。在乘法器706中该状态与矩阵K相乘，以产生标量，并被加到加法器705中。量K乘以状态，表示为了校正所估计的镜面动态状态，而对施加到镜面100的扭矩的校正值。
可以使用直接极点布置(direct pole placement)或者与线性二次方程调节器(LQR)设计相关的方法，来确定矩阵K中的值和标量KI。基于镜面100(图2A)的响应特性建模来选择这些值。N的典型值是大约-2π(500)。
加法器705的输出信号是应当施加到镜面的致动器的扭矩，也就是将要施加到镜面100的扭矩值。电压校正707将扭矩量转换成对致动器驱动器308的电压命令。电压校正707通过将要求的扭矩映射成获得该扭矩所要求的电压，而将控制器的输出和镜面角度之间的关系线性化。图2E示出了扭矩和电压之间的示例性关系。
电压校正707接收从加法器705输出的扭矩和来自估计器711的对镜面100的致动器角度的估计。估计器711从测量位置sm计算镜面100的角度。校正707随后计算获得所要求的扭矩所需的电压。例如图2E所示的扭矩和电压之间的关系，也取决于镜面100的当前角度位置。
从图6所示的时序图可见，在时间段T1和T4期间，在位置计算708处接收的数据被校准计算710用来进行校准。在时间段T2和T5期间，在位置计算708处接收的数据被用来提供对电压校正算法707的输入。电压校正算法707保持该输出数据直到时间段T3和T6，以与DSP 322的计算同步。
图7B示出了由DSP 322执行的计算的框图。如图5B中的实施例所示，DSP 322从积分电路305-2和305-3接收PSD数据。原则上来说，DSP 312和DSP 322中的每一个，都可以从任意数量的分开布置的PSD307-1至307-Q接收数据。图7B的DSP 322的实施例对应于图5B所示的伺服系统实施例，并具有图6所示的时序。
从图6可见，在时间段T1和T4期间，DSP 322从积分和数字化电路305-3读取校准数据。通过在时间段T1前一个时间段中和时间段T3中打开激光器306-3来累积该校准数据。在位置计算733中接收数据，位置计算733计算校准光束在PSD 307-3单元上的位置。在加法器732中该位置与前一校准的结果相加，校准734调节该校准值以补偿校准光束位置的任何偏移。在一些实施例中，校准光束应当在0位置，而新的校准值可以是校准光束的测量位置。位置计算733可以根据上面的方程10和11计算位置。
在时间段T2和T5中，DSP 322从积分和数字化电路305-2读取控制数据。当激光器306-1打开时，分别在时间段T1和T4期间累积控制数据。控制数据被输入到位置计算729，位置计算729根据上面的方程10和11计算控制光束在PSD 307-2的单元上的位置。在加法器727中，位置测量sm与在校准728中计算的校准偏移相加。在加法器721中从目标位置s中减去加法器727的输出值。目标位置s在位置计算720中计算。
位置计算720从监控控制器302(图3)接收端口路由指令(即指示镜面阵列26的各个镜面中的每一个耦合来自输入端口4指定端口的光)，并计算为获得该路由所要求的方向位置s。在一些实施例中，位置计算720使用查找表以确定方向位置s，所述查找表可以通过监控控制器302进行维护。
方向位置s和测量位置sm之间的差在乘法器723中乘以因子KI，并加上乘法器722所计算的方向位置s的乘积，以及在乘法器725中计算的镜面状态乘以乘数矩阵K的乘积。加法器724的输出值被输入到粗调电压校正726，粗调电压校正726计算粗调电压校正。与图7A中针对加法器705、估计器711和电压校正707所描述的相同地来执行此计算。
在时间段T3和T5中，DSP 322从积分电路305-2读取校准数据，并从积分电路305-3读取控制数据。来自积分电路305-2的校准数据，被输入到计算校准位置的位置计算729。在加法器727中校准位置与前一校准相加。在一些实施例中，校准728随后响应于校准信号来调节从校准728输出的校准值，使得在校准期间此校准值将测量位置归零。
来自积分电路305-3的控制数据被输入位置计算733。位置计算733随后根据上面的方程10和11来计算控制光束在PSD 307-3的单元上的位置。位置计算733的输出值，随后在加法器732中与校准值相加。在乘法器731中计算的来自加法器732的输出值的乘积被输入细调电压校正730。细调电压校正730还接收粗调电压校正，并响应于此粗调电压校正和细调电压校正而向致动器驱动器309输出电压校正值。如图6所示，x和y坐标值被相继输出到致动器驱动器309。
本发明的上述实施例仅仅是示例性的，并非意于进行限制。本领域技术人员将认识到多种意于包括在本公开的范围和技术构思内的变化方案。这样，本发明仅仅由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种用于光交换结构的控制系统，包括第一位置感应检测器，被定位以接收从第一镜面阵列的各个镜面所反射的第一控制光束；第一处理器，被耦合以从所述第一位置感应检测器接收信号，并从以下两者之间的比较来计算电压校正值所述第一控制光束在所述第一位置感应检测器的单元上的位置，与对所述第一控制光束在所述第一位置感应检测器的单元上的指定位置；和第一致动器驱动器，其从所述第一处理器接收所述电压校正值，并产生改变所述第一镜面阵列上各个镜面的方向的致动器电压。
2.如权利要求1所述的系统，还包括第二位置感应检测器，被定位以接收从第二镜面阵列的各个镜面所反射的第二控制光束；第二处理器，被耦合以从所述第二位置感应检测器接收信号，并从以下两者之间的比较来计算电压校正值所述第二控制光束在所述第二位置感应检测器的单元上的位置，与对所述第二控制光束在所述第二位置感应检测器的单元上的指定位置；和第二致动器驱动器，其从所述第二处理器接收所述电压校正值，并产生改变所述第二镜面阵列上各个镜面的方向的致动器电压。
3.如权利要求2所述的系统，还包括第三位置感应检测器，被定位以接收从所述第一镜面阵列上的各个镜面并从第二镜面阵列上的各个镜面所反射的第三控制光束。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述第二处理器从所述第三位置感应检测器接收数据，并计算对所述第二致动器驱动器的细调电压控制信号。
5.如权利要求3所述的系统，其中所述第一处理器从所述第三位置感应检测器接收数据，并计算来自所述第一致动器驱动器的细调电压控制信号。
6.如权利要求3所述的系统，其中所述第一控制光束与第一校准光束时分复用，所述第一校准光束入射到所述第一位置感应检测器的单元上，并且所述第一处理器接收当所述第一校准光束工作时累积的校准数据，并接收当所述第一控制光束工作时累积的控制数据。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述第二控制光束与第二校准光束时分复用，所述第二校准光束入射到所述第二位置感应检测器的单元上，并且所述第二处理器接收当所述第二校准光束工作时累积的校准数据，并接收当所述第二控制光束工作时累积的控制数据。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述第三控制光束与第三校准光束时分复用，所述第三校准光束入射到所述第三位置感应检测器的单元上。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述第二处理器接收当所述第三校准光束工作时累积的校准数据，并接收当所述第三控制光束工作时累积的控制数据。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述第一处理器响应于以下两者之间的差而向所述第一致动器驱动器提供第一电压校正，以调节所述第一镜面阵列的单个镜面的方向由所述第一校准光束的位置调节的所述第一控制光束的位置，与在所述第一位置感应检测器的第一对应单元上的指定位置。
11.如权利要求10所述的系统，其中所述第二处理器响应于以下两者之间的差而向所述第二致动器驱动器提供第二电压校正，以调节所述第二镜面阵列的单个镜面的方向由所述第二校准光束的位置调节的所述第二控制光束的位置，与在所述第二位置感应检测器的第二对应单元上的第二指定位置。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述第二电压校正还响应于所述第三控制光束的位置，所述第三控制光束的位置根据所述第三校准光束的位置而被调节。
13.一种控制光交换结构的方法，包括为第一镜面阵列上的第一镜面接收端口指定；计算从所述第一镜面反射的第一控制光束在第一位置感应检测器的相应单元上的目标位置；测量所述第一控制光束在所述单元上的实际位置；调节所述第一镜面的方向，使得所述测量位置与所述目标位置匹配；以及保持所述第一镜面的所述方向，使得所述测量位置与所述目标位置匹配。
14.如权利要求13所述的方法，其中计算所述目标位置的步骤包括基于所述端口指定而从查找表中确定所述目标位置。
15.如权利要求13所述的方法，其中保持所述第一镜面的所述方向的步骤包括在第一时间间隔中测量所述第一控制光束的位置；在第二时间间隔中测量第一校准光束的位置；响应于所述第一校准光束的所述位置，校正所述第一控制光束的所述位置，以获得测量位置；比较所述测量位置与所述目标位置；从所述测量位置与所述目标位置的所述比较来计算电压校正；将所述电压校正施加到所述第一镜面的致动器，以改变所述第一镜面的所述方向。
16.如权利要求15所述的方法，还包括计算所述第一镜面的估计状态。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述状态包括对所述第一镜面的角位置的估计。
18.如权利要求17所述的方法，其中计算所述电压校正的步骤包括计算为获得所期望位置而施加到所述第一镜面的所期望扭矩；以及将所述所期望扭矩转换成所述电压校正。
19.如权利要求18所述的方法，其中计算所述所期望扭矩的步骤包括，将所述所期望位置乘以第一因子的积、误差信号乘以第二因子的积和所述镜面的估计状态乘以矩阵乘数的积相加。
20.如权利要求18所述的方法，其中将所述所期望扭矩转换成所述电压校正的步骤包括，基于所述第一镜面的所述角方向的估计以及所述第一镜面的响应模型来计算所述电压。
全文摘要
本发明公开了一种控制系统，用于在基于MEMS的光交换结构中控制各个镜面。控制系统包括位置感应检测器，被定位以接收从第一镜面阵列的各个镜面所反射的控制光束。在一些实施例中，控制光束可以与校准光束时分复用。响应于校准光束的位置而被校正的控制光束的位置，可以与基于各个镜面的端口指定而计算的位置相比较，以向各个镜面的基于反馈的控制系统提供反馈。
文档编号G02B6/35GK1630831SQ02821260
公开日2005年6月22日 申请日期2002年10月23日 优先权日2001年10月24日
发明者程中·黄, 兰德尔·B·斯普拉格, 达瑞尔·雷·霍金斯, 戴维·斯库尔尼克, 埃里克·查尔斯·阿博特 申请人:英特尔公司