DE10324595B4

DE10324595B4 - Verhindern eines hydrodynamischen Übersprechens in einem optischen Schalter

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Publication number: DE10324595B4
Application number: DE10324595A
Authority: DE
Inventors: Dale W. Scotts Valley Schröder
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: DE10324595A1; JP2004102289A; US20040047545A1; US6876788B2; JP4562116B2

Abstract

Optischer Schalter, der folgende Merkmale aufweist:
eine optische Struktur (210), die folgende Merkmale aufweist:
einen Satz von ersten optischen Wegen (112);
einen Satz von zweiten optischen Wegen (114), die die ersten optischen Wege (112) kreuzen; und
eine Mehrzahl von Schalthohlräumen (116) an Schnittpunkten der ersten optischen Wege (112) und der zweiten optischen Wege (114);
eine Flüssigkeit (142) in Fluidkommunikation mit den Schalthohlräumen (116), wobei jeder Schalthohlraum (116) einen ersten Zustand aufweist, in dem der Schalthohlraum mit der Flüssigkeit (142) gefüllt ist, und einen zweiten Zustand, in dem der Schalthohlraum eine Blase (146) enthält;
ein Reservoir (140), das teilweise mit der Flüssigkeit (142) und teilweise mit einem Gas (144) gefüllt ist, wobei der Fluiddruck der Flüssigkeit (142) durch den Druck des Gases (144) gesteuert wird; und
einen Satz von Schutzkammern (240), die in Fluidkommunikation mit den Schalthohlräumen (116) und der Flüssigkeit (142) sind, wobei...

Description

Optische Schalter, die optische Signale direkt manipulieren können, werden für einen optischen Netzbetrieb immer wichtiger. Dementsprechend sind mehrere Techniken zum Schalten optischer Signale entwickelt worden. 1A zeigt eine Draufsicht eines optischen Schalters 100, der einige der optischen Schalttechniken, die im US-Patent US 5.699.462 A an Fouquet u.a. mit dem Titel „Total Internal Reflection Optical Switches Employing Thermal Activation" beschrieben sind, verwendet. Wie in 1A und den Querschnittsansichten von 1B und 1C dargestellt ist, umfaßt ein optischer Schalter 100 eine planare Lichtwellenschaltung 110, ein Halbleitersubstrat 120, eine Basisplatte 130 und ein Reservoir 140.

Die planare Lichtwellenschaltung 110 ist eine Platte aus einem optischen Material, wie z. B. Quarz, die überkreuzende Wellenleitersegmente 112 und 114 und Hohlräume 116 an den Schnittpunkten der Wellenleitersegmente 112 mit den Wellenleitersegmenten 114 enthält. Die optischen Signale werden allgemein in den optischen Schalter 100 auf einem Satz von Wellenleiterelementen 112 oder 114 eingegeben, und die Hohlräume 116 dienen als Schaltstellen für die optischen Signale. Speziell überträgt ein Hohlraum 116, wenn derselbe mit einer Flüssigkeit 142 gefüllt ist, die einen Brechungsindex aufweist, der mit dem Brechungsindex der Wellenleiter 112 und 114 übereinstimmt, ein optisches Signal von einem Eingangswellenleitersegment 112 oder 114 in das nächste Wellenleitersegment 112 oder 114 entlang dem gleichen Weg. 1B zeigt einen Hohlraum 116A, der mit der Flüssigkeit 142 gefüllt ist.

1B zeigt auch einen Hohlraum 116B, der eine Blase 146B enthält, die die Schaltstelle reflektiv macht. Spezieller reflektiert eine interne Gesamtreflexion an einer Schnittstelle 115 zwischen einem Eingangswellenleiter 112 oder 114 und einer Blase 146B ein optisches Signal und schaltet das optische Signal in ein überkreuzendes Wellenleitersegment 114 oder 112. Ein selektives Erzeugen einer Blase in einem der Hohlräume 116 entlang dem anfänglichen Weg eines optischen Signals kann diesen Hohlraum reflektiv gestalten und das optische Signal auf die überkreuzenden Wellenleitersegmente 114 oder 112 entsprechend dem reflektiven Hohlraum schalten. Wenn keiner der Hohlräume 116 entlang dem Weg eines optischen Signals reflektiv ist, gelangt das optische Signal geradewegs durch den optischen Schalter 100.

Das Halbleitersubstrat 120 enthält einen elektronischen Schaltungsaufbau, der Heizelemente 122 umfaßt, die in den Hohlräumen 116 positioniert sind. Ein selektives Aktivieren eines Heizelements 122 verdampft die Flüssigkeit in dem entsprechenden Hohlraum 116 und aktiviert die Schaltstelle (d. h. macht dieselbe reflektiv) entsprechend dem Hohlraum 116, der das aktivierte Heizelement 122 enthält. Das aktivierte Heizelement 122 fährt mit der Erwärmung fort, um die Blase stabil und die Schaltstelle reflektiv zu halten. Wenn das Heizelement 122 ausgeschaltet ist, wobei die Blase 146 und die umgebende Flüssigkeit 122 kühl sind, wird bewirkt, daß die Blase 146 kollabiert und sich der Hohlraum 116 wieder mit Flüssigkeit 142 füllt.

1C stellt den Prozeß des Aktivierens der Schaltstelle entsprechend dem Hohlraum 116A dar. Zur Aktivierung wird eine Leistung an ein Heizelement 122A angelegt, um einen Abschnitt der Flüssigkeit 142 auf eine Temperatur zu erhöhen, die hoch genug ist, um eine Blase 146A im Hohlraum 116A zu bilden. Die erforderliche Temperatur entspricht der Keimbildungsenergie zur Blasenbildung und liegt allgemein weit über dem Siedepunkt der Flüssigkeit 142. Dementsprechend dehnt sich die Blase 146A schnell aus, selbst wenn die an das Heizelement 122A angelegte Leistung abnimmt. Die sich ausdehnende Blase 146A drückt die Flüssigkeit 142 aus dem Hohlraum 146A heraus. Die Flüssigkeit von 116A fließt schließlich in ein Reservoir 140 über eine Flüssigkeitsschicht 150, die unter der planaren Lichtwellenschaltung 110 liegt, ein oder mehrere Löcher 156 durch das Substrat 120 und einen Einlaß/Auslaß 154 durch die Basisplatte 130. Zusätzliche Kanäle 152, die in die planare Lichtwellenschaltung 110 geätzt sind, können den Fluß zu den Löchern 156 unterstützen.

Ein Problem für den optischen Schalter 110 ist der Fluß von Flüssigkeit 142 von einem Hohlraum 116A, der in den benachbarten Hohlräumen 116B aktiviert wird, die gebildete Blasen 146 enthalten. Der Fluß entsteht, weil sich die existierenden Blasen 146B leicht komprimieren und allgemein näher an der aktivierenden Blase 146A als ein Gaskissen 144 im Reservoir 140 liegen. Die Flüssigkeit 142, die in einen Hohlraum 116B fließt, der eine gebildete Blase 146B enthält, kann die Reflexion an dieser Schaltstelle unterbrechen und das Schalten eines optischen Signals stören, wodurch ein Übersprechen oder ein Rauschen in den optischen Signalen erzeugt wird.

Angesichts des Bedarfs an einem sauberen und stabilen Schalten von optischen Signalen ohne ein hydrodynamisches Übersprechen wird nach Strukturen und Betriebsverfahren gesucht, die eine Unterbrechung von aktivierten Schaltstellen während der Aktivierung anderer Schaltstellen verhindern.

Die US 4,988,157 zeigt einen optischen Schalter mit optischen Eingangslichtleitern und optischen Ausgangslichtleitern, die untereinander parallel angeordnet sind und sich gegenseitig unter einem rechten Winkel schneiden. 45°-Schlitze queren jede Überschneidung der Lichtleiter und sind mit einem Fluid gefüllt, das einen Brechungsindex aufweist, der an das Lichtleitermaterial angepasst ist. Elektrodenstreifen sind derart verlegt, dass sie in den Schlitzen genau an den Überschneidungen der Lichtleiter angrenzen. Quer hierzu verlaufen Elektrodenstreifen, um in den Streifen an Stellen benachbart zu den Überschneidungspositionen freizuliegen. Auf diese Weise ergibt sich an jeder Überschneidungsstelle ein Katoden/Anodenpaar, um an der jeweiligen Überschneidungsstelle bei Aktivierung das Fluid elektrolytisch in gasförmige Blasen umzuwandeln, wodurch die Brechungsindexanpassung über den Schlitz an der jeweiligen Überschneidungsstelle zerstört wird, wodurch das Licht an dieser Stelle durch den Schlitz reflektiert wird und nicht mehr über den Schlitz hinweg weitergeleitet wird. Die Schlitze 108 sind an den Überschneidungsstellen mit einem breiteren Abschnitt versehen, so dass die durch die Elektrolyse entstehende Blase an der Überschneidungsstelle gehalten wird. Vorteilhaft sei es, wenn der breitere Abschnitt des Schlitzes mit einem großen Ausdehnungsreservoir für das Fluid verbunden ist. Jeder der diagonal verlaufenden Schlitze sei auf diese Weise an einem Ende mit einem Reservoir versehen, wobei die Reservoire gleichzeitig auch eine thermische Ausdehnung des Fluids in den Schlitzen ausgleichen würden.

Die EP 0 871 053 A1 beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Herstellen optischer Fluidschalter und die EP 0 813 088 A1 beschreibt optische Schalter des Totalreflexionstyps mit thermischer Aktivierung.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verhindern eines hydrodynamischen Übersprechens in einem optischen Schalter zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Schalter gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein optischer Schalter, der Blasen in einer Flüssigkeit verwendet, um optische Signale umzuleiten, Schutzblasen nahe der optischen Schaltstellen auf. Die Schutzblasen polstern oder absorbieren den Fluidfluß, der während der Blasenerzeugung erzeugt wird, so daß die Blasenerzeugung in einer Schaltstelle keine nahegelegenen Schaltstellen stört.

Ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein optischer Schalter, der eine optische Struktur, Schutzkammern und eine Flüssigkeit in Kommunikation mit den Schutzkammern und mit Schalthohlräumen in der optischen Struktur umfaßt. Die optische Struktur enthält allgemein einen Satz von ersten optischen Wegen; einen Satz von zweiten optischen Wegen, die die ersten optischen Wege kreuzen; und die Schalthohlräume an Schnittpunkten der optischen Wege. Jeder Schalthohlraum weist einen ersten Zustand auf, in dem der Schalthohlraum mit der Flüssigkeit gefüllt wird, und einen zweiten Zustand, in dem der Schalthohlraum eine Blase enthält, und der Zustand des Schalthohlraums bestimmt, ob ein optisches Signal vom Schalthohlraum reflektiert wird oder durch denselben übertragen wird. Die Schutzkammern enthalten Schutzblasen und können auch in der optischen Struktur als Hohlräume gebildet sein, die sich von den optischen Wegen entfernt befinden.

Bei den Schalthohlräumen und den Schutzkammern in der optischen Struktur kann die optische Struktur ferner Verbindungshälse umfassen, die Fluidwege eines geringeren Widerstands zwischen den Schalthohlräumen und den Schutzkammern bereitstellen. In unterschiedlichen Konfigurationen können die Verbindungshälse abhängig von der Dichte und den Positionen der Schalthohlräume und der optischen Wege einen Schalthohlraum mit zwei oder mehr Schutzkammern verbinden und/oder die Verbindungshälse können eine Schutzkammer mit zwei oder mehr Schalthohlräumen verbinden.

Die Schutzblasen in den Schutzkammern können durch Steuern des Fluiddrucks und der Betriebstemperatur der Flüssigkeit erhalten werden. In einem Fall weist die Flüssigkeit einen Druckunterschied zwischen dem Fluiddruck und dem Dampfdruck der Flüssigkeit auf, so daß die Schutzblasen in den Schutzkammern bei Betriebstemperatur der Flüssigkeit stabil sind. Der Druckunterschied kann ferner so gestaltet sein, daß für jeden Schalthohlraum ein lokales Erwärmen der Blase in dem Schalthohlraum erforderlich ist, um den Schalthohlraum in dem zweiten Zustand zu erhalten.

Heizelemente können in den Schutzkammern vorgesehen sein, um die Schutzblasen während des Einschaltens des optischen Schalters zu erzeugen. Alternativ können die Heizelemente in den Schalthohlräumen Blasen erzeugen, die sich von den Schalthohlräumen in die Schutzkammern ausdehnen, um die Schutzblasen zu bilden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Schalters. Das Verfahren umfaßt ein Erhalten von Blasen in den Schutzkammern, die mit einer Flüssigkeit und Schalthohlräumen des optischen Schalters in Fluidkommunikation sind. Wenn das lokale Erwärmen der Flüssigkeit in einem ausgewählten Schalthohlraum eine Blase in dem ausgewählten Schalthohlraum erzeugt, fließt die Flüssigkeit, die durch die Blasenerzeugung in den ausgewählten Hohlraum versetzt wird, vorwiegend in eine oder mehrere der Schutzkammern, anstatt in eine nahegelegene Schaltstelle, die eine Blase enthält.

Das Erhalten der Blasen in den Schutzkammern kann durch Erhalten der Flüssigkeit bei einem Fluiddruck und einer Betriebstemperatur erreicht werden, so daß die Blasen, die die Schutzkammern füllen, stabil sind, ohne die Schutzkammern zu erwärmen. Im Gegensatz dazu können der Fluiddruck, die Betriebstemperatur und die Abmessungen der Schalthohlräume so sein, daß die Blase in dem ausgewählten Schalthohlraum kollabiert, wenn ein lokales Erwärmen beendet wird. Eine Veränderung des Schaltzustands des optischen Schalters kann dann durch Ein- oder Ausschalten von Heizelementen für individuelle Schaltstellen ausgeführt werden.

Die Blasen in den Schutzkammern können durch Erwärmen der Flüssigkeit in den Schalthohlräumen erzeugt werden, um Blasen zu erzeugen, die sich von den Schalthohlräumen in die Schutzkammern ausdehnen, oder durch Verwenden von Heizelementen, die in den Schutzkammern sind. Wenn ein Erwärmen der Elemente die Blasen in den Schalthohlräumen erzeugt, bewirkt ein Beenden der Erwärmung, daß Abschnitte der Blasen in den Schalthohlräumen kollabieren, während die Blasen in den Schutzkammern bestehen bleiben.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend, Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1A eine Draufsicht eines bekannten optischen Schalters,
1B und 1C Querschnittansichten des optischen Schalters von 1A vor und während der Aktivierung einer Schaltstelle,
2 eine Draufsicht eines optischen Schalters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von Schutzblasen nahe jeder Schaltstelle, um Stoßwellen und transiente Fluidflüsse während der Aktivierung oder Deaktivierung der Schaltstelle zu absorbieren,
3A und 3B Querschnittansichten des optischen Schalters von 2 vor und während der Aktivierung einer Schaltstelle,
4A, 4B, 4C und 4D jeweils Draufsichten auf eine Schaltstelle vor einer Initialisierung, während einer Initiali sierung, in einem nicht-reflektiven Zustand und in einem reflektiven Zustand gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 eine Draufsicht von mehreren Schaltstellen, die eine Schutzblase gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemeinsam verwenden.
Die Verwendung von identischen Bezugszeichen in den unterschiedlichen Figuren zeigt ähnliche oder identische Elemente an.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein optischer Schalter, der optische Signale unter Verwendung von Blasen in aktivierten Schaltstellen umleitet, Schutzblasen auf, um Übergangsfluidflüsse, die von der Erzeugung von Blasen resultieren, zu absorbieren. Die Schutzblasen reduzieren die Fluidflüsse in die aktivierten Schaltstellen und verringern dadurch ein hydrodynamisches Übersprechen, Rauschen oder eine Signalunterbrechung. Ein Initialisierungsprozeß für den optischen Schalter erzeugt die Schutzblasen in den Wächterhohlräumen nahe der Hohlräume, die die Schaltstellen bilden, und eine ordnungsgemäße Auswahl des Fluiddrucks, der Betriebstemperatur und der Abmessungen der Schutzblasen kann die Schutzblasen erhalten, ohne ein lokales Erwärmen vorauszusetzen.
2A zeigt eine Draufsicht eines optischen Schalters 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der optische Schalter 200 umfaßt eine planare Lichtwellenschaltung 210, ein Halbleitersubstrat 220, eine Basisplatte 130 und ein Reservoir 140. Die planare Lichtwellenschaltung 210 ist eine Platte aus einem optischen Material, wie z. B. Quarz, das überkreuzende Wellenleitersegmente 112 und 114 enthält. Solche Wellenleitersegmente können unter Verwendung von bekannten Techniken, wie z. B. eines photolithographischen Prozesses, gebildet werden, der Verunreinigungen in einen Quarzrohling implantiert, um den Brechungsindex eines Quarzrohlings nach Bedarf zu verändern, um Wellenleiter zu erzeugen. Der Quarzrohling kann dann geätzt werden, um Hohlräume 116 und 240 in der planaren Lichtwellenschaltung 210 zu erzeugen. Durch Ätzen kann auch eine Vertiefung für eine Flüssigkeitsschicht 150 erzeugt werden, die zwischen der planaren Lichtwellenschaltung 210 und dem Halbleitersubstrat 220 in dem zusammengebauten optischen Schalter 200 liegt. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Vertiefung und die Flüssigkeitsschicht 150 etwa 5 μm dick und erstrecken sich über einen Bereich, der alle Schaltstellen im optischen Schalter 200 umfaßt.
Das Halbleitersubstrat 220 ist ein Siliziumchip, der einen elektronischen Schaltungsaufbau enthält, der Heizelemente 122 und zugeordnete Steuerungsschaltungen (nicht gezeigt) umfaßt. Die Heizelemente 122 befinden sich in den jeweiligen Hohlräumen 116 des zusammengebauten optischen Schalters 200. Ein selektives Aktivieren eines Heizelements 122 verdampft die Flüssigkeit und erzeugt eine Blase in dem entsprechenden Hohlraum 116. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Wächterhohlräume 240 im Halbleitersubstrat 220 anstatt in der planaren Lichtwellenschaltung 210 gebildet sein. Das Bilden von Wächterhohlräumen 240 im Halbleitersubstrat 220 erlaubt den Wächterhohlräumen 240, Bereiche zu überlappen, die für die Wellenleitersegmente 112 und 114 erforderlich sind.
Die Basisplatte 130 dient als eine Wärmesenke für das Halbleitersubstrat 220, umfaßt aber auch einen Einlaß 154, der mit dem Reservoir 140 verbunden ist. Der Einlaß 146 und zumindest ein Loch 156 durch das Halbleitersubstrat 220 ermöglichen, daß die Flüssigkeit 142 zwischen dem Reservoir 140 und der Flüssigkeitsschicht 150 fließt, die unter den Hohlräumen 116 liegt, und von der Flüssigkeitsschicht 150 in die Hohlräume 116 und 120.
Das Reservoir 140 ist teilweise mit der Flüssigkeit 142 und teilweise mit einem Gas 144 gefüllt, das hauptsächlich Dampf von der Flüssigkeit 142 ist. Der Druck des Gases 144 steuert den Fluiddruck der Flüssigkeit 142 und steuert daher die Schwierigkeiten beim Bilden und Erhalten der Blasen in den Hohlräumen 116 und 240. Das US-Patent US 6.188.815 B1, das am 13. Februar 2001 an Schiaffino u.a. mit dem Titel „Optical Switching Device and Method Utilizing Fluid Pressure Control to Improve Switching Characteristics" erteilt wurde, beschreibt, wie ein Drucksteuerungsmechanismus in einem Reservoir, wie z. B. einem Reservoir 140, den Fluiddruck einer Flüssigkeit, wie z. B. der Flüssigkeit 142, erhöhen kann. Das US-Patent Nr. 10/211.196 mit dem Titel „Operating an Optical Switch at a Negative Pressure Differential" beschreibt einen Betrieb eines optischen Schalters mit einem Fluiddruck, der kleiner als der Teildampfdruck der Flüssigkeit ist.
Im optischen Schalter 200 weisen die Hohlräume 116, die den Schaltstellen entsprechen, benachbarte Wächterhohlräume 240 auf, die Schutzblasen 340 enthalten, wie in 3A gezeigt ist. Die Größe der Hohlräume 240 und der Schutzblasen 340 und die Betriebstemperatur und der Fluiddruck der Flüssigkeit 142 sind vorzugsweise so ausgewählt, daß die Schutzblasen 340 in den Hohlräumen 240 ohne ein Fortsetzen einer Erwärmung der Wächterhohlräume 240 stabil bleiben. Die Hohlräume 116 für die Schaltstellen können kleiner sein, so daß die Oberflächenspannung und der Fluiddruck zusammen größer als der Dampfdruck in einer Blase 146 bei Betriebstemperatur sind und daher bewirken, daß die Blase 146 in einem Hohlraum 116 kollabiert, wenn das entsprechende Heizelement 122 abgeschaltet ist.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Wächterhohlräume 240 einen Durchmesser von etwa 70 μm auf und erstrecken sich auf eine Höhe von 45 μm über dem Substrat 240. Die Verbindungshälse zwischen jedem Hohlraum 116 und den benachbarten Wächterhohlräumen 240 verengen sich (z. B. auf etwa 9 μm Breite), um die Schutzblasen 340 auf die Wächterhohlräume 240 einzuschränken, liefern jedoch immer noch einen geringen Widerstand für den Fluidfluß zwischen den Hohlräumen 116 und 240. Die Hohlräume 116 sind etwa 15 μm breit, 80 μm lang und erstrecken sich auf eine Höhe von 45 μm über dem Substrat 220. Die Flüssigkeit 142 kann ein organisches Lösungsmittel, wie z. B. Fluorobenzen, sein, das bei einer Betriebstemperatur von 18 bis 20°C und einem Differenzdruck von etwa 1500 Pascal ist. Unter diesen Bedingungen sind die Blasen 340, die eine Mindestabmessung von mehr als 35 μm aufweisen, stabil, jedoch kollabiert eine Blase mit einer Mindestabmessung, die kleiner als etwa 35 μm ist, wenn die Blase durch Erwärmung nicht erhalten wird.
3B zeigt eine Querschnittansicht einer Schaltstelle in einem optischen Schalter 200 während einer Erzeugung einer Blase 146 und einem Hohlraum 116. Das Erzeugen der Blase 146 erfordert eine Aktivierung des Heizelements 122 mit ausreichender Leistung, um die Flüssigkeit 142 in dem ausgewählten Hohlraum 116 auf eine Temperatur über einem Pegel, der der Keimbildungsenergie der Flüssigkeit 142 entspricht, lokal zu erwärmen. Dieses lokale Erwärmen der Flüssigkeit 142 auf weit über den Siedepunkt bewirkt, daß sich die Blase 146 schnell ausdehnt, und die ausdehnende Blase 146 drückt die Flüssigkeit aus dem Hohlraum 116 heraus. Die Viskosität und die Einschränkungen bezüglich des Flusses der Flüssigkeit 142 verhindern einen sofortigen Fluß des versetzten Fluids zum Reservoir 140. Statt dessen fließt das Fluid entlang dem Weg des geringsten Widerstands in die Wächterhohlräume 240, wodurch die Schutzblasen 340 komprimiert werden. Die Schutzblasen 340 dehnen sich anschließend aus, um die Wächterhohlräume 340 wieder zu befüllen, da das versetzte Fluid vom Hohlraum 116 in das Reservoir 140 fließt.
Bei einigen bekannten optischen Schaltern sind die benachbarten Schaltstellen (z. B. andere Hohlräume 116, die Blasen 146 enthalten) die nächstliegenden, ohne weiteres komprimierten Volumina, und die Übergangsfluidflüsse während der Blasenerzeugungen können den optischen Schalter an diesen naheliegenden Schaltstellen stören. Die Schutzblasen 340, die näher angeordnet und größer als die Schaltblasen 146 sind, verhindern einen beträchtlichen Fluidfluß in die benachbarten aktivierten Schaltstellen und verhindern daher ein hydrodynamisches Übersprechen und eine Unterbrechung des optischen Schaltens.
4A, 4B, 4C und 4D stellen die Erzeugung und Verwendung von Schutzblasen 340 an einer Schaltstelle 400 dar, die einen Hohlraum 116 umfaßt, der mit den Wächterhohlräumen 240 durch die Verbindungshälse 410 verbunden ist. Im Schalter 200 sind die Hohlräume 116 und 240 und die Verbindungshälse 410 in einer planaren Lichtwellenschaltung 210 gebildet und können sich auf die gleiche Höhe über dem Substrat 220 erstrecken. Die Verbindungshälse 410 liefern einen Fluidweg eines relative geringen Widerstands zwischen dem Hohlraum 116 und den Wächterhohlräumen 240, sind jedoch eng genug, um die Blasen in den Hohlräumen 116 und 240 räumlich einzuschränken und zu trennen. Die Flüssigkeitsschicht 150 erstreckt sich unter der Schaltstelle 240 und liefert einen Fluidweg zu anderen Schaltstellen und zum Reservoir 140.
4A zeigt eine Konfiguration, wo die Schaltstelle 400 mit der Flüssigkeit 142 gefüllt ist, die die Konfiguration der Schaltstelle 400 sein kann, bevor der optische Schalter einschaltet.
Als Teil eines Einschaltprozesses für den optischen Schalter arbeitet das Heizelement 122 bei einem ausreichend hohen Leistungspegel und eine ausreichende Zeit lang, um eine Blase zu erzeugen, die sich ausdehnt, um die Hohlräume 116, die Verbindungshälse 410 und die Wächterhohlräume 240 zu füllen. Die Schaltstelle 400 wird dann mit einem Gas gefüllt, wie in 4B gezeigt ist. Für die Erzeugung dieser Blase kann der Fluiddruck der Flüssigkeit 142 auf einen Druck gesenkt werden, der kleiner als der normale Betriebsfluiddruck ist. Die Fluiddruckverringerung kann beispielsweise durch Abkühlen des Reservoirs 140 erreicht werden. Alternativ kann der Fluiddruck auf dem normalen Betriebspegel beibehalten werden. Ein anderes Verfahren zum Vereinfachen der Erzeugung von Blasen, die die Schaltstelle 400 füllen, ist ein globales Erwärmen des optischen Schalters.
Das Ausschalten des Heizelements 142 und Einstellen der Temperatur und des Fluiddrucks der Flüssigkeit 142 auf ihre jeweiligen Betriebspegel bewirkt, daß Abschnitte der Blase in den Verbindungshälsen 410 und dem Hohlraum 116 kollabieren, wie in 4C gezeigt ist. Speziell hebt die Innenoberflächenspannung, die mit dem Fluiddruck kombiniert ist, bei der Betriebstemperatur den Dampfdruck in den Verbindungshälsen 410 und dem Hohlraum 116 auf, wo die Mindestabmessungen kleiner sind. Die Schutzblasen 340 bleiben bestehen und sind in den Wächterhohlräumen 240 stabil, weil in dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung der Außendampfdruck in einer Blase mit der Größe eines Wächterhohlraums 240 größer als die nach innen gerichtete Kraft des Fluiddrucks und der Oberflächenspannung bei Betriebstemperatur ist.
4C zeigt eine Schaltstelle 400 in ihrem inaktiven oder transparenten Zustand, wo der Hohlraum 116 mit der Flüssigkeit 142 gefüllt ist. Der Einschaltprozeß für den optischen Schalter würde allgemein alle Schaltstellen in den transparenten Zustand mit den zugeordneten Schutzblasen 340 initialisieren, wie in 4C gezeigt ist. Der Einschaltprozeß kann eine oder mehrere der Schaltstellen zu einem Zeitpunkt initialisieren oder alle Schaltstellen parallel, abhängig von den Leistungsanforderungen und Fähigkeiten des Schaltungsaufbaus im Halbleitersubstrat 220 initialisieren.
4D zeigt die Schaltstelle 400 in ihrem aktiven oder reflektiven Zustand, wo der Hohlraum 116 eine Blase 146 enthält. Beginnend mit dem gasgefüllten Zustand von 4B, könnte die Schaltstelle 400 auf den reflektiven Zustand initialisiert werden, indem der Leistungspegel des Heizelements 122 auf einen gewünschten Nicht-Nullpegel verringert wird. Das Gas kühlt auf einen Punkt ab, wo Abschnitte der Blase in den Verbindungshälsen 410 kollabieren, jedoch eine Blase 146 im Hohlraum 116 bestehen bleibt. Um die Schaltstelle 400 aus dem deaktivierten Zustand von 4C zu aktivieren, erwärmt das Heizelement 122 alternativ die Flüssigkeit im Hohlraum 116 lokal auf eine Temperatur, die der Keimbildungsenergie entspricht, um die Bildung von Blasen 146 zu starten. Der Leistungspegel des Heizelements kann dann auf einen Pegel verringert werden, der die Blase 146 im Hohlraum 116 erhält.
4A, 4B, 4C und 4D stellen einen exemplarischen Initialisierungsprozeß dar, der die Schutzblasen 340 in den Wächterhohlräumen 240 unter Verwendung des Heizelements 122 im Schalthohlraum 116 erzeugt. Alternativ können die separaten Heizelemente 222 (3A) in den Wächterhohlräumen 240 zur Erzeugung von Schutzblasen 340 mit oder ohne Befüllen des Hohlraums 116 oder einer ganzen Schaltstelle 400 mit einer Blase umfaßt sein. Ferner könnten solche zusätzlichen Heizelemente verwendet werden, um die Schutzblasen 340 zu erhalten, beispielsweise wenn die Schutzblasen 340 beim Betriebsfluiddruck und Temperatur des optischen Schalters nicht ausreichend stabil sind. Ein konstantes aktives Erwärmen zum Erhalten der Schutzblasen 340 könnte jedoch den Leistungsverbrauch und die Wärmeerzeugung im optischen Schalter in unerwünschter Weise erhöhen.
5 stellt eine Struktur 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem mehrere Schaltstellen 500A und 500B eine Schutzblase 540 gemeinsam verwenden. Die Struktur 500 kann verwendet werden, um den Bereich zu verringern, der für die Schutzblasen in einem optischen Schalter mit einer hohen Dichte an Schaltstellen und Wächterhohlräumen, die in der planaren Lichtwellenschaltung 210 gebildet sind, erforderlich ist.
Die Struktur 500 ist ein veranschaulichendes Beispiel eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit zwei Schaltstellen 500, die entlang einer Linie ausgerichtet sind, jedoch kann eine beliebige Anzahl von Schaltstellen, die in einer beliebigen gewünschten Konfiguration angeordnet sind, alternativ eine oder mehrere Schutzblasen gemeinsam verwenden. Die Position der Wächterhohlräume 240 und der Schutzblasen 340 hängt allgemein von den Positionen der Schalthohlräume 116 und der Wellenleiter 112 und 114 in einem optischen Schalter und davon ab, ob die Wächterhohlräume in einer planaren Lichtwellenschaltung 210 oder einem Halbleitersubstrat 220 gebildet sind.
Die Schutzblasen 340 und 540 in der Konfiguration 500 können unter Verwendung von Einschaltprozessen, die im wesentlichen mit jenen identisch sind, die vorstehend unter Bezugnahme auf 4A, 4B, 4C und 4D beschrieben wurden, erzeugt und erhalten werden. In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel werden die Heizelemente 122 in allen verbundenen Schaltstellen 500A und 500B aktiviert, um die Struktur 500 mit einer Gasblase zu füllen, und dann wird die Leistung an die Heizelemente 122 verringert oder abgeschaltet, um die Blase in den Verbindungshälsen 410 und in den ausgewählten Hohlräumen 116 zu kollabieren.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, ist die Beschreibung lediglich ein Beispiel der Anwendung der Erfindung und sollte nicht als Einschränkung ausgelegt werden. Obwohl die vorstehenden Ausführungsbeispiele allgemein Verbindungshälse zum Kanalisieren des Fluidflusses von den Schalthohlräumen zu den Wächterhohlräumen verwenden, könnte auf die Verbindungshohlräume beispielsweise verzichtet werden, wenn ein anderes Merkmal, wie z. B. die darunterliegende Flüssigkeitsschicht, einen Fluidfluß zwischen den Schalthohlräumen und den Wächterhohlräumen liefert. Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen der Ausführungsbeispiele, die offenbart wurden, befinden sich im Schutzbereich der Erfindung, der durch die nachstehenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Optischer Schalter, der folgende Merkmale aufweist: eine optische Struktur (210), die folgende Merkmale aufweist: einen Satz von ersten optischen Wegen (112); einen Satz von zweiten optischen Wegen (114), die die ersten optischen Wege (112) kreuzen; und eine Mehrzahl von Schalthohlräumen (116) an Schnittpunkten der ersten optischen Wege (112) und der zweiten optischen Wege (114); eine Flüssigkeit (142) in Fluidkommunikation mit den Schalthohlräumen (116), wobei jeder Schalthohlraum (116) einen ersten Zustand aufweist, in dem der Schalthohlraum mit der Flüssigkeit (142) gefüllt ist, und einen zweiten Zustand, in dem der Schalthohlraum eine Blase (146) enthält; ein Reservoir (140), das teilweise mit der Flüssigkeit (142) und teilweise mit einem Gas (144) gefüllt ist, wobei der Fluiddruck der Flüssigkeit (142) durch den Druck des Gases (144) gesteuert wird; und einen Satz von Schutzkammern (240), die in Fluidkommunikation mit den Schalthohlräumen (116) und der Flüssigkeit (142) sind, wobei jede Schutzkammer eine Blase (340) enthält.
Optischer Schalter gemäß Anspruch 1, bei dem jede Schutzkammer (240) ein Hohlraum ist, der in der optischen Struktur (210) ist und von den ersten und den zweiten optischen Wegen (112, 114) entfernt ist.
Optischer Schalter gemäß Anspruch 2, der ferner eine Mehrzahl von Verbindungshälsen (410) in der optischen Struktur (210) aufweist, wobei jeder Verbindungshals (410) einen Fluidweg zwischen einem entsprechenden der Schalthohlräume (116) und einer entsprechenden der Schutzkammern (240) liefert.
Optischer Schalter gemäß Anspruch 3, bei dem die Verbindungshälse (410) einen der Schalthohlräume (116) mit zwei oder mehr der Schutzkammern (240) verbinden.
Optischer Schalter gemäß Anspruch 3, bei dem die Verbindungshälse (410) eine der Schutzkammern (240) mit zwei oder mehreren der Schalthohlräume (116) verbinden.
Optischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Druckunterschied zwischen einem Fluiddruck der Flüssigkeit (142) und ein Dampfdruck der Flüssigkeit (142) so ist, daß die Blase (340) in der Schutzkammer (240) bei einer Betriebstemperatur der Flüssigkeit (142) stabil ist.
Optischer Schalter gemäß Anspruch 6, bei dem der Druckunterschied so ist, daß jeder Schalthohlraum (116) ein lokales Erwärmen erfordert, um den Schalthohlraum (116) im zweiten Zustand beizubehalten.
Optischer Schalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der ferner Heizelemente (122) aufweist, die jeweils in den Schalthohlräumen (116) sind.
Optischer Schalter gemäß Anspruch 8, der ferner Heizelemente (222) aufweist, die jeweils in den Schutzkammern (240) sind.
Verfahren zum Betreiben eines optischen Schalters, das folgende Schritte aufweist: Beibehalten von Blasen (340) in einer Mehrzahl von Schutzkammern (240), die mit einer Flüssigkeit (142) und Schalthohlräumen (116) des optischen Schalters in Fluidkommunikation sind, wobei der Fluiddruck der Flüssigkeit (142) durch den Druck eines Gases (144) in einem teilweise mit der Flüssigkeit (142) und teilweise mit dem Gas (144) gefüllten Reservoir (140) gesteuert wird und lokales Erwärmen der Flüssigkeit (142) in einem ausgewählten der Schalthohlräume (116), um eine Blase (146) in dem ausgewählten Schalthohlraum (116) zu erzeugen, wobei die Flüssigkeit (142), die durch die Blasenerzeugung in dem ausgewählten Hohlraum (116) versetzt wird, in eine oder mehrere der Schutzkammern (240) fließt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem ein Beibehalten der Blasen (340) in den Schutzkammern (240) ein Beibehalten der Flüssigkeit (142) auf einem Fluiddruck und einer Betriebstemperatur aufweist, so daß die Blasen, die die Schutzkammern (240) füllen, stabil sind, ohne die Schutzkammern (240) zu erwärmen.
Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der Fluiddruck, die Betriebstemperatur und die Abmessungen der Schalthohlräume (116) so sind, daß die Blase (146) in dem ausgewählten Schalthohlraum (116) kollabiert, wenn ein lokales Erwärmen beendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, das ferner ein Erzeugen der Blasen (340) in den Schutzkammern (240) aufweist, indem die Flüssigkeit (142) in den Schalthohlräumen (116) erwärmt wird, um Blasen zu erzeugen, die sich von den Schalthohlräumen (116) in die Schutzkammern (240) ausdehnen.
Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem das Erzeugen der Blasen (340) in den Schutzkammern (240) ferner ein Beenden des Erwärmens der Schalthohlräume (116) aufweist, so daß Abschnitte der Blasen (340) in den Schalthohlräumen (116) kollabieren und die Blasen in den Schutzkammern bestehen bleiben.