DE10356678A1 - Optisches Flüssigmetallrelais - Google Patents
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Abstract
Es ist ein optisches Relais offenbart, bei dem ein Flüssigmetalltröpfchen in einem Schaltkanal, der in einem Relaisgehäuse gebildet ist, bewegt wird. Ein optischer Pfad, der durch den Schaltkanal verläuft, wird durch eine Bewegung des Flüssigmetalltröpfchens, das sich mit einem von zwei zusätzlichen Flüssigmetalltröpfchen vereinigt, blockiert oder freigegeben. Die Bewegung der Flüssigmetalltröpfchen wird durch Heizvorrichtungen gesteuert, die den Druck eines Betätigungsgases in dem Schaltkanal steuern. Die Flüssigmetalltröpfchen werden durch eine Oberflächenspannung, die auf benetzbare Kontaktanschlußflächen in dem Schaltkanal wirkt, in ihrer Position gehalten. Die Oberflächenspannung der Flüssigkeit liefert einen Verriegelungsmechanismus für das Relais. Der Druck des Betätigungsgases wird durch ein direktes Erhitzen des Gases oder durch ein Erhitzen einer Phasenänderungsflüssigkeit, um sie zum Verdampfen zu bringen, erhöht.
Description
- Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgenden ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, die durch die folgenden aufgeführten Identifizierer identifiziert und in alphanumerischer Reihenfolge angeordnet sind, die den gleichen Eigentümer wie die vorliegende Anmeldung aufweisen und zu diesem Ausmaß auf die vorliegende Anmeldung bezogen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind:
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,691;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/142,076;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency, Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Piezoelectric Optical Latching Relay", eingereicht am 31. Oktober 2001, mit der Seriennummer 09/999,590;
US-Anmeldung mit dem Titel „Shear Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Production Thereof", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,597;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Latching Relay with Bending Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Latching Relay with Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
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US-Anmeldung mit dem Titel „Closed Loop Piezoelectric Pump", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Solid Slug Longitudinal Piezoelectric Latching Relay", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,692;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Longitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
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US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
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US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
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US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
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US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Method for Producing the Same", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317, 963;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 28. März 2002, mit der Seriennummer 10/109, 309;
US-Anmeldung mit dem Titel „Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits", eingereicht am 8. Oktober 2002, mit der Seriennummer 10/266,872;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch", eingereicht am 10. April 2002, mit der Seriennummer 10/119, 503;
US-Anmeldung mit dem Titel „Volume Adjustment Apparatus and Method for Use", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,293;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Maintaining a Liquid Metal Switch in a Ready-to-Switch Condition", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Reflecting Wedge Optical Wavelength Multiplexer/Demultiplexer", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpillar Piezoelectric Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpiller Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Inserting-finger Liquid Metal Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Wetting Finger Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Acutated Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; und
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Caterpillar Piezoelectric Reflective Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003. - Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet optischer Schaltrelais und insbesondere auf ein optisches Relais, das durch eine Druckbeaufschlagung von Gas betätigt wird und mittels einer Flüssigkeitsoberflächenspannung verriegelt ist.
- Kommunikationssysteme, die optische Signale verwenden, erfordern die Verwendung optischer Schalter und Router. Ein früher Lösungsansatz bezüglich eines optischen Schaltens bestand darin, das optische Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, einen elektrischen Schalter oder Router zu verwenden und anschließend in ein optisches Signal zurückzuwandeln. In jüngerer Zeit wurden optische Relais verwendet, bei denen ein elektrisches Steuersignal verwendet wird, um das Schalten oder Routen eines optischen Signals zu steuern. Optische Relais schalten üblicherweise optische Signale, indem sie bewegliche feste Spiegel verwenden oder indem sie die Erzeugung von Dampfblasen verwenden, um den Brechungsindex in einem Hohlraum zu verändern. Die beweglichen Spiegel können elektrostatische Verriegelungsmechanismen verwenden, wohingegen Blasenschalter nicht verriegelt werden. Piezoelektrische Verriegelungsrelais verwenden entweder Restladungen in dem zu verriegelnden piezoelektrischen Material oder betätigen Schaltkontakte, die einen Verriegelungsmechanismus enthalten.
- Bei elektrischen Relais wird auch Flüssigmetall verwendet. Ein Flüssigmetalltröpfchen kann durch eine Vielzahl von Techniken, einschließlich elektrostatischer Kräfte, einer variablen Geometrie aufgrund einer Wärmeausdehnung/-kontraktion und Druckgradienten, bewegt werden. Wenn die interessierende Abmessung abnimmt, wird die Oberflächenspannung des Flüssigmetalls zu einer Kraft, die andere Kräfte, beispielsweise Körperkräfte (Trägheit), dominiert. Folglich verwenden manche mikro-elektromechanischen Systeme (MEM-Systeme) ein Flüssigmetallschalten.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verriegelbares optisches Relais und ein Verfahren zum verriegelbaren Schalten eines optischen Pfades in einem optischen Relais zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein optisches Relais gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schalter, bei dem ein Flüssigmetalltröpfchen in einem Kanal bewegt und verwendet wird, um einen optischen Pfad, der durch den Kanal verläuft, zu blockieren oder freizugeben. Das Flüssigmetalltröpfchen wird durch die Druckbeaufschlagung von Gas in einer Heizkammer bewegt, was zu einer Druckänderung in dem Kanal führt. Das Flüssigmetalltröpf chen haftet an benetzbaren Metallkontaktanschlußflächen in dem Kanal, um einen Verriegelungsmechanismus zu liefern.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Endansicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
2 eine Schnittansicht des optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
3 eine Draufsicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung, wobei die obere Abdeckschicht entfernt ist; -
4 eine weitere Draufsicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung, wobei die obere Abdeckschicht entfernt ist; -
5 eine Draufsicht einer Kammerschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
6 eine Schnittansicht durch eine Kammerschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
7 eine Unteransicht einer Schaltungsschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
8 eine Schnittansicht durch eine Schaltungsschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
9 eine Draufsicht einer Schaltschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; -
10 eine Seitenansicht einer Schaltschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung; und -
11 eine Unteransicht einer oberen Abdeckschicht eines optischen Relais der vorliegenden Erfindung. - Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Relais, das durch eine Druckbeaufschlagung von Gas betätigt wird und eine Verriegelung bewerkstelligt, indem sich ein Flüssigmetalltröpfchen in einem Schaltkanal bewegt, betätigt wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet das Relais ein Heizelement, um Druckveränderungen in einem Betätigungsgas zu bewirken, was wiederum das Flüssigmetall verdrängt. Das Flüssigmetall blockiert einen optischen Pfad oder gibt ihn frei, was das Schalten optischer Signale ermöglicht. Das Flüssigmetall, das Quecksilber oder eine Gallium enthaltende Legierung sein kann, benetzt zumindest eine feststehende Kontaktanschlußfläche an dem Relaisgehäuse und wird durch Oberflächenspannung in seiner Position gehalten.
- Bei einem Ausführungsbeispiel werden Mikrobearbeitungstechniken verwendet, um das Relais herzustellen. In
1 ist eine Endansicht eines optischen Relais100 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht der Körper des Relais aus sechs Schichten und eignet sich für eine Herstellung durch Mikrobearbeitung. Die unterste Schicht ist eine untere Abdeckschicht102 . Die nächste Schicht ist eine Kammerschicht104 , die Heizkammern und, optional, eine Phasenänderungsflüssigkeit umfaßt. Die nächste Schicht ist eine Schaltschicht106 , die Rohrleitungen (Durchkontaktierungen) enthält, die die Heizkammern mit dem Schaltkanal koppeln. Die Schaltungsschicht stützt ferner Heizwiderstände und die zugeordnete elektrische Schaltungsanordnung. Ein Schalten der optischen Signale findet in dem in der Schaltschicht108 enthaltenen Schaltkanal statt. Im Betrieb tritt ein optisches Signal durch eine optische Faser oder einen Wellenleiter110 in das Relais ein, und falls es nicht in dem Relais blockiert wird, tritt es durch eine optische Faser oder einen Wellenleiter112 aus. Die abschließende Schicht ist eine obere Abdeckschicht114 . -
2 ist ein Querschnitt des Relais in1 . Die unterste Schicht ist eine untere Abdeckschicht102 . Die nächste Schicht ist die Kammerschicht104 , die die Heizkammer116 , den Heizwiderstand122 und, optional, eine Phasenänderungsflüssigkeit118 beinhaltet. Im Betrieb erhöht der Heizwiderstand122 den Druck in einem in der Heizkammer116 enthaltenen Betätigungsgas. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Druckanstieg durch ein direktes Erhitzen des Gases in der Kammer erzeugt. Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird der Druckanstieg durch ein Erhitzen einer Flüssigkeit118 derart, daß sie von einer Flüssigphase zu einer Gasphase wechselt, erzeugt. Die mit der Phasenänderung zusammenhängende Volumenerhöhung erzeugt einen Druckanstieg in dem Betätigungsgas. Ein Vorteil dieses Lösungsansatzes besteht darin, daß Wärme effizienter von dem Heizwiderstand zu einer Flüssigkeit geleitet wird als von dem Heizwiderstand zu einem Gas. Ferner kann der Phasenübergang sehr rasch sein und führt zu einer großen Druckänderung. Dies führt zu einem schnelleren Schalten und verringert Energieverluste in das Substrat. Die Phasenänderung ist reversibel, so daß der Dampf beim Abkühlen an dem Heizwiderstand kondensiert. Die Phasenänderungsflüssigkeit kann eine inerte organische Flüssigkeit, beispielsweise 3M Fluorinert einer geringen Viskosität, sein. Alternativ dazu kann die Phasenänderungsflüssigkeit ein Flüssigmetall sein. Ein restriktiver Druckentlastungsdurchgang zwischen den Heizkammern kann enthalten sein, um zu ermöglichen, daß sich der Druck langsam über die Veränderungen ausgleicht, um zu verhindern, daß das Flüssigmetall in dem Schaltkanal zurückgesogen wird, während die Heizvorrichtung abkühlt. Die nächste Schicht ist die Schaltungsschicht106 , die eine Rohrleitung126 enthält, die die Heizkammer116 mit dem Schaltkanal128 (der in der Schalt schicht108 enthalten ist) koppelt. Im Betrieb tritt ein optisches Signal durch eine optische Faser oder einen Wellenleiter110 in das Relais ein und, falls es nicht in dem Relais blockiert wird, tritt es durch eine optische Faser oder einen Wellenleiter112 aus. Der optische Wellenleiter110 ist in einer Kerbe130 in der Schaltschicht108 eingebettet. Der optische Wellenleiter112 ist in einer Kerbe132 in der Schaltschicht108 eingebettet. Benetzbare Kontaktanschlußflächen134 sind an der Innenseite des Schaltkanals128 befestigt. Die Kontaktanschlußflächen können aus einem Abdichtriemenmetall hergestellt sein. Jede Anschlußfläche kann in vier Stücken hergestellt sein: einer an der Oberseite der Schaltungsschicht befestigten unteren Anschlußfläche, zwei an den Seiten des Schaltkanals in der Schaltschicht befestigten Seitenanschlußflächen und einer an der unteren Oberfläche der oberen Abdeckschicht befestigten oberen Anschlußfläche. Das zum Schalten verwendete Flüssigmetall wird durch Oberflächenspannung mit diesen Anschlußflächen in Kontakt gehalten. Die abschließende Schicht ist eine obere Abdeckschicht114 , die eine Abdeckung für den Schaltkanal liefert. - In
3 ist eine Ansicht des optischen Relais gezeigt, bei der die obere Abdeckschicht entfernt ist. Die Schaltschicht108 ist über der Schaltungsschicht106 positioniert. Ein optischer Wellenleiter110 , der in einer Kerbe130 in der Schaltschicht108 eingebettet ist, ist optisch mit dem optischen Wellenleiter112 (der in einer Kerbe132 eingebettet ist) ausgerichtet. Damit Licht zwischen die Wellenleiter110 und112 koppelt, muß es durch das transparente Betätigungsgas in dem Schaltkanal128 verlaufen. Ein optischer Wellenleiter140 , der in einer Kerbe142 in der Schaltschicht108 eingebettet ist, ist optisch mit dem optischen Wellenleiter144 (der in einer Kerbe146 eingebettet ist) ausgerichtet. Ein mittleres Tröpfchen aus Flüssigmetall148 ist in dem Schaltkanal128 positioniert und wird in einem benetzten Kontakt mit der Kontaktanschlußfläche154 gehalten. Bei dem bevorzugten Ausführungs beispiel ist das Flüssigmetall Quecksilber oder eine Gallium enthaltende Legierung. Das mittlere Flüssigmetalltröpfchen148 kann bewegt werden, um sich mit einem der weiteren Flüssigmetalltröpfchen150 und152 zu vereinigen. Die Flüssigmetalltröpfchen150 und154 befinden sich in einem benetzten Kontakt mit den Anschlußflächen134 bzw.156 . Das Gesamtvolumen des Flüssigmetalls ist so gewählt, daß sich zu einem Zeitpunkt immer nur zwei Volumen vereinigen. Die Kontaktanschlußflächen können beispielsweise aus einem Abdichtriemenmetall hergestellt sein. Jeder Riemen besteht aus vier Elementen, wobei zwei an der Schaltschicht108 befestigt sind, eines an der Oberseite der Schaltungsschicht106 befestigt ist und eines an der Unterseite der oberen Abdeckschicht114 befestigt ist. Eine Oberflächenspannung in den Flüssigmetalltröpfchen hält einer Bewegung der Flüssigkeit stand. Wenn die Flüssigmetalltröpfchen148 und152 miteinander vereinigt werden, wie in3 gezeigt ist, liegt zwischen den Tröpfchen kein Zwischenraum vor, durch den Licht passieren kann, so daß der optische Pfad zwischen den Wellenleitern140 und144 blockiert ist. Jedoch kann Licht durch den Zwischenraum zwischen den Flüssigmetalltröpfchen148 und150 gelangen, so daß der optische Pfad zwischen den Wellenleitern110 und112 offen ist. Der Abschnitt 2-2 ist2 gezeigt und oben beschrieben. - Eine Bewegung der Flüssigtröpfchen wird durch ein transparentes, inertes, elektrisch nicht-leitendes Betätigungsgas gesteuert, das das Innere des Relais, das die Flüssigmetalltröpfchen umgibt, füllt. Das Betätigungsgas bewegt sich durch Durchkontaktierungen oder Rohrleitungen, die zwischen den Kontaktanschlußflächen positioniert sind, in den und aus dem Schaltkanal
128 . Das mittlere Tröpfchen aus Flüssigmetall148 kann von dem Tröpfchen152 getrennt werden, indem der Druck des Betätigungsgases auf der linken Seite der mittleren Kontaktanschlußflächen (154 ,148 ) erhöht wird. Die sich ergebende Druckdifferenz über das mittlere Flüssigmetalltröpfchen148 bewegt dasselbe nach rechts, wie in4 gezeigt ist, wo es sich mit dem Tröpfchen150 vereinigt. Wenn der Druck in dem Betätigungsgas ausgeglichen wird, bleibt das mittlere Tröpfchen148 aufgrund der Oberflächenspannung in dem Flüssigmetall mit dem Tröpfchen150 vereinigt. Die Oberflächenspannung hält auch die vereinigten Tröpfchen an den Kontaktanschlußflächen134 und154 . Der optische Pfad zwischen den Wellenleitern140 und144 ist nun geöffnet, wohingegen der optische Pfad zwischen den Wellenleitern110 und112 durch das Flüssigmetall blockiert ist. -
5 ist eine Draufsicht der Kammerschicht104 des Relais. In der Schicht sind zwei Heizkammern116 und160 gebildet. Die Kammern werden durch die untere Abdeckschicht unten und durch die Schaltungsschicht oben geschlossen. Optional koppelt eine Druckentlastungsrohrleitung120 die Heizkammern und ermöglicht einen langsamen Druckausgleich zwischen den Kammern. Ein Gasfluß durch die Rohrleitung wird eingeschränkt, um das Schalten nicht zu behindern. -
6 ist eine Schnittansicht durch den Abschnitt 6-6 der in5 gezeigten Kammerschicht104 . Die Heizkammer116 ist als Hohlraum in der Schicht gebildet. -
7 ist eine Unteransicht der Schaltungsschicht106 des Relais. Durchkontaktierungen oder Rohrleitungen126 und158 ermöglichen einen Durchgang von Betätigungsgas von den Heizkammern, um durch die Schaltungsschicht zu dem Schaltkanal zu gelangen. Die untersten Abschnitte der benetzbaren Kontaktanschlußflächen134 ,154 und156 (durch gestrichelte Linien dargestellt) sind auf der oberen Oberfläche der Schicht gebildet oder an derselben befestigt und sind mit anderen Abschnitten der Anschlußflächen in dem Schaltkanal und auf der oberen Abdeckschicht kombiniert. Auf der Schaltungsschicht sind Heizwiderstände122 und162 gebildet. Nach der Montage sind die Heizwiderstände in den Heizkammern positioniert. Die elektrischen Kontaktanschlußflächen124 ermöglichen eine Verbindung von Steuersignalen mit den Heizwiderständen122 . Elektrische Leiterbahnen (nicht gezeigt), die auf der Schaltungsschicht gebildet sind, verbinden die elektrischen Kontaktanschlußflächen124 mit den Heizwiderständen. -
8 ist eine Schnittansicht durch den Abschnitt 8-8 der in7 gezeigten Schaltungsschicht106 . Die Gasleitung158 durchläuft die Schicht. Die benetzbare Kontaktanschlußfläche154 ist an der oberen Oberfläche der Schicht106 befestigt. Der Heizwiderstand162 und die elektrische Kontaktanschlußfläche124 sind an der Unterseite der Schicht befestigt. Optional benetzt eine Phasenänderungsflüssigkeit164 die Oberfläche des Heizwiderstands162 . Diese Flüssigkeit kann nach oder während der Montage des Relais hinzugegeben werden. -
9 ist eine Draufsicht der Schaltschicht108 des Relais. Der optische Wellenleiter110 , der in einer Kerbe130 in der Schaltschicht108 eingebettet ist, ist mit dem optischen Wellenleiter112 (in einer Kerbe132 eingebettet) optisch ausgerichtet. Der optische Wellenleiter140 , der in einer Kerbe142 in der Schaltschicht108 eingebettet ist, ist mit dem optischen Wellenleiter144 (in einer Kerbe146 eingebettet) optisch ausgerichtet. Abschnitte der benetzbaren Kontaktanschlußflächen134 ,154 und156 sind an der Innenseite des Schaltkanals128 befestigt. - In
10 ist eine Seitenansicht der Schaltschicht108 gezeigt. Die optischen Wellenleiter110 und140 sind in dreieckigen Kerben130 und142 in der oberen Oberfläche der Schicht eingebettet. Die Verwendung von Kerben ermöglicht eine genaue optische Ausrichtung der Wellenleiter während der Montage des Relais. -
11 ist eine Unteransicht der oberen Abdeckschicht114 des Relais. Die obersten Abschnitte der benetzbaren Kontaktanschlußflächen134 ,154 und136 sind an der unteren Oberfläche der Schicht gebildet oder befestigt und mit anderen Abschnitten in dem Schaltkanal und der Schaltungsschicht kombiniert. - Das optische Relais der vorliegenden Erfindung kann zum Zweck einer geringen Größe unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken hergestellt werden.
Claims (17)
- Ein optisches Relais (
100 ), das folgende Merkmale aufweist: ein Relaisgehäuse, das einen Schaltkanal (128 ) enthält; eine erste und eine zweite Kontaktanschlußfläche, die in dem Schaltkanal (128 ) angeordnet sind und die jeweils eine durch ein Flüssigmetall benetzbare Oberfläche aufweisen; eine dritte Kontaktanschlußfläche, die in dem Schaltkanal (128 ) zwischen der ersten und der zweiten Kontaktanschlußfläche angeordnet ist und eine durch ein Flüssigmetall benetzbare Oberfläche aufweist; ein erstes Flüssigmetalltröpfchen, das sich in einem benetzten Kontakt mit der ersten Kontaktanschlußfläche befindet; ein zweites Flüssigmetalltröpfchen, das sich in einem benetzten Kontakt mit der zweiten Kontaktanschlußfläche befindet; ein drittes Flüssigmetalltröpfchen, das sich in einem benetzten Kontakt mit der dritten Kontaktanschlußfläche befindet und angepaßt ist, um sich in dem Schaltkanal (128 ) zu bewegen, um sich entweder mit dem ersten Flüssigmetalltröpfchen oder dem zweiten Flüssigmetalltröpfchen zu vereinigen; einen ersten optischen Pfad, der durch den Schaltkanal (128 ) zwischen dem ersten und dem dritten Flüssigmetalltröpfchen verläuft; eine erste Heizvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine erste Heizkammer, die ein erstes Betätigungsgas enthält; eine erste Gasleitung, die die erste Heizkammer mit dem Schaltkanal (128 ) zwischen der ersten und der dritten Kontaktanschlußfläche koppelt; und einen ersten Heizwiderstand (122 ), der betreibbar ist, um den Druck des ersten Betätigungsgases zu erhöhen, wodurch bewirkt wird, daß sich das erste und das dritte Flüssigmetalltröpfchen trennen und daß sich das zweite und das dritte Flüssigmetalltröpfchen vereinigen; und eine zweite Heizvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine zweite Heizkammer, die ein zweites Betätigungsgas enthält; eine zweite Gasleitung, die die zweite Heizkammer mit dem Schaltkanal (128 ) zwischen der zweiten und der dritten Kontaktanschlußfläche koppelt; und einen zweiten Heizwiderstand (162 ), der betreibbar ist, um den Druck des zweiten Betätigungsgases zu erhöhen, wodurch bewirkt wird, daß sich das zweite und das dritte Flüssigmetalltröpfchen trennen und daß sich das erste und das dritte Flüssigmetalltröpfchen vereinigen, wobei der erste optische Pfad unterbrochen ist, wenn das erste und das dritte Flüssigmetalltröpfchen verei nigt sind, und geschlossen ist, wenn das erste und das dritte Flüssigmetalltröpfchen getrennt sind. - Optisches Relais (
100 ) gemäß Anspruch 1, bei dem der erste optische Pfad folgende Merkmale aufweist: einen ersten optischen Wellenleiter, der konfiguriert ist, um Licht in den Schaltkanal (128 ) zu senden; und einen zweiten optischen Wellenleiter, der mit dem ersten optischen Wellenleiter optisch ausgerichtet ist und konfiguriert ist, um Licht von dem ersten optischen Wellenleiter zu empfangen, wenn das erste und das dritte Flüssigmetalltröpfchen getrennt sind. - Optisches Relais (
100 ) gemäß Anspruch 1 oder 2, das ferner einen zweiten optischen Weg aufweist, der zwischen dem zweiten und dem dritten Flüssigmetalltröpfchen verläuft. - Optisches Relais (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine erste Phasenänderungsflüssigkeit, die sich in einem benetzten Kontakt mit dem ersten Heizwiderstand befindet und angepaßt ist, um die Phase zu ändern, wenn der erste Heizwiderstand mit Energie versorgt ist; und eine zweite Phasenänderungsflüssigkeit, die sich in einem benetzten Kontakt mit dem zweiten Heizwiderstand befindet und angepaßt ist, um die Phase zu ändern, wenn der zweite Heizwiderstand mit Energie versorgt ist. - Optisches Relais (
100 ) gemäß Anspruch 4, das ferner eine Druckentlastungsdurchgangsöffnung zu der ersten Heizkammer und zu der zweiten Heizkammer aufweist. - Optisches Relais (
100 ) gemäß Anspruch 4 oder 5, bei dem die erste und die zweite Phasenänderungsflüssigkeit inerte, anorganische Flüssigkeiten sind. - Optisches Relais (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die erste und die zweite Phasenänderungsflüssigkeit Flüssigmetalle sind. - Optisches Relais (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Relaisgehäuse folgende Merkmale aufweist: eine untere Abdeckschicht (102 ); eine Schaltungsschicht, die den ersten und den zweiten Heizwiderstand und elektrische Verbindungen zu denselben trägt und die erste und die zweite Gasleitung enthält; eine Heizkammerschicht, die zwischen der unteren Abdeckschicht (102 ) und der Schaltungsschicht positioniert ist und die erste und die zweite Heizkammer enthält; eine Schaltschicht, die über der Schaltungsschicht positioniert ist und den Schaltkanal (128 ) aufweist, der in derselben gebildet ist; und eine obere Abdeckschicht (114 ), die über der Schaltschicht positioniert ist. - Optisches Relais (
100 ) gemäß Anspruch 8, bei dem der erste optische Pfad folgende Merkmale aufweist: einen ersten optischen Wellenleiter (110 ), der in einer ersten Kerbe (130 ) in der Schaltschicht (108 ) ein gebettet ist und konfiguriert ist, um Licht in den Schaltkanal (128 ) zu senden; und einen zweiten optischen Wellenleiter (112 ), der in einer zweiten Kerbe (132 ) in der Schaltschicht (108 ) eingebettet ist und mit dem ersten optischen Wellenleiter (110 ) optisch ausgerichtet ist, wobei der zweite optische Wellenleiter (112 ) konfiguriert ist, um Licht von dem ersten optischen Wellenleiter (110 ) zu empfangen, falls das erste und das dritte Flüssigmetalltröpfchen getrennt sind. - Optisches Relais (
100 ) gemäß Anspruch 8 oder 9, bei dem: ein erster Abschnitt der ersten, der zweiten und der dritten Kontaktanschlußfläche auf der oberen Oberfläche der Schaltungsschicht gebildet ist; ein zweiter Abschnitt der ersten, der zweiten und der dritten Kontaktanschlußfläche auf den Seiten des Schaltkanals in der Schaltschicht (108 ) gebildet ist; und ein dritter Abschnitt der ersten, der zweiten und der dritten Kontaktanschlußfläche auf der unteren Oberfläche der oberen Abdeckschicht (114 ) gebildet ist. - Optisches Relais (
100 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das Flüssigmetall entweder Quecksilber oder eine Gallium enthaltende Legierung ist. - Verfahren zum Schalten eines ersten optischen Pfades in einem optischen Relais, das ein erstes Flüssigmetalltröpfchen aufweist, das in einem Schaltkanal beweglich ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Koppeln eines ersten optischen Eingangsignals zu einem ersten optischen Eingangswellenleiter des optischen Relais, wobei der erste optische Eingangswellenleiter mit einem ersten optischen Ausgangswellenleiter optisch ausgerichtet ist, um den ersten optischen Pfad zu bilden; falls der erste optische Pfad geschlossen werden soll: Bewegen des ersten Flüssigmetalltröpfchens aus dem ersten optischen Pfad heraus, wodurch der erste optische Eingangswellenleiter mit dem ersten optischen Ausgangswellenleiter optisch gekoppelt wird; und falls der erste optische Pfad unterbrochen werden soll: Bewegen des ersten Flüssigmetalltröpfchens in den ersten optischen Pfad, wodurch der erste optische Eingangswellenleiter von dem ersten optischen Ausgangswellenleiter optisch entkoppelt wird, wobei das Bewegen des ersten Flüssigmetalltröpfchens ein Unterdrucksetzen eines Betätigungsgases in dem Schaltkanal umfaßt, um eine Druckdifferenz über das erste Flüssigmetalltröpfchen zu erzeugen.
- Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem sich das erste Flüssigmetalltröpfchen in einem benetzten Kontakt mit einer ersten Kontaktanschlußfläche befindet, die in dem Schaltkanal zwischen einer zweiten Kontaktanschlußfläche und einer dritten Kontaktanschlußfläche positioniert ist, und bei dem: das Bewegen des ersten Flüssigmetalltröpfchens in den optischen Pfad bewirkt, daß sich das erste Flüssigmetalltröpfchen mit einem zweiten Flüssigmetalltröpf chen, das sich in einem benetzten Kontakt mit der zweiten Kontaktanschlußfläche befindet, vereinigt; und das Bewegen des ersten Flüssigmetalltröpfchens aus dem optischen Pfad heraus bewirkt, daß sich das erste Flüssigmetalltröpfchen mit einem dritten Flüssigmetalltröpfchen, das sich in einem benetzten Kontakt mit der dritten Kontaktanschlußfläche befindet, vereinigt.
- Verfahren gemäß Anspruch 13, bei dem der erste optische Pfad zwischen der ersten Kontaktanschlußfläche und der zweiten Kontaktanschlußfläche verläuft, und wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt aufweist: Koppeln eines zweiten optischen Eingangsignals mit einem zweiten optischen Eingangswellenleiter des optischen Arrays, wobei der zweite optische Eingangswellenleiter mit einem zweiten optischen Ausgangswellenleiter optisch ausgerichtet ist, um einen zweiten optischen Pfad durch den Schaltkanal zwischen der ersten Kontaktanschlußfläche und der dritten Kontaktanschlußfläche zu bilden, wobei der zweite optische Pfad unterbrochen wird, wenn der erste optische Pfad geschlossen wird, und der zweite optische Pfad optische Pfad geschlossen wird, wenn der erste optische Pfad unterbrochen wird.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem das Unterdrucksetzen des Betätigungsgases in dem Schaltkanal folgende Schritte aufweist: falls der erste optische Pfad geschlossen werden soll: Versorgen eines ersten Heizwiderstands in einer ersten Heizkammer, die durch eine erste Gasleitung mit dem Schaltkanal gekoppelt ist, mit Energie, um den Druck des Betätigungsgases in dem Schaltkanal zwischen der ersten und der zweiten Kontaktanschlußfläche zu erhöhen; und falls der optische Pfad unterbrochen werden soll: Versorgen eines zweiten Heizwiderstands in einer zweiten Heizkammer, die durch eine zweite Gasleitung mit dem Schaltkanal gekoppelt ist, mit Energie, um den Druck des Betätigungsgases in dem Schaltkanal zwischen der ersten und der dritten Kontaktanschlußfläche zu erhöhen.
- Verfahren gemäß Anspruch 15, das ferner folgende Schritte aufweist: falls der optische Pfad geschlossen werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des ersten Heizwiderstands, nachdem das erste Flüssigmetalltröpfchen aus dem optischen Pfad herausbewegt wurde; und falls der optische Pfad unterbrochen werden soll: Unterbrechen der Energieversorgung des zweiten Heizwiderstands, nachdem das erste Flüssigmetalltröpfchen in den optischen Pfad bewegt wurde.
- Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem das Unterdrucksetzen des Betätigungsgases in dem Schaltkanal folgende Schritte aufweist: falls der optische Pfad geschlossen werden soll: Erhitzen einer ersten Phasenänderungsflüssigkeit in einer ersten Heizkammer, die durch eine erste Gasleitung mit dem Schaltkanal gekoppelt ist, um zu bewirken, daß die erste Phasenänderungsflüs sigkeit verdampft, wodurch der Druck des Betätigungsgases in dem Schaltkanal zwischen der ersten und der zweiten Kontaktanschlußfläche erhöht wird; und falls der optische Pfad unterbrochen werden soll: Erhitzen einer zweiten Phasenänderungsflüssigkeit in einer zweiten Heizkammer, die durch eine zweite Gasleitung mit dem Schaltkanal gekoppelt ist, um zu bewirken, daß die zweite Phasenänderungsflüssigkeit verdampft, wodurch der Druck des Betätigungsgases in dem Schaltkanal zwischen der ersten und der dritten Kontaktanschlußfläche erhöht wird.
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