DE60004139T2

DE60004139T2 - Optische Schaltvorrichtung und Verfahren zur Verbesserung der Schalteigenschaften mit Flüssigkeitsdrucksteuerung

Info

Publication number: DE60004139T2
Application number: DE60004139T
Authority: DE
Inventors: Stefano Schiaffino; Mark Troll; Dale W. Schroeder
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-07-07
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: EP1067421A2; JP4828684B2; EP1067421A3; DE60004139D1; JP2001042235A; US6188815B1; EP1067421B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Schalter und insbesondere auf einen optischen Schalter auf der Basis einer inneren Totalreflexion, der den Fluiddruck in dem Schalter steuert, um Schaltcharakteristika zu verbessern.
Stand der Technik
Einige intern reflektierende optische Schalter ändern Zustände durch Bilden einer Blase in einer Flüssigkeit, die an der Schnittstelle von verschiedenen Wellenleitersegmenten positioniert ist. Beispielsweise beschreibt das U.S.-Patent Nr. 5,699,462 mit dem Titel „Total Internal Reflection Optical Switches Employing Thermal Activation" einen optischen Schalter, der Blasen verwendet, um Zustände zu ändern.
Wie es durch 1 gezeigt ist, weist der Schalter 15, der durch das vorhergehende Patent beschrieben ist, Segmente 22–25 aus Kernmaterial auf, die durch Umhüllungsmaterial 27 umgeben sind. Die Segmente 22 und 23 sind durch einen Graben 32, der mit einem Liquid 34 gefüllt ist, von den Segmenten 24 und 25 getrennt (2). Der Brechungsindex der Flüssigkeit 34 ist nahe zu oder gleich dem Brechungsindex der Segmente 22–24. Daher wird in einem ersten Zustand des Schalters 15 ein optisches Signal, das durch das Segment 22 verläuft, nicht wesentlich reflektiert oder gebrochen, wenn es den Graben 32 erreicht. Statt dessen verläuft das optische Signal von dem Segment 22 durch die Flüssigkeit 34 und dann in das Segment 24.
Der Graben 32 umfaßt auch eine Erwärmungsvorrichtung 35 (2), die auf einem Substrat 38 positioniert ist, das verwendet werden kann, um den Zustand des Schalters 15 zu schalten. Die Erwärmungsvorrichtung 35 umfaßt eine Steuerschaltungsanordnung zum selektiven Erhöhen oder Verringern der Wärmemenge, die durch die Erwärmungsvorrichtung 35 erzeugt wird. Um den Zustand des Schalters 15 zu schalten, wird die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 erhöht, bis die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 den Siedepunkt der Flüssigkeit 34 überschreitet, um dadurch zu bewirken, daß sich eine Blase 41 in der Flüssigkeit 34 bildet, wie es in 3 gezeigt ist. Die Blase 41 hat einen Brechungsindex, der sich im wesentlichen von dem Brechungsindex für die Flüssigkeit 34 und die Segmente 22– 25 unterscheidet, und die Blase 41 erstreckt sich von dem Segment 22 zu dem Segment 24. Daher wird ein optisches Signal, das durch das Segment 22 verläuft, an der Grenzfläche des Segments 22 und der Blase 41 reflektiert. Folglich wird ein optisches Signal, das durch das Segment 22 übertragen wird, an der Grenze zwischen dem Segment 22 und der Blase 41 reflektiert und verläuft entlang dem Segment 23 anstatt dem Segment 24.
Um den Schalter 15 zurück in seinen ursprünglichen Zustand zu bringen, wird die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 verringert, bis die Blase 41 kollabiert. Anders ausgedrückt, die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 wird auf den oder unter den Siedepunkt der Flüssigkeit 34 verringert. Sobald die Blase 41 kollabiert, werden die optischen Signale, die entlang dem Segment 22 verlaufen, nicht mehr an dem Ende des Segments 22 reflektiert, und die optischen Signale verlaufen daher in das Segment 24 anstatt in das Segment 23.
Es entsteht jedoch ein Problem mit dem Schalter 15, wenn sich eine Blase 42 (4) unbeabsichtigt in dem Graben 32 bildet. Unter bestimmten Bedingungen bildet sich eine unbeabsichtigte Blase 42 in dem Graben 32, auch wenn die Erwärmungsvorrichtung 35 unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit 34 ist. In diesem Zustand werden Signale, die entlang dem Segment 22 verlaufen, zu dem Segment 23 reflektiert, unabhängig von der Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35.
Beispielsweise beschreibt die JP04264415 (Patentzusammenfassungen von Japan) einen optischen Schalter, der zwei Erwärmungsvorrichtungen aufweist, um den Schalter zu betreiben. Der optische Schalter besteht aus einer Kommunikationsröhre 10, die einen ersten Anschluß 11 und einen zweiten Anschluß 12 mit der gleichen Form aufweist. Der erste Anschluß 11 ist an dem Grenzflächenteil des Kerns 1 eines optischen Wellenleiters angeordnet. Ein Zwischenteil 13 ist zwischen dem ersten Anschluß 11 und dem zweiten Anschluß 12 angeordnet, wobei eine Flüssigkeit 20 hermetisch geladen wird um einen solchen Betrag, daß die Flüssigkeit weder in dem ersten Anschluß 11 noch dem zweiten Anschluß 12 geladen ist. In der Nähe des ersten Anschlusses 11 ist eine erste Heizvorrichtung 31, und in der Nähe des zweiten Anschlusses 12 ist eine zweite Heizvorrichtung 32 vorgesehen, wobei die Flüssigkeit 20, die in dem ersten und zweiten Anschluß 11, 12 geladen ist, durch die erste oder die zweite Heizvorrichtung 31, 32 erwärmt wird, um den Dampfdruck des ersten Anschlusses 11 höher zu machen als den des zweiten Anschlusses 12 oder umgekehrt. Folglich wird die Flüssigkeit 20 zu dem ersten oder zweiten Anschluß 11, 12 bewegt, um die Flüssigkeit 20 zwischen den Kernen 1 des optischen Wellenleiters zu laden oder zu entfernen.
Somit besteht ein nichtadressierter Bedarf in der Industrie an einem Gerät und Verfahren zum Steuern der Bildung von Blasen in optischen Schaltern, so daß die Blasen sich nicht unbeabsichtigt in dem Graben bilden und den Betrieb des Schalters unterbrechen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet die Unzulänglichkeiten und Mängel des Stands der Technik, wie er oben erörtert wurde. Im allgemeinen liefert die vorliegende Erfindung ein Gerät und Verfahren zum Verhindern von Schaltfehlern, die durch die unbeabsichtigte Bildung von Blasen in optischen Schaltern bewirkt werden.
Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Substrat, ein erstes Wellenleitersegment, ein zweites Wellenleitersegment, eine Erwärmungsvorrichtung, eine Flüssigkeit und einen Drucksteuermechanismus. Das Substrat ist mit dem ersten Wellenleitersegment und dem zweiten Wellenleitersegment gekoppelt, und das Substrat umfaßt eine Kammer, die das erste Wellenleitersegment von dem zweiten Wellenleitersegment trennt. Die Flüssigkeit wird in der Kammer angeordnet und spricht auf die Erwärmungsvorrichtung an. Der Drucksteuermechanismus steuert den Druck in der Kammer, so daß verhindert wird, daß sich zwischen dem ersten Wellenleitersegment und dem zweiten Wellenleitersegment unbeabsichtigte Blasen bilden.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht die Kammer aus einem ersten Fach und einem zweiten Fach. Die beiden Fächer sind durch einen Durchgang miteinander verbunden, der sich von dem ersten Fach zu dem zweiten Fach erstreckt. Um den Druck in der Kammer zu steuern, steuert der Drucksteuermechanismus die Temperatur der Flüssigkeit in dem zweiten Fach.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht der Drucksteuermechanismus aus einem Kolben und einer Betätigungsvorrichtung. Um den Druck in der Kammer zu erhöhen, bewegt die Betätigungsvorrichtung den Kolben in eine Richtung, und um den Druck in der Kammer zu verringern, bewegt die Betätigungsvorrichtung den Kolben in der entgegengesetzten Richtung.
Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung kann der Drucksteuermechanismus eine Substanz in die Kammer injizieren und/oder aus derselben entfernen, um den Druck in der Kammer zu steuern.
Die vorliegende Erfindung kann auch so gesehen werden, daß sie ein Verfahren zum Schalten optischer Signale liefert. Das Verfahren umfaßt die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten Wellenleitersegments, eines zweiten Wellenleitersegments und eines dritten Wellenleitersegments; Bereitstellen eines Substrats, wobei das Substrat eine Kammer umfaßt, die mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, wobei die Kammer das erste Wellenleitersegment von dem zweiten Wellenleitersegment trennt; Bereitstellen einer Erwärmungsvorrichtung; Bilden einer Blase in der Flüssigkeit durch Erhöhen der Temperatur der Erwärmungsvorrichtung von einer ersten Temperatur zu einer zweiten Temperatur; und Einstellen eines Drucks in der Kammer, so daß optische Signale, die über das erste Wellenleitersegment übertragen werden, durch die Kammer und in das zweite Wellenleitersegment verlaufen, wenn die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung bei der ersten Temperatur ist, und derart, daß optische Signale, die über das erste Wellenleitersegment übertragen werden, an einer Grenze der Blase reflektiert werden und über das dritte Wellenleitersegment übertragen werden, wenn die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung bei der zweiten Temperatur ist.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für einen Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich bei der Untersuchung der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn dieselbe in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird. Es ist beabsichtigt, daß alle solche Merkmale und Vorteile hierin enthalten sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist mit Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen besser verständlich. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht bezüglich zueinander, statt dessen wird der Schwerpunkt darauf gelegt, die vorliegende Erfindung klar darzustellen. Ferner bezeichnen gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten.
1 ist eine Draufsicht eines herkömmlichen optischen Schalters.
2 ist eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Schalters.
3 ist eine Querschnittsansicht, die den Schalter von 2 darstellt, wenn sich eine Blase richtig in der Flüssigkeit gebildet hat, die zumindest zwei Wellenleitersegmente trennt.
4 ist eine Querschnittsansicht, die den Schalter von 2 darstellt, wenn sich eine Blase unbeabsichtigt in der Flüssigkeit gebildet hat, die zumindest zwei Wellenleitersegmente trennt.
5 ist eine Draufsicht eines optischen Schalters der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht des in 5 dargestellten Schalters.
7 ist ein Flußdiagramm, das die Architektur und Funktionalität des Drucksteuermechanismus von 6 darstellt.
8 ist ein Blockdiagramm, das den Drucksteuermechanismus von 6 darstellt.
9 ist eine Querschnittsansicht, die den Schalter von 6 darstellt, wenn der Drucksteuermechanismus aus einer Betätigungsvorrichtung und einem Kolben besteht.
10 ist ein Blockdiagramm, das den Drucksteuermechanismus von 9 darstellt.
11 ist eine Seitenansicht, die die Kammer und den Drucksteuermechanismus von 6 darstellt, wenn der Drucksteuermechanismus einen Injektor umfaßt.
12 ist ein Blockdiagramm, das den Drucksteuermechanismus von 11 darstellt.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Bildung unbeabsichtigter Blasen 42 in dem Graben 32 eines intern reflektierenden Schalters 15, wie sie in dem Hintergrundabschnitt und 4 beschrieben ist, normalerweise durch Wärme induziert wird, die sich von der Erwärmungsvorrichtung 35 durch das Substrat 38 verteilt. In dieser Hinsicht erhöht sich die Temperatur des Substrats 38 häufig allmählich, während die Erwärmungsvorrichtung 35 wiederholt Wärme erzeugt. Wenn der Schalter 15 einer eines Arrays von ähnlichen Schaltern ist, kann Wärme, die durch nahe Erwärmungsvorrichtungen erzeugt wird, die den anderen Schaltern zugeordnet sind, ebenfalls allmählich die Temperatur des Substrats 38 erhöhen.
Als Folge kann das Substrat 38 ausreichend heiß werden, um die Bildung einer unbeabsichtigten Blase 42 in dem Graben 32 zu induzieren, wie es durch 4 gezeigt ist. Anders ausgedrückt, die Temperatur des Substrats 38 in verschiede nen Positionen kann den Siedepunkt der Flüssigkeit 34 überschreiten und dadurch die Bildung einer unbeabsichtigten Blase 42 in der Flüssigkeit 34 induzieren. Diese Blase 42 plaziert den Schalter 15 in einen reflektierenden Zustand, unabhängig von dem Zustand (d. h. der Temperatur) der Erwärmungsvorrichtung 35. Darüber hinaus, solange die Temperatur des Substrats 38 eine unbeabsichtigte Blase 42 von ausreichender Größe induziert, um die optischen Signale zu reflektieren, die durch das Segment 22 übertragen werden, wird jedes Signal, das durch das Segment 22 übertragen wird, entlang des Segments 23 reflektiert, und das Steuern der Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 ist unwirksam beim Steuern des Zustands des Schalters 15.
Im allgemeinem liefert die Erfindung einen verbesserten optischen Schalter 50 (5), der ähnlich ist wie der in 1 bis 3 dargestellte herkömmliche Schalter 15. Anders als der herkömmliche Schalter 15 umfaßt der Schalter 50 der vorliegenden Erfindung jedoch einen Drucksteuermechanismus 52 (6), der den Druck steuert, der an die Flüssigkeit 34 angelegt wird. Der Drucksteuermechanismus 52 behält den Druck bei einem ausreichend hohen Pegel, so daß Wärme von dem Substrat 38 keine unbeabsichtigte Blasenbildung in der Flüssigkeit 34 induziert. Daher werden die Schaltcharakteristika des Schalters 50 durch die Temperatur des Substrats 38 nicht wesentlich beeinträchtigt.
Mit Bezugnahme auf 5 und 6 bildet das Umhüllungsmaterial 27 von Schalter 50 ein Substrat, mit dem die Wellenleitersegmente 22–25 gekoppelt sind. Das Substrat des Umhüllungsmaterials 27 umfaßt eine Kammer 54, die die Wellenleitersegmente 22 und 23 von den Wellenleitersegmenten 24 bzw. 25 trennt. Die Kammer 54 ist mit einer Flüssigkeit 34 gefüllt, und es ist vorzuziehen, daß die Kammer 54 hermetisch abgedichtet ist, und daß die Flüssigkeit 34 entgast ist, obwohl Flüssigkeiten 34, die nicht entgast wurden, ebenfalls verwendet werden können. In der Kammer 54 ist ein Substrat 38 positioniert, mit dem eine Erwärmungsvorrichtung 35 gekoppelt ist.
In einem ersten Zustand des Schalters 50 ist die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 bei einer ersten Temperatur, die an oder unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit 34 ist. Daher besteht in der Flüssigkeit 34 zwischen den Wellenleitersegmenten 22 und 24 keine Blase. Der Brechungsindex der Flüssigkeit 34 sollte ausreichend gut mit dem Brechungsindex der Wellenleitersegmente 22–25 übereinstimmen, so daß Licht in und durch die Flüssigkeit 34 verläuft, ohne die Richtung wesentlich zu ändern. Daher verläuft in dem ersten Zustand des Schalters 50 das optische Signal, das über das Segment 22 in den Schalter 50 eingegeben wird, durch die Flüssigkeit 34 und in das Segment 24.
In einem zweiten Zustand des Schalters 50 ist die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 zu einer zweiten Temperatur erhöht, die über dem Siedepunkt der Flüssigkeit 34 liegt. In diesem Zustand bewirkt die Wärme von der Erwärmungsvorrichtung 35, daß sich eine Blase 41 in der Flüssigkeit 34 bildet, wie es in 3 gezeigt ist. Die Blase 41 erstreckt sich vorzugsweise von dem Ende des Segments 22 zu dem Ende des Segments 24. Daher wird ein optisches Signal, das über das Segment 22 in den Schalter 50 eingegeben wird, an der Grenzfläche des Segments 22 und der Blase 41 reflektiert und verläuft aus dem Schalter 50 über das Segment 23.
Wie es durch 6 gezeigt ist, umfaßt der Schalter 50 einen Drucksteuermechanismus 52, der den Druck in der Kammer 54 steuert. Der Drucksteuermechanismus 52 erhält den Druck in der Kammer 54 in einem Bereich bei, der eine unbeabsichtigte Blasenbildung verhindert, aber es ermöglicht, daß die Wärme von der Erwärmungsvorrichtung 35 eine Blase 41 in der Kammer 54 bildet, wenn der Schalter 50 in seinem zweiten Zustand ist.
In dieser Hinsicht, während sich der Druck in der Kammer 54 erhöht, erhöht sich der Siedepunkt der Flüssigkeit 34, und während sich der Druck in der Kammer 54 verringert, verringert sich der Siedepunkt der Flüssigkeit 34. Ferner sollte die Temperatur des Substrats 38 fortlaufend geringer sein als die oben erwähnte zweite Temperatur, da das Erwärmen des Substrats 38 im wesentlichen bewirkt wird durch das Erwärmen der Erwärmungsvorrichtung 35 zu der zweiten Temperatur oder das Erwärmen naher ähnlicher Erwärmungsvorrichtungen zu der zweiten Temperatur.
Da sich der Siedepunkt der Flüssigkeit 34 mit dem Druck in der Kammer 54 ändert, und da die Temperatur des Substrats 38 fortlaufend geringer sein sollte als die zweite Temperatur, gibt es einen Druckbereich in der Kammer 54, der den Siedepunkt der Flüssigkeit 34 auf eine Temperatur in dem Bereich zwischen der Temperatur des Substrats 38 und der zweiten Temperatur einstellt. Solange der Druck in der Kammer 54 in diesem Druckbereich beibehalten wird, verhindert der Druck, daß die Wärme von dem Substrat 38 die Bildung einer unbeabsichtigten Blase 42 in der Flüssigkeit 34 induziert, und ermöglicht es, daß sich lediglich ansprechend auf die Wärme von der Erwärmungsvorrichtung 35 eine Blase 41 in der Flüssigkeit 34 bildet.
Falls jedoch der Druck in der Kammer 54 unter dem Minimum dieses oben erwähnten Druckbereichs liegt, kann die Wärme von dem Substrat 38 bewirken, daß sich eine unbeabsichtigte Blase 42 in der Flüssigkeit 34 bildet. Dies bringt den Schalter 50 unbeabsichtigt in einen reflektierenden Zustand (d. h. in seinen zweiten Zustand) . Falls der Druck in der Kammer 54 höher ist als dieser oben erwähnte Druckbereich, kann es sein, daß die Wärme von der Erwärmungsvorrichtung 35 nicht ausreicht, um die Bildung einer Blase 41 in der Flüssigkeit 34 zu induzieren, wenn die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 bei der zweiten Temperatur ist.
Um folglich sicher zu stellen, daß der Schalter 50 nur ansprechend auf die Erwärmungsvorrichtung 35 arbeitet, behält der Drucksteuermechanismus 52 den Druck in der Kammer 54 in dem oben erwähnten Druckbereich bei.
Verschiedene Verfahren und Geräte können verwendet werden, um den Druck in der Kammer 54 zu steuern. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Druck in der Kammer 54 durch Steuern der Temperatur eines Teils der Flüssigkeit 34 gesteuert. Wie es durch 5 und 6 gezeigt ist, besteht die Kammer 54 des bevorzugten Ausführungsbeispiels aus zwei Fächern 55 und 58 und einem Durchgang 62. Der Durchgang 62 erstreckt sich von dem Fach 55 zu dem Fach 58, und Flüssigkeit 34 entweder von dem Fach 55 oder dem Fach 58 kann durch den Durchgang 62 zu dem anderen Fach 55 oder 58 fließen.
In der durch 6 gezeigten Konfiguration umfaßt der Drucksteuermechanismus 52 eine Erwärmungsvorrichtung, die Wärme erzeugt, um die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 zu steuern. Das Fach 58 ist teilweise mit Flüssigkeit 34 und teilweise mit Dampf gefüllt, und die Flüssigkeit 34 ist im Gleichgewicht mit. dem Dampf. Wie es in der Technik bekannt ist, variiert der Druck eines Zweiphasenflüssigkeits-/Dampfsystems in einer abgedichteten Kammer proportional zu der Temperatur. Daher steuert der Drucksteuermechanismus 52 durch Steuern der Temperatur in dem Fach 58 den Druck in der Kammer 54.
Obwohl es wünschenswert ist, daß der Drucksteuermechanismus 52 die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 beeinträchtigt, so daß der geeignete Druckbereich in der Kammer 54 beibehalten werden kann, ist es nicht allgemein wünschenswert, daß die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 wesentlich durch den Drucksteuermechanismus 52 beeinträchtigt wird. In dieser Hinsicht beeinträchtigt das lindern der Temperatur der Flüssigkeit 34 den Brechungsindex der Flüssigkeit 34. Da die optischen Signale von den Seg menten 22–25 durch die Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 verlaufen, ist es wünschenswert, daß der Brechungsindex der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 konstant ist, um die Dämpfung der optischen Signale zu minimieren. Daher sollte die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 konstant gehalten werden, um Schwankungen bei dem Brechungsindex der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 zu minimieren.
Das Trennen der Flüssigkeit 34 in zwei Fächer 55 und 58, wie es durch 6 gezeigt ist, trägt dazu bei, die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 konstant zu halten. In dieser Hinsicht behindert der relativ kleine Querschnittsbereich des Durchgangs 62 die Übertragung von Wärme zwischen der Flüssigkeit 34 in den beiden Fächern 55 und 58. Der Durchgang 62 kommuniziert jedoch den Druck in dem Fach 58 zu der gesamten Kammer 54. Daher beeinträchtigt eine Temperaturänderung der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 nicht wesentlich, aber ändert den Druck in der gesamten Kammer 54 schnell. Folglich trägt das Trennen der Kammer 54 in zwei Fächer 55 und 58 dazu bei, die Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 bei einer konstanten Temperatur zu halten, ohne die Fähigkeit des Drucksteuermechanismus 52, den Druck durch die Kammer 54 zu bestimmen, wesentlich zu behindern.
Es sollte angemerkt werden, daß die Temperatur der Flüssigkeit 34 weniger beeinträchtigt ist durch Temperaturänderungen des Fachs 58 für kleinere Querschnittsbereiche des Durchgangs 62. Daher sollte der Querschnittsbereich des Durchgangs 62 so klein wie möglich sein, um mit einer Fähigkeit übereinzustimmen, eine Druckänderung zwischen den beiden Fächern 55 und 58 zu kommunizieren.
7 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben des Schalters 50 zeigt. Beim Betrieb kann der Schalter 50 überwacht werden, wie es durch die Blöcke 65 und 67 von 7 dargestellt ist, wenn die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 bei der ersten Temperatur ist, die unterhalb des Siedepunkts der Flüssigkeit 34 sein sollte. In dieser Hinsicht wird eine Bestimmung durchgeführt, ob ein optisches Signal, das über das Segment 22 in den Schalter 50 eingegeben wird, über das Segment 24 oder das Segment 23 ausgegeben wird, wie es durch die Blöcke 69 und 71 von 7 gezeigt ist. Falls das Signal über das Segment 24 ausgegeben wird, ist der Druck in der Kammer 54 ausreichend hoch, und die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 muß nicht erhöht werden. Daher behält der Drucksteuermechanismus 52 den Druck in der Kammer 54 bei, durch Beibehalten der Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58, wie es durch Block 73 von 7 gezeigt ist. Falls jedoch das optische Signal über das Segment 23 ausgegeben wird, hat sich eine unbeabsichtigte Blase 42 in der Flüssigkeit 34 gebildet. In diesem Fall sollte der Druck in der Kammer 54 erhöht werden, um die unbeabsichtigte Blase 42 kollabieren zu lassen, wie es durch Block 74 von 7 gezeigt ist.
Beim Implementieren der Blöcke 69, 71 und 74 ist die Wärme, die durch den Drucksteuermechanismus 52 erzeugt wird, erhöht, bis die optischen Signale, die über das Segment 22 in den Schalter 50 eingegeben werden, über das Segment 24 ausgegeben werden. Während die Wärme von dem Drucksteuermechanismus 52 die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 erhöht, erhöht sich der Druck in der Kammer 54, und die Größe der unbeabsichtigten Blase 42 fällt zusammen. Sobald die optischen Signale, die über das Segment 22 eingegeben werden, über das Segment 24 ausgegeben werden, ist die Wärme von dem Substrat 38 nicht ausreichend, um den Betrieb des Schalters 50 wesentlich zu beeinträchtigen, und das weitere Erhöhen der Temperatur des Fachs 58 ist nicht notwendig. Dann, wie es durch Block 73 von 7 gezeigt ist, erwärmt der Drucksteuermechanismus 52 die Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 weiter, wie es notwendig ist, um den Druck in dem Fach 55 beizubehalten.
Der Schalter 50 wird auch überwacht, wie es durch Block 77 von 7 dargestellt ist, wenn die Temperatur der Erwär mungsvorrichtung 35 bei der zweiten Temperatur ist, was über dem Siedepunkt der Flüssigkeit 34 sein sollte. Wenn die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung 35 bei der zweiten Temperatur ist, sollte sich aufgrund der Wärme, die durch die Erwärmungsvorrichtung 35 erzeugt wird, in der Kammer 54 eine Blase 41 bilden. Daher sollten optische Signale, die über das Segment 22 eingegeben werden, an der Grenzfläche der Blase 41 und dem Ende des Segments 22 reflektiert werden, und die optischen Signale sollten daher über das Segment 23 ausgegeben werden. Falls die optischen Signale in der Tat über das Segment 23 ausgegeben werden, ist der Druck in der Kammer 54 gering genug, um es zu ermöglichen, daß die Erwärmungsvorrichtung 35 eine Blase 41 erzeugt. Daher behält der Drucksteuermechanismus 52 den Druck in der Kammer 54 bei, durch Beibehalten der Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58, wie es durch Blöcke 73, 78 und 79 von 7 gezeigt ist. Falls die optischen Signale jedoch statt dessen über das Segment 24 ausgegeben werden, ist der Druck in der Kammer 54 zu hoch, um es der Blase 41 zu ermöglichen, sich ansprechend auf die Wärme zu bilden, die durch die Erwärmungsvorrichtung 35 erzeugt wird. Daher wird die Temperatur des Fachs 58 durch den Drucksteuermechanismus 52 verringert, bis die optischen Signale von dem Schalter 50 über das Segment 24 ausgegeben werden, wie es durch die Blöcke 78, 79 und 80 von 7 gezeigt ist.
Beim Implementieren der Blöcke 78, 79 und 80 wird die Wärme, die durch den Drucksteuermechanismus 52 erzeugt wird, verringert, bis die optischen Signale, die über das Segment 22 in den Schalter 50 eingegeben werden, nicht mehr über das Segment 24 ausgegeben werden. Da die Reduzierung der Wärme von dem Drucksteuermechanismus 52 die Temperatur der Flüssigkeit 34 im dem Fach 58 verringert, verringert sich der Druck in der Kammer 54, und die Größe der Blase 41, die durch Wärme von der Erwärmungsvorrichtung 35 induziert wird, erhöht sich. Sobald die optischen Signale, die über das Segment 22 eingegeben werden, nicht mehr über das Segment 24 im Block 79 ausgegeben werden, ist der Druck in der Kammer 54 niedrig genug, um es zu ermögliche, daß sich die Blase 41 bildet, und ein weiteres Verringern der Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 ist nicht notwendig. Dann, wie es durch Block 73 von 7 gezeigt ist, erwärmt der Drucksteuermechanismus 52 die Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 weiter, wie es notwendig ist, um die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 beizubehalten.
Das Durchführen der vorhergehenden Überwachung und Steuerung stellt sicher, daß der Druck in der Kammer 54 in dem geeigneten Druckbereich beibehalten wird. Das Überwachen und Steuern kann nach Wunsch wiederholt werden, um sicherzustellen, daß der Schalter 50 weiterhin lediglich ansprechend auf die Erwärmungsvorrichtung 35 arbeitet.
Um den Betrieb des Drucksteuermechanismus 52 zu steuern, umfaßt der Drucksteuermechanismus 52 vorzugsweise eine Steuerung 85, wie es durch 8 gezeigt ist. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Steuerung 85 in Hardware implementiert, einschließlich elektrischer Schaltungsanordnung und/oder mechanischer Komponenten, aber die Steuerung 85 kann auch in Software oder einer Kombination von Hardware und Software implementiert sein, falls dies gewünscht ist. Die Steuerung 85 empfängt Benachrichtigungssignale von einer Datengrenzfläche 86, die anzeigt, welches Segment 23 oder 24 die Signale ausgibt, die über das Segment 22 in den Schalter 50 eingegeben werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Datenschnittstelle 86 Sensoren, die erfassen, ob Licht durch die Segmente 23 und 24 verläuft, so daß die Benachrichtigungssignale erzeugt und automatisch an die Steuerung 85 übertragen werden können.
Auf der Basis der oben erwähnten Benachrichtigungssignale bestimmt die Steuerung 85, ob die Wärme, die durch den Drucksteuermechanismus 52 erzeugt wird, in den Blöcken 74 und 80 von 7 erhöht oder verringert wird, und überträgt Steuersignale an ein Wärmeelement 87, um die Wärme zu steuern, die durch den Drucksteuermechanismus 52 erzeugt wird. Als ein Beispiel kann das Erwärmungselement 87 ein Widerstand sein. Um die Wärmemenge zu erhöhen, die durch den Drucksteuermechanismus 52 erzeugt wird, legt die Steuerung 85 eine höhere Spannung an das Erwärmungselement 87 an, und um die Wärmemenge zu verringern, die durch den Drucksteuermechanismus 52 erzeugt wird, legt die Steuerung 85 eine geringere Spannung an das Erwärmungselement 87 an. Alternativ kann die Steuerung 85 das Erwärmungselement 87 steuern, durch andere Techniken, wie z. B. durch Ändern des Arbeitszyklus eines Wärmepulses, der zu dem Erwärmungselement 87 übertragen wird. Die Steuerung 85 kann außerdem Eingangssignale von einem Temperatursensor 88 und/oder einem Drucksensor 89 empfangen, der in der Kammer 54 positioniert ist, um demselben dabei zu helfen, den Druck in der Kammer 54 im Block 73 von 7 beizubehalten.
Obwohl das bevorzugte Ausführungsbeispiel eine Kammer 54 umfaßt, die zwei Fächer 55 und 58 aufweist, sollte angemerkt werden, daß jede Anzahl (eines oder mehrere) von Fächern beim Implementieren der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Drucksteuermechanismus 52 die Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 direkt erwärmen, falls dies gewünscht wird, wodurch das Fach 58 und der Durchgang 62 unnötig werden. Wie es vorher beschrieben wurde, ist es jedoch allgemein wünschenswert, die Temperatur der Flüssigkeit 34 in dem Fach 55 minimal zu beeinträchtigen, und es ist daher wünschenswert, die Flüssigkeit 34 in dem Fach 58 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zu erwärmen.
Außerdem können andere Techniken als das Erwärmen der Flüssigkeit 34 in der Kammer 54 verwendet werden, um den Druck in der Kammer 54 zu steuern. Beispielsweise stellt 9 ein Ausführungsbeispiel dar, wo der Drucksteuermechanismus 52 aus einem Kolben 81 und einer Betätigungsvorrichtung 84 besteht. Um den Druck in der Kammer 54 zu erhöhen, bewegt die Betätigungsvorrichtung 84 den Kolben 81 in der y-Richtung, und um den Druck in der Kammer 54 zu verringern, bewegt die Betätigungsvorrichtung 84 den Kolben 81 in der entgegengesetzten Richtung. Der Betrieb des in 9 gezeigten Ausführungsbeispiels ist gleich wie der Betrieb des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels, außer daß der Druck in der Kammer 54 durch Bewegen des Kolbens 81 statt dem Ändern der Temperatur der Flüssigkeit 34 gesteuert wird.
Wie es durch 10 gezeigt ist, ist die Betätigungsvorrichtung 84 vorzugsweise mit einer Steuerung 90 gekoppelt, die bestimmt, wann und in welche Richtung sich der Kolben 81 bewegen sollte, um den Druck in der Kammer 54 zu erhöhen oder zu verringern. Ähnlich zu der Steuerung 85 (8) kann die Steuerung 90 Eingangssignale von der Datengrenzfläche 86 und/oder dem Drucksensor 89 empfangen, um zu bestimmen, daß der Druck in der Kammer 54 erhöht oder verringert werden muß. Ferner ist die Steuerung 90 vorzugsweise in Hardware implementiert, einschließlich einer elektrischen Schaltungsanordnung und/oder mechanischer Komponenten, aber die Steuerung 90 kann auch in Software oder in einer Kombination aus Hardware und Software implementiert sein, falls dies gewünscht wird.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, wie es durch 11 gezeigt ist, kann der Drucksteuermechanismus 52 aus einem Injektor 91 bestehen, der den Druck in der Kammer 54 durch Injizieren einer Substanz, wie z. B. Flüssigkeit oder Dampf, in die abgedichtete Kammer 54 erhöht. Ein Freigabeventil 94 kann verwendet werden, um den Druck in der Kammer 54 zu verringern, indem es einem Teil der Flüssigkeit 34 oder des Dampfs in der Kammer 54 ermöglicht wird, in das Reservoir 97 auszutreten. Der Betrieb des durch 11 gezeigten Ausführungsbeispiels ist gleich wie der Betrieb des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels, außer daß der Druck in der Kammer 54 durch jeweiliges Injizieren und Freigeben einer Substanz in und aus der Kammer 54 gesteuert wird.
Wie es durch 12 gezeigt ist, umfaßt der Drucksteuermechanismus 52 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels vorzugsweise eine Steuerung 99 zum Steuern des Betriebs des Injektors 91 und das Freigabeventil 94 und zum Bestimmen, wann eine Substanz über den Injektor 91 in die Kammer 54 injiziert werden sollte, oder wann eine Substanz von der Kammer 54 über das Freigabeventil 94 freigegeben werden sollte. Ähnlich zu der Steuerung 85 (8) kann die Steuerung 99 Eingangssignale von der Datengrenzfläche 86 und/oder dem Drucksensor 89 empfangen, um zu bestimmen, ob der Druck in der Kammer 54 erhöht oder verringert werden sollte. Ferner ist die Steuerung 99 vorzugsweise in Hardware implementiert, einschließlich elektrischer Schaltungsanordnung und/oder mechanischer Komponenten, aber die Steuerung 99 kann auch in Software oder einer Kombination aus Hardware und Software implementiert sein, falls dies gewünscht wird.
Es sollte angemerkt werden, daß eine Mehrzahl von Schaltern 50 entworfen sein kann, um die gleiche Kammer 54 und den Drucksteuermechanismus 52 zu verwenden, insbesondere wenn die Schalter 50 in einem Schaltnetzwerk verwendet werden. Daher kann sich eine Mehrzahl von Erwärmungsvorrichtungen 35 in der Kammer 54 befinden. In dieser Situation kann die Bildung von Blasen durch andere Erwärmungsvorrichtungen den Druck in der Kammer 54 beeinträchtigen, und daher die Schaltcharakteristika des Schalters 50 beeinträchtigen. Durch Überwachen und Beibehalten des Drucks der Kammer 54 in dem geeigneten Bereich, wie es oben beschrieben ist, gleicht der Drucksteuermechanismus 52 den zusätzlichen Druck aus, der durch die Bildung von Blasen induziert wird, die anderen Erwärmungsvorrichtungen und/oder Substraten zugeordnet ist.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das Vorliegen einer Blase 41 oder 42 in der Flüssigkeit 34 erfaßt durch Bestimmen, ob optische Signale, die über das Segment 22 eingegeben werden, über das Segment 23 oder 24 ausgegeben werden. Es können jedoch andere Verfahren zum Erfassen des Vorliegens einer Blase 41 oder 42 verwendet werden, und jede Technik zum Erfassen des Vorliegens einer Blase 41 oder 42 in der Flüssigkeit 34 kann beim Implementieren der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Es sollte betont werden, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, insbesondere alle „bevorzugten" Ausführungsbeispiele, lediglich mögliche Beispiele von Implementierungen für die Erfindung sind. Viele Variationen und Modifikationen können an den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden. Alle solche Modifikationen und Variationen sollen in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung enthalten sein, wie er durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Ein optischer Schalter (50), der folgende Merkmale umfaßt: ein erstes Wellenleitersegment (22); ein zweites Wellenleitersegment (24); ein Substrat (27), das eine Kammer (54) definiert, wobei das Substrat (27) mit dem ersten und dem zweiten Wellenleitersegment (22, 24) gekoppelt ist, wobei die Kammer (54) das erste Wellenleitersegment (22) von dem zweiten Wellenleitersegment (24) trennt; eine Erwärmungsvorrichtung (35), die in der Kammer (54) an der Schnittstelle der Wellenleitersegmente (22, 24) positioniert ist, wobei die Erwärmungsvorrichtung (35) in einem ersten Zustand eine erste Temperatur und in einem zweiten Zustand eine zweite Temperatur aufweist; eine Flüssigkeit (34), die in der Kammer (54) angeordnet ist, wobei die Flüssigkeit (34) auf die Erwärmungsvorrichtung (35) anspricht; und eine Einrichtung (52) zum Steuern des Drucks in der Kammer (54), wobei die Steuereinrichtung (52) den Druck in einem Druckbereich beibehält, der den Siedepunkt der Flüssigkeit (34) auf eine Temperatur zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur einstellt.
Der Schalter (50) gemäß Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung (52) einen Kolben (81) umfaßt.
Der Schalter (50) gemäß Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung (52) einen Injektor (91) umfaßt.
Der Schalter (50) gemäß Anspruch 1, bei dem die Steuereinrichtung (52) ein Erwärmungselement (87) umfaßt.
Der Schalter (50) gemäß Anspruch 4, bei dem die Kammer (54) eine erstes Fach (55) und ein zweites Fach (58) mit einem Durchgang (62) zwischen denselben umfaßt und wobei das Erwärmungselement (87) die Flüssigkeit (34) in dem zweiten Fach (58) erwärmt, um den Druck zu erhöhen.
Ein Verfahren zum Schalten optischer Signale, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt: Liefern eines ersten Wellenleitersegments (22), eines zweiten Wellenleitersegments (24) und eines dritten Wellenleitersegments (23); Liefern eines Substrats (27), wobei das Substrat (27) eine Kammer (54) umfaßt, die mit einer Flüssigkeit (34) gefüllt ist, wobei die Kammer (54) das erste Wellenleitersegment (22) von dem zweiten Wellenleitersegment (24) trennt; Liefern einer Erwärmungsvorrichtung (35); Übertragen eines optischen Signals über das erste Wellenleitersegment (22); und Einstellen eines Drucks in der Kammer (54), so daß optische Signale, die über das erste Wellenleitersegment (22) übertragen werden, durch die Kammer (54) und in das zweite Wellenleitersegment (24) laufen, wenn eine Temperatur der Erwärmungsvorrichtung (35) bei einer ersten Temperatur ist, und so daß sich in der Flüssig keit (34) eine Blase (41) bildet, um optische Signale zu reflektieren, die über das erste Wellenleitersegment (22) in das dritte Wellenleitersegment (23) übertragen werden, nur wenn die Temperatur der Erwärmungsvorrichtung (35) über eine zweite Temperatur erhöht wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der Einstellungsschritt einen Schritt des Injizierens einer Substanz in die Kammer (54) umfaßt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, das ferner einen Schritt des Lieferns eines Kolbens (81) umfaßt, wobei der Einstellungsschritt einen Schritt des Bewegens des Kolbens (81) umfaßt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem der Einstellungsschritt einen Schritt des Erwärmens der Flüssigkeit (34) umfaßt.