DE10359507A1

DE10359507A1 - Ein optisches Longitudinalmodus-Verriegelungsrelais

Info

Publication number: DE10359507A1
Application number: DE10359507A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong; Arthur Colorado Springs Fong
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-18
Publication date: 2004-11-25
Also published as: JP2004318149A; US20040201322A1; TW200421380A; TWI291707B; GB2400683A; US6903490B2; GB2400683B; GB0407182D0

Abstract

Ein piezoelektrisches optisches Relaisarray mit einem oder mehreren Arrayelementen. Jedes Arrayelement enthält ein transparentes Spiegelgehäuse, das an dem Schnittpunkt von zwei optischen Wegen angeordnet ist. Ein Flüssigmetallfestkörperteil wird innerhalb eines Kanals bewegt, der durch das transparente Spiegelgehäuse verläuft, durch die Aktion von piezoelektrischen Elementen. Das Flüssigmetallfestkörperteil wird in das und aus dem transparenten Spiegelgehäuse bewegt, um zwischen den optischen Wegen auszuwählen. Wenn das Flüssigmetallfestkörperteil innerhalb des transparenten Spiegelgehäuses vorliegt, wird ein eingehendes optisches Signal von einer reflektierenden Oberfläche des Volumens reflektiert. Das Flüssigmetall des Volumens haftet an benetzbaren Metalloberflächen innerhalb des Kanals, um einen Verriegelungsmechanismus zu liefern.

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 Array", 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 Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal Optical Relay", 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;
US-Anmeldung mit dem Titel „Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
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;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
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 von optischen Schaltrelais und insbesondere auf ein piezoelektrisch aktiviertes optisches Relaisarray, das mit Hilfe eines Flüssigmetalls verriegelt wird.

Kommunikationssysteme, die optische Signale verwenden, erfordern die Verwendung von optischen Schaltern und Routern. Ein früher Lösungsansatz zum optischen Schalten war das Umwandeln des optischen Signals in ein elektrisches Signal unter Verwendung eines elektrischen Schalters oder Routers und dann das Rückumwandeln in ein optisches Signal. Bislang wurden optische Relais verwendet, bei denen ein elektrisches Steuerungssignal zum Steuern des Schaltens oder Routens eines optischen Signals verwendet wird. Opti sche Relais schalten üblicherweise optische Signale durch Verwenden bewegbarer Festkörperspiegel oder durch Verwenden der Erzeugung von Blasen in Flüssigkeit. Die bewegbaren Spiegel können elektrostatische Verriegelungsmechanismen verwenden, wohingegen Blasenschalter nicht verriegeln. Piezoelektrische Verriegelungsrelais verwenden entweder Restladungen in dem piezoelektrischen Material zum Verriegeln oder betätigen Schaltkontakte, die einen Verriegelungsmechanismus enthalten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein piezoelektrisches optisches Relaisarray, ein piezoelektrisches optisches Verriegelungsrelaisarray, ein mikrobearbeitetes, piezoelektrisches optisches Relaisarray und ein Auswahlverfahren mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Relaisarray gemäß Anspruch 1, 12, und 13 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 20 gelöst.

Diese Erfindung bezieht sich auf ein optisches Relaisarray, das ein Flüssigmetall als einen Schaltmechanismus und als einen Verriegelungsmechanismus verwendet, wie z. B. Wolfram. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein piezoelektrisches optisches Relaisarray, das eines oder mehrere Arrayelemente aufweist. Ein Arrayelement enthält ein transparentes Spiegelgehäuse, das an dem Schnittpunkt von zwei optischen Wegen angeordnet ist. Ein Flüssigmetallfestkörperteil bzw. Pfropfen (typischerweise metallisch) (Slug) wird durch die Aktion der piezoelektrischen Elemente innerhalb eines Kanals bewegt, der durch das transparente Spiegelgehäuse verläuft. Die Oberfläche des Flüssigmetallfestkörperteils bildet eine reflektierende Oberfläche. Das Flüssigmetallfestkörperteil wird in das oder aus dem transparenten Spiegelgehäuse bewegt, um zwischen den optischen Wegen auszuwählen. Wenn sich das Flüssigmetallfestkörperteil innerhalb des transparenten Spiegelgehäuses befindet, wird ein eingehendes optisches Signal von der reflektierenden Oberfläche des Flüssigmetalls reflektiert, ansonsten verläuft das optische Signal durch das transparente Gehäuse. Benetzbare Metalloberflächen innerhalb des Kanal stellen einen Verriegelungsmechanismus bereit.

Die als neue erachteten Merkmale der Erfindung werden detailliert in den beiliegenden Ansprüchen ausgeführt. Die Erfindung selbst jedoch, sowohl im Hinblick auf Organisation als auch Verfahren der Operation, zusammen mit Objekten und Vorteilen derselben, sind am besten verständlich mit Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung der Erfindung, die bestimmte exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschreibt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht eines optischen Relais, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
2 eine Draufsicht eines optischen Relais, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist konsistent;
3 eine Querschnittsansicht einer optischen Schicht eines optischen Relais, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
4 eine Querschnittsansicht eines optischen Relais, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
5 eine Querschnittsansicht einer optischen Schicht eines optischen Relaisarrays, das mit einem be stimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
6 eine Draufsicht einer Abdichtungsriemenschicht eines optischen Relaisarrays, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
7 eine Ansicht einer oberen Schaltungsschicht eines optischen Relaisarrays, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
8 eine Querschnittsansicht einer oberen Schaltungsschicht eines optischen Relaisarrays, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist;
9 eine Ansicht einer Beabstandungsschicht eines optischen Relaisarrays, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist; und
10 eine weitere Querschnittsansicht eines optischen Relais, das mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung konsistent ist.
Während diese Erfindung einem Ausführungsbeispiel in vielen unterschiedlichen Formen unterliegt, sind in den Zeichnungen eine oder mehrere spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt und werden hierin detaillierter beschrieben, mit dem Verständnis, daß die vorliegende Offenbarung als exemplarisch für die Prinzipien der Erfindung betrachtet werden soll und nicht die Erfindung auf die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränken soll. Bei der nachfolgenden Beschreibung werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um die gleichen, ähnliche oder entspre chende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen zu beschreiben.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Relais, das mit Hilfe eines Flüssigmetalls verriegelt, wie z. B. Quecksilber. Wenn ein kleines Volumen eines Flüssigmetalls eine Oberfläche benetzt, neigt die Oberflächenspannung des Flüssigmetalls dazu, das Flüssigmetall an der Oberfläche zu halten. Bei einem optischen Relais der vorliegenden Erfindung wird ein Flüssigmetallfestkörperteil verwendet, um einen optischen Weg zu blockieren oder zu entblocken. Oberflächenspannung wird als ein Verriegelungsmechanismus verwendet, um die Position des Flüssigmetallfestkörperteils beizubehalten.
Piezoelektrische Materialien und magnetorestriktive Materialien (nachfolgend gemeinschaftlich bezeichnet als „piezoelektrische" Materialien) werden deformiert, wenn ein elektrisches oder magnetisches Feld angelegt wird.
Das Relais arbeitet mit Hilfe der Längsdeformation eines piezoelektrischen Elements, wobei im Erweiterungsmodus ein Flüssigmetallfestkörperteil verdrängt wird, wodurch bewirkt wird, daß er zwischen zumindest einer Kontaktanschlußfläche auf dem piezoelektrischen Element oder Substrat und zumindest einer anderen festen Anschlußfläche benetzt, um den optischen Weg zu blockieren. Die selbe Bewegung, die bewirkt, daß das Flüssigmetallfestkörperteil die Position ändert, kann bewirken, daß die Blockierung des optischen Wegs zwischen der festen Anschlußfläche und einer Kontaktanschlußfläche auf dem piezoelektrischen Element oder Substrat in der Nähe derselben aufgehoben wird. Diese Bewegung des piezoelektrischen Elements ist schnell und bewirkt, daß das ausgeübte Momentum des Flüssigmetallfestkörperteils die Oberflächenspannungskräfte überwindet, die ihn in Kontakt mit der einen oder den mehreren Kontaktanschlußflächen in der Nähe des piezoelektrischen Betätigungselements halten würden. Der Schalter verriegelt mit Hilfe von Oberflächenspannung und dem Flüssigmetall, das die Kontaktanschlußflächen benetzt. Das Flüssigmetallfestkörperteil kann benetzbare Metallelemente in dem Hohlraum des optischen Weg benetzen, wodurch ein Spiegeleffekt erzeugt wird, der verwendet werden kann, um das optische Signal in einer unterschiedlichen Richtung umzuleiten.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird der Schalter unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken für eine geringe Größe hergestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Schaltzeit kurz (zum Vergleich haben piezoelektrisch getriebene thermische Tintenstrahldruckköpfe Abfeuerfrequenzen von mehren kHz und die Fluiddynamik bei der vorliegenden Erfindung ist viel einfacher als bei einem Tintenstrahldruckkopf). Wenig Wärme wird erzeugt, da die einzigen Wärmeerzeuger das piezoelektrische Element und der Verlauf von Steuerungs- und elektrischen Strömen durch die Leiter des Schalters sind. Das mikrobearbeitete optische Relais der vorliegenden Erfindung ist aus einer Anzahl von Schichten aufgebaut.
1 ist eine Seitenansicht eines optischen Relais 100 eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 1 enthält das Relais eine oberste Schaltungsschicht 202, eine oberste piezoelektrische Schicht 204, eine obere Abdichtungsriemenschicht 206, eine obere optische Schicht 102, eine mittlere Abdichtungsriemenschicht 210, eine untere optische Schicht 212, eine untere Abdichtungsriemenschicht 214, eine untere piezoelektrische Schicht 216 und eine untere Schaltungsschicht 218. Der Abschnitt 3-3 wird nachfolgend Bezug nehmend auf 3 erörtert. 2 ist eine Draufsicht des optischen Relais 100. Der Abschnitt 4-4 wird nachfolgend Bezug nehmend auf 4 erörtert.
3 ist eine Querschnittsansicht durch den Abschnitt 3-3 der optischen Schicht eines optischen Relais 100 eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Bezug nehmend auf 3 enthält die Schicht 102 einen ersten optischen Eingangsweg oder Wellenleiter 103 und einen ersten optischen Ausgangsweg oder Wellenleiter 104. Diese Wege sind optisch ausgerichtet, um einen direkten optischen Weg durch die Schicht zu bilden. Ein zweiter optischer Ausgangsweg oder Wellenleiter 106 schneidet den direkten optischen Weg. In Betrieb tritt ein optisches Signal in den Weg 103 ein (von links in der Figur) und verläuft entweder direkt durch das Relais über den Weg 104 oder wird abgelenkt, um das Relais durch den Weg 106 zu verlassen. Eine transparente, hohle Röhre 108 ist an dem Schnittpunkt der Wege 104 und 106 angeordnet. Die transparente, hohle Röhre 108 wird nachfolgend ebenfalls als ein transparentes Spiegelgehäuse bezeichnet. Die Achse der Röhre ist im wesentlichen senkrecht zu der Schicht 102. Röhren, die eine andere Form als eine dreieckige Querschnittsform aufweisen, können verwendet werden, eine Fläche der Röhre sollte jedoch planar und gewinkelt sein, so daß die Senkrechte zu der Fläche den Winkel zwischen dem Weg 104 und dem Weg 106 halbiert. In 3 liegen die Wege im rechten Winkel vor, so daß die Fläche mit 45° gewinkelt ist. Andere Winkel können verwendet werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Ein Flüssigmetallfestkörperteil 110 ist in einem Kanal positioniert, der durch die transparente Röhre 108 verläuft, und kann frei axial entlang des Kanals gleiten. Oberflächenspannung in dem Flüssigmetall neigt dazu, das Flüssigmetall in einem einzelnen Volumen zu halten. Wo die transparente Röhre durch die optische Schicht verläuft, sind die Ecken der transparenten Röhre mit einem benetzbaren Metall 112 gefüllt. Das Flüssigmetall wird über die Fläche der transparenten Röhre durch die Oberflächenspannung gezogen, die das Flüssigmetall zu dem benetzbaren Metall in den Ecken der Röhre zieht. Als ein Ergebnis ist die Oberfläche des Flüssigmetalls planar und hochreflektierend. Ein optisches Signal, das in den Kanal 103 eintritt, wird von der Oberfläche des Flüssigmetalls 108 reflektiert und tritt aus dem Relais durch den Kanal 106 aus. Wenn das Flüssigmetallfestkörperteil 110 aus dem Weg des optischen Signals bewegt wird, verläuft das optische Signal durch die transparente Röhre und tritt aus dem Relais durch den Kanal 104 aus. In Betrieb bewegt sich das Flüssigmetallfestkörperteil 110 axial entlang des Kanals durch die transparente Röhre. Verdrängtes Gas innerhalb des Kanals kann von einem Ende des Kanals zu dem anderen über eine Entlüftung 116 fließen. Optional kann ein zweiter optischer Eingangsweg 107 eingelagert sein, um ein Koppeln von optischen Relais in einem Array zu ermöglichen.
4 zeigt eine Querschnittsansicht entlang des Abschnitts 4-4 in 2. Das optische Relais 100 ist aus einer Anzahl von Schichten aufgebaut, die durch Mikrobearbeiten gebildet werden können. Eine obere Schaltungsschicht 202 enthält leitfähige Durchgangslöcher und elektrische Verbindungsanschlußflächen 222. Eine Beabstandungsschicht 204 umfaßt ein piezoelektrisches Element 220. Das piezoelektrische Element 220 ist konfiguriert, um sich in einem Ausdehnungsmodus parallel zu der Achse der transparenten Röhre (Spiegelgehäuse) 108 zu bewegen. Elektrische Antriebssignale werden zu dem piezoelektrischen Element 220 durch die leitenden Durchgangslöcher und Verbindungsanschlußflächen 222 geliefert. Eine obere Abdichtungsriemenschicht 206 hält das obere Ende der transparenten Röhre 108. In dieser Schicht ist die transparente Röhre mit einem benetzbaren Metall 114 verkleidet. Vorzugsweise deckt das benetzbare Metall alle Innenflächen der transparenten Röhre ab, um einen Abdichtungs-Riemen oder -Kontakt zu bilden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel erstreckt sich die transparente Röhre nicht in die Abdichtungsriemenschicht, und das benetzbare Metall ist an das Substrat der Schicht angebracht. Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel ist das benetzbare Metall an die Oberfläche des piezoelektrischen Elements angebracht. Wenn das Flüssigmetallfestkörperteil oben an der transparenten Röhre vorliegt, wie in 4 gezeigt ist, füllt das Flüssigmetall 110 den Raum zwischen den Abdichtungsriemen in der oberen Abdichtungsriemenschicht 206 und der unteren oberen Abdich tungsriemenschicht 210. Oberflächenspannung hält dann das Flüssigmetallfestkörperteil an Ort und Stelle, wodurch verhindert wird, daß derselbe sich innerhalb des Kanals bewegt, der durch die transparente Röhre verläuft. Die Kombination von benetzbaren Oberflächen und Flüssigmetall liefert einen Verriegelungsmechanismus für das Relais. Die Entlüftung (116 in 3) öffnet sich in die Abdichtungsriemenschicht 206. Die erste optische Schicht 102 enthält einen optischen Weg, durch den die transparente Röhre 108 verläuft. Eine mittlere Abdichtungsriemenschicht 210 hält die Mitte der transparenten Röhre 108. Bei dieser Schicht ist die transparente Röhre wiederum mit einem benetzbaren Metallabdichtungsriemen 114 verkleidet, um einen zusätzlichen Verriegelungsmechanismus bereitzustellen. Die Beabstandungsschicht 212 kann optional zusätzliche optische Wege enthalten. Die untere Abdichtungsriemenschicht 214 funktioniert auf dieselbe Weise wie die obere Abdichtungsriemenschicht. Die untere Abdichtungsriemenschicht liefert eine zusätzliche Verriegelung über untere Abdichtungsriemen 114, wenn das Flüssigmetallfestkörperteil 110 zu dem unteren Ende der transparenten Röhre 108 bewegt wird. Die untere Beabstandungsschicht 216 und die untere Schaltungsschicht 218 funktionieren genauso wie die entsprechenden oberen Schichten 204 bzw. 202.
5 zeigt einen Schnitt durch die optische Schicht eines optischen Relaisarrays, das ein rechteckiges Gitter aus optischen Relaiselementen aufweist. Das Ausführungsbeispiel, das in 5 gezeigt ist, weist neun Elemente auf, aber Arrays mit anderen Größen können verwendet werden. Das optische Relaisarray weist drei optische Eingangswege 103 und drei erste optische Ausgangswege 104 auf, die zusammen drei direkte optische Wege durch die Schicht bilden. Zusätzlich dazu sind drei zweite optische Ausgangswege 106 vorgesehen, die die drei direkten optischen Wege schneiden. Ein transparentes Spiegelgehäuse 108 ist an jedem der neun Schnittpunkte angeordnet. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse einen dreieckigen Querschnitt auf. Ein benetzbares Metall 112 füllt die zwei Ecken des transparenten Spiegelgehäuses 108 auf jeder Seite der planaren Fläche des Spiegelgehäuses. In der Nähe jedes Spiegelgehäuses ist eine Druckreduzierentlüftung 116 vorgesehen, die durch die optische Schicht 102 verläuft. Ein optisches Eingangssignal, das in das Relais an einem der optischen Eingangswege 103 eintritt, kann zu einem der zweiten optischen Ausgangswege 106 geleitet werden, durch Positionieren eines Flüssigmetallfestkörperteils an dem Schnittpunkt des optischen Eingangsweges und des optischen Ausgangsweges. Die reflektierende Oberfläche des benetzten Volumens lenkt das optische Signal entlang einem zweiten optischen Ausgangsweg ab. Alternativ, wenn kein Flüssigmetallfestkörperteil vorhanden ist, verläuft das optische Eingangssignal durch das transparente Spiegelgehäuse 108 und tritt aus dem Relais von dem entsprechenden ersten optischen Ausgangsweg 104 aus.
6 ist eine diagrammartige Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer oberen Abdichtungsriemenschicht 206 eines optischen Relaisarrays. Die Schicht enthält ein Array aus neun dreieckigen Löchern 402, durch die Flüssigmetallfestkörperteil verlaufen können. Jedes Loch ist mit einem benetzbaren Metallabdichtungs-Riemen oder -Kontakt 114 verkleidet. Optional kann das transparente Spiegelgehäuse durch die Abdichtungsriemenschicht verlaufen, wie in 4 gezeigt ist, wobei in diesem Fall das benetzbare Metall die Innenseite des transparenten Spiegelgehäuses auskleidet. Bezug nehmend wiederum auf 6 ist jedes Loch 402 durch einen Kanal 404 mit der Druckreduzierentlüftung 116 gekoppelt. Der Kanal 404 ermöglicht, daß Gas zwischen dem Loch und der Entlüftung fließt. Die mittlere Abdichtungsriemenschicht 210 weist einen ähnlichen Aufbau auf, umfaßt jedoch keine Kanäle 404. Die untere Abdichtungsriemenschicht 214 weist ebenfalls einen ähnlichen Aufbau auf, außer daß die Kanäle auf der unteren Oberfläche der Schicht vorliegen. Der Schnitt 10-10 wird nachfolgend Bezug nehmend auf 10 erörtert.
7 ist eine Ansicht der oberen Schaltungsschicht eines optischen Relaisarrays. Verbindungsanschlußflächen der elektrischen Leiter 222 sind auf der Oberseite der Schicht angeordnet, um eine Verbindung des Relais mit den elektrischen Signalen zu ermöglichen, die die piezoelektrischen Elemente des Arrays steuern. Eine Querschnittsansicht durch den Schritt 8-8 in 7 ist in 8 gezeigt. Dies zeigt, wie die Leiter durch Durchgangslöcher in der Schaltungsschicht verlaufen und eine Kopplung mit den piezoelektrischen Elementen 220 bilden. Die elektrischen Leiter koppeln mit der oberen und unteren Oberfläche des piezoelektrischen Elements und wirken, um ein elektrisches Potential über das piezoelektrische Element zu liefern. Die untere Schaltungsschicht 218 weist einen ähnlichen Aufbau auf .
Ein Ausführungsbeispiel einer Beabstandungsschicht des optischen Relaisarrays ist in 9 gezeigt. Die Beabstandungsschicht enthält ein Array aus Löchern 702, durch die Flüssigmetallfestkörperteile verlaufen können. Diese Löcher sind mit entsprechenden Löchern in den anderen Schichten ausgerichtet, um Kanäle zu bilden. Der Kanal ermöglicht es den Flüssigmetallfestkörperteilen, durch die Schichten zu verlaufen, um die direkten optischen Wege zu blockieren oder zu entblocken.
Ein diagonaler Querschnitt durch ein optisches Relaisarray ist in 10 gezeigt. Der Querschnitt, gezeigt als Schnitt 10-10 in 6, wird vertikal durch die Druckreduzierentlüftungen 116 genommen und zeigt, wie sich die Druckreduzierentlüftungen in das Innere des transparenten Spiegelgehäuses 108 öffnen. Die Öffnung 802 in der optischen Schicht 102 und andere entsprechende Öffnungen in der Schicht liegen an dem Schnittpunkt der optischen Eingangswege und der optischen Ausgangswege vor. Eine Öffnung 804 liegt an einem entsprechenden Schnittpunkt in dem optionalen unteren optischen Weg in der Beabstandungsschicht 214 vor. Der Klarheit halber sind weder die Flüssigmetallfest körperteile noch die elektrischen Leiter in 10 gezeigt. Die Druckreduzierentlüftungen 116 ermöglichen, daß Gas von einem Ende der hohlen Röhre 108 zu dem anderen Ende fließt, wenn sich das Flüssigmetallfestkörperteil innerhalb der Röhre bewegt. Die Druckreduzierentlüftungen 116 dienen ferner zum Dämpfen der Bewegung des Flüssigmetallfestkörperteils, wenn Gas durch die Entlüftung gedrängt wird.

Claims

Piezoelektrisches, optisches Relaisarray aus einem oder mehreren Arrayelementen, wobei ein Arrayelement aus dem einen oder den mehreren Arrayelementen folgende Merkmale aufweist: einen ersten optischen Eingangsweg (103); einen ersten optischen Ausgangsweg (104), der optisch mit dem ersten optischen Eingangsweg (103) ausgerichtet ist, um einen direkten optischen Weg zu bilden; einen zweiten optischen Ausgangsweg (106), der den ersten optischen Eingangsweg (103) schneidet; ein transparentes Spiegelgehäuse (108), das an dem Schnittpunkt des ersten optischen Eingangswegs (103) und des zweiten optischen Ausgangswegs (106) angeordnet ist; ein Flüssigmetallfestkörperteil (110), das angepaßt ist, um sich innerhalb eines Kanals zu bewegen, der durch das transparente Spiegelgehäuse (108) verläuft, wobei das Flüssigmetallfestkörperteil eine reflektierende Oberfläche aufweist; einen ersten piezoelektrischen Betätiger (220), der wirksam ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) innerhalb des Kanals zu bewegen, so daß es den direkten optischen Weg blockiert und einen reflektierten optischen Weg von dem ersten optischen Eingangsweg (103) zu dem zweiten optischen Ausgangsweg (106) schließt; und einen zweiten piezoelektrischen Betätiger (224), der betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) innerhalb des Kanals zu bewegen, um denselben aus dem direkten optischen Weg zu entfernen.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 1, bei dem das Arrayelement ferner eine Metallbeschichtung (114) aufweist, die auf einen Abschnitt des Inneren des transparenten Spiegelgehäuses (108) aufgebracht ist, wobei die Metallbeschichtung durch Flüssigmetall benetzbar ist.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 2, bei dem das transparente Spiegelgehäuse (108) eine dreieckige Röhre ist und die Metallbeschichtung (112) auf die Ecken des transparenten Spiegelgehäuses aufgebracht ist, wobei die Metallbeschichtung dazu neigt, zu bewirken, daß das Flüssigmetallfestkörperteil (110) eine reflektierende Oberfläche bildet.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem die Metallbeschichtung auf das innere des Kanals über und unter dem direkten und reflektierten optischen Weg aufgebracht ist und durch das Flüssigmetallfestkörperteil (110) benetzbar ist.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das erste piezoelektrische Element (220) betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einer ersten Richtung zu bewegen, durch Liefern einer Impulskraft zu einem ersten Ende des Flüssigmetallfestkörperteils (110), und bei dem das zweite piezoelektrische Element (224) betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einer zweiten Richtung zu bewegen, durch Liefern einer Impulskraft zu einem zweiten Ende des Flüssigmetallfestkörperteils (110).
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Arrayelement ferner eine Entlüftung (116) aufweist, die sich zu den Enden des Kanals öffnet und dieselben verbindet, wobei die Entlüftung angepaßt ist, um Druck in dem Kanal zu reduzieren, wenn das Flüssigmetallfestkörperteil (110) bewegt wird.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 6, bei dem die Entlüftung (116) dimensioniert und positioniert ist, um die Bewegung des Flüssigmetallfestkörperteils (110) zu dämpfen.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Arrayelement ferner einen zweiten optischen Eingangsweg (107) aufweist, der optisch mit dem zweiten optischen Ausgangsweg (106) ausgerichtet ist.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 8, bei dem das Array eine Mehrzahl von Arrayelementen aufweist, die in einem rechteckigen Gitter angeordnet sind.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das transparente Spiegelgehäuse sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Kanals erstreckt.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 10, bei dem das transparente Spiegelgehäuse (108) mit einem benetzbaren Metall über und unter den direkten und reflektierten optischen Wegen beschichtet ist.
Piezoelektrisches, optisches Verriegelungsrelaisarray, das folgende Merkmale aufweist: eine Mehrzahl von optischen Eingangswegen (103); eine Mehrzahl von ersten optischen Ausgangswegen (104), die optisch mit der Mehrzahl von optischen Eingangswegen (103) ausgerichtet sind, um eine Mehrzahl von direkten optischen Wegen zu bilden; eine Mehrzahl von zweiten optischen Ausgangswegen (106), die die Mehrzahl von optischen Eingangswegen an einer Mehrzahl von Schnittpunkten schneidet; und an jedem Schnittpunkt der Mehrzahl von Schnittpunkten ein Arrayelement, das folgende Merkmale aufweist: ein transparentes Spiegelgehäuse (108); ein Flüssigmetallfestkörperteil (110), das bewegbar innerhalb eines Kanals angeordnet ist, der durch das transparente Spiegelgehäuse (108) verläuft, wobei das Flüssigmetallfestkörperteil (110) eine reflektierende Oberfläche aufweist; eine ersten piezoelektrischen Betätiger (220), der betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in dem Kanal zu bewegen, so daß es einen direkten optischen Weg der Mehrzahl von direkten optischen Wegen blockiert und einen reflektierten optischen Weg von einem optischen Eingangsweg der Mehrzahl von optischen Eingangswegen (103) zu einem zweiten optischen Ausgangsweg (106) der Mehrzahl von optischen Ausgangswegen schließt; und einen zweiten piezoelektrischen Betätiger (224), der betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) innerhalb des Kanals zu bewegen, um das Flüssigmetallfestkörperteil aus einem direkten optischen Weg der Mehrzahl von direkten optischen Wegen zu entfernen.
Ein mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray, das folgende Merkmale aufweist: eine obere Beabstandungsschicht (204), die ein erstes piezoelektrisches Element (220) enthält; ein erstes Paar von elektrischen Verbindern (222), die elektrisch mit dem ersten piezoelektrischen Element (220) gekoppelt sind; eine obere Schicht (102) eines optischen Wegs, die einen ersten direkten optischen Weg und einen ersten reflektierten optischen Weg enthält, wobei der erste direkte optische Weg und der erste reflektierte optische Weg einen Schnittpunkt aufweisen; eine mittlere Beabstandungsschicht (212); eine untere Beabstandungsschicht (216), die ein zweites piezoelektrisches Element enthält (224); ein zweites Paar von elektrischen Verbindern, die elektrisch mit dem zweiten piezoelektrischen Element (224) gekoppelt sind; ein transparentes Spiegelgehäuse (108), das an dem Schnittpunkt des ersten direkten optischen Wegs und des zweiten reflektierten optischen Wegs angeordnet ist; und ein Flüssigmetallfestkörperteil (110), das bewegbar innerhalb eines Kanals positioniert ist, der durch das transparente Spiegelgehäuse (108) verläuft; wobei das erste piezoelektrische Element (220) betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) zu einer ersten Position zu bewegen, die aus dem er sten direkten optischen Weg entfernt ist, und bei dem das zweite piezoelektrische Element (224) betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) zu einer zweiten Position innerhalb des direkten optischen Wegs zu bewegen, wo er den ersten reflektierten optischen Weg schließt, durch Reflektieren von Licht von einer Oberfläche des Flüssigmetallfestkörperteils.
Mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 13, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine obere Abdichtungsriemenschicht (206) zwischen der oberen Beabstandungsschicht (204) und der oberen Schicht (102) des optischen Wegs, und die einen oberen benetzbaren Metallkontakt (114) enthält; eine mittlere Abdichtungsriemenschicht (210) zwischen der oberen Schicht (102) des optischen Wegs und der mittleren Beabstandungsschicht (212), und die einen mittleren benetzbaren Metallkontakt (114) enthält; und eine untere Abdichtungsriemenschicht (214) zwischen der mittleren Beabstandungsschicht (212) und der unteren Beabstandungsschicht (216), und die einen unteren benetzbaren Metallkontakt (114) enthält; wobei in einer ersten Position das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einem benetzten Kontakt mit den benetzbaren Metallkontakten (114) in der oberen und mittleren Abdichtungsriemenschicht steht und in einer zweiten Position das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in benetztem Kontakt mit den benetzbaren Metallkontakten (114) in der mittleren und unteren Abdichtungsriemenschicht steht.
Mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 14, bei dem der Kanal durch die obere, mittlere und untere Abdichtungsriemenschicht verläuft, und das ferner eine Druckreduzierentlüftung (116) aufweist, die sich zu dem Kanal in der oberen Abdichtungsriemenschicht (206) und der unteren Abdichtungsriemenschicht (214) öffnet.
Mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 14 oder 15, bei dem das hohle Transparenzgehäuse durch die obere (206), mittlere (210) und untere (214) Abdichtungsriemenschicht verläuft und ferner eine Druckreduzierentlüftung (116) aufweist, die sich zu dem hohlen Transparenzgehäuse (108) in der oberen Abdichtungsriemenschicht (206) und der unteren Abdichtungsriemenschicht (214) öffnet.
Mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem die mittlere Beabstandungsschicht (212) einen zweiten direkten optischen Weg und einen zweiten reflektierten optischen Weg enthält.
Mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, bei dem die obere Schicht des optischen Wegs eine Mehrzahl von ersten direkten optischen Wegen und eine Mehrzahl von ersten reflektierten optischen Wegen enthält.
Mikrobearbeitetes, piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine obere Schaltungsschicht (202), die auf der oberen Beabstandungsschicht (204) positioniert ist; eine untere Schaltungsschicht (218), die unter der unteren Beabstandungsschicht (216) positioniert ist, wobei das erste Paar aus elektrischen Verbindern (222) durch die obere Schaltungsschicht (202) verläuft und in einem ersten Paar von Verbindungsanschlußflächen endet, und das zweite Paar von elektrischen Verbindern (226) durch die untere Schaltungsschicht (218) verläuft und in einem zweiten Paar von Verbindungsanschlußflächen endet.
Verfahren zum Wählen zwischen einem direkten optischen Weg und einem reflektierten optischen Weg in einem piezoelektrischen optischen Array, das ein Flüssigmetallfestkörperteil (110) aufweist, das durch ein erstes piezoelektrisches Element (220) und ein zweites piezoelektrisches Element (224) bewegbar ist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Koppeln eines optischen Eingangssignals mit einem optischen Eingangswellenleiter (103) des piezoelektrischen optischen Relais, wobei der optische Eingangswellenleiter optisch mit einem ersten optischen Ausgangswellenleiter (104) ausgerichtet ist, um den direkten optischen Weg zu bilden; wenn der direkte optische Weg ausgewählt werden soll: Anlegen eines elektrischen Impulses an das erste piezoelektrische Element (220), um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) aus dem direkten optischen Weg zu bewegen, wodurch der optische Eingangswellenleiter (103) optisch mit dem ersten optischen Ausgangswellenleiter (104) gekoppelt wird; und wenn der reflektierte optische Weg ausgewählt werden soll: Anlegen eines elektrischen Impulses an das zweite piezoelektrische Element (224), um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in den direkten optischen Weg zu be wegen, wodurch das optische Eingangssignal von einer Oberfläche des Flüssigmetallfestkörperteils (110) in einen zweiten optischen Ausgangswellenleiter (106) reflektiert wird, um den reflektierten optischen Weg zu schließen.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, bei dem das Arrayelement ferner eine Metallbeschichtung (114) aufweist, die auf einen Abschnitt des Inneren des transparenten Spiegelgehäuses (108) aufgebracht ist, wobei die Metallbeschichtung durch Flüssigmetall benetzbar ist.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, bei dem das transparente Spiegelgehäuse (108) eine dreieckige Röhre ist, das ferner eine Metallbeschichtung (112) aufweist, die auf die Ecken des transparenten Spiegelgehäuses aufgebracht ist, wobei die Metallbeschichtung dazu neigt, zu bewirken, daß das Flüssigmetall eine reflektierende Oberfläche bildet, die die planare Oberfläche des Flüssigmetallfestkörperteils (110) abdeckt.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, bei dem das erste piezoelektrische Element (220) betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einer ersten Richtung zu bewegen, durch Liefern einer Impulskraft zu einem ersten Ende des Flüssigmetallfestkörperteils (110), und bei dem das zweite piezoelektrische Element (224) betreibbar ist, um das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einer zweiten Richtung zu bewegen, durch Liefern einer Impulskraft zu einem zweiten Ende des Flüssigmetallfestkörperteils (110).
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, bei dem das Arrayelement ferner eine Entlüftung (116) aufweist, die sich zu den Enden des Ka nals öffnet und dieselben verbindet, wobei die Entlüftung (116) angepaßt ist, um Druck in dem Kanal zu reduzieren, wenn das Flüssigmetallfestkörperteil (110) bewegt wird.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, bei dem die Entlüftung (116) dimensioniert und positioniert ist, um die Bewegung des Flüssigmetallfestkörperteils (110) zu dämpfen.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine obere Beabstandungsschicht (204), die ein erstes piezoelektrisches Element (220) von jedem Arrayelement enthält; eine obere Schicht (102) eines optischen Wegs, die eine Mehrzahl von optischen Eingangswegen (103), die Mehrzahl von ersten optischen Ausgangswegen (104) und die Mehrzahl von zweiten optischen Ausgangswegen (106) enthält; eine mittlere Beabstandungsschicht (212); und eine untere Beabstandungsschicht (216), die das zweite piezoelektrische Element (224) von jedem Arrayelement enthält.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine obere Abdichtungsriemenschicht (206) zwischen der oberen Beabstandungsschicht (204) und der oberen Schicht (102) des optischen Wegs, und die einen oberen benetzbaren Metallkontakt (114) aufweist; eine mittlere Abdichtungsriemenschicht (210) zwischen der oberen Schicht (102) eines optischen Wegs und der mittleren Beabstandungsschicht (212), und die einen mittleren benetzbaren Metallkontakt (114) enthält; und eine untere Abdichtungsriemenschicht (214) zwischen der mittleren Beabstandungsschicht (212) und der unteren Beabstandungsschicht (216), und die einen unteren benetzbaren Metallkontakt (114) enthält; wobei in einer ersten Position das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einem benetzten Kontakt mit den benetzbaren Metallkontakten (114) in der oberen und mittleren Abdichtungsriemenschicht ist, und wobei in einer zweiten Position das Flüssigmetallfestkörperteil (110) in einem benetzten Kontakt mit den benetzbaren Metallkontakten (114) in der mittleren und unteren Abdichtungsriemenschicht ist.
Piezoelektrisches, optisches Relaisarray gemäß Anspruch 12, das ferner folgende Merkmale aufweist: eine obere Schaltungsschicht (202), die auf der oberen Beabstandungsschicht (204) positioniert ist; eine untere Schaltungsschicht (218), die unter der unteren Beabstandungsschicht (216) positioniert ist; ein erstes Paar von elektrischen Verbindern (222), die durch die obere Schaltungsschicht (202) verlaufen und in einem ersten Paar von Verbindungsanschlußflächen enden; und ein zweites Paar von elektrischen Verbindern (226), die durch die untere Schaltungsschicht (218) verlaufen und in einem zweiten Paar von Verbindungsanschlußflächen enden.