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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Schalter und insbesondere
auf einen thermisch aktivierten optischen Schalter.
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HINTERGRUND
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Fortlaufende
Entwicklungen in dem Gebiet der Faseroptiktechnologie haben zu einem
verstärkten
Gebrauch von optischen Fasern in Telekommunikations- und Datenkommunikationsnetzen
geführt. Durch
die verstärkte
Verwendung der optischen Fasern besteht ein Bedarf an effizienten
Peripherieeinrichtungen, die beim Übertragen der Daten durch diese
optischen Fasern helfen, wie z.B. optische Schalter. Ein optischer
Schalter funktioniert dadurch, daß selektiv eine optische Faser
mit einer von zwei oder mehreren alternativen optischen Fasern gekoppelt wird,
so daß die
zwei gekoppelten optischen Fasern in Kommunikationsverbindung zueinander
stehen.
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Das
Koppeln der optischen Fasern, das von einem optischen Schalter ausgeführt wird,
kann durch verschiedene Techniken herbeigeführt werden. Bei einer Technik,
die von Interesse ist, werden Mikrospiegel verwendet, um selektiv
optische Signale von einer optischen Eingangsfaser zu einer ausgewählten optischen
Ausgangsfaser zu leiten. In der einfachsten Implementation der Mikrospiegeltechnik ist
die optische Eingangsfaser zu einer der zwei optischen Ausgangsfasern
ausgerichtet, so daß,
wenn der Mikrospiegel nicht im optischen Weg zwischen den zwei ausgerichteten
optischen Fasern plaziert ist, die zwei ausgerichteten optischen
Fasern sich in einem Kommunikationszustand befinden. Wenn jedoch
der Mikrospiegel zwischen die zwei ausgerichteten optischen Fasern
eingefügt
wird, steuert, d.h. reflektiert, der Mikrospiegel die optischen
Signale von der optischen Eingangsfaser zu der anderen optischen
Ausgangsfaser. Die Positionierung des Mikrospiegels in und aus dem
optischen Weg zwischen den zwei ausgerichteten optischen Fasern
kann unter Verwendung eines mikrobearbeiteten Aktuators ausgeführt werden,
der mechanisch den Mikrospiegel in die gewünschte Position verlagert.
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Bei
einer anderen Technik, die von Interesse ist, werden thermisch erzeugte
Blasen anstelle von Mikrospiegeln verwendet, um selektiv optische
Signale von Eingangsfasern zu optischen Zielausgangsfasern zu lenken.
Diese Technik wird in einem thermisch aktivierten optischen Schalter
implementiert, der in dem US Patent Nr. 5,699,462 von Fouquet et al.
offenbart ist, das auf den Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen
ist. Ein herkömmlicher
thermisch aktivierter optischer Schalter 10 ist schematisch
in den 1 und 2 gezeigt. Wie in 1 gezeigt
ist, umfaßt
der optische Schalter einen Waveguide-Chip 12, einen Heizer-Chip 14 und
ein Metallsubstrat 16. Der Waveguide-Chip enthält planare
Waveguides 18, wie in 2 gezeigt,
die als Medien zum Übertragen
optischer Signale dienen. Diese Waveguides bilden eine Matrix von
optischen Wegen. Die optischen Wege 20, 22, 24 und 26 dienen
zur lateralen Übertragung
von optischen Signalen, während
die optischen Wege 28, 30, 32 und 34 zur
vertikalen Übertragen
von optischen Signalen dienen. Der Waveguide-Chip enthält außerdem eine Anzahl
von Gräben 36,
die an den Schnittstellen der optischen Wege angeordnet sind. Jeder
Graben ist so positioniert, daß ein
eingehendes optisches Signal aus einem der optischen Wege 20 bis 26 auf
den Graben mit einem Einfallswinkel auftrifft, der größer ist,
als der kritische Winkel der inneren Totalreflexion (TIR). Wenn
ein Graben mit einer Flüssigkeit
gefüllt ist,
die einen Brechungsindex aufweist, der zu dem des Waveguides paßt, werden
optische Signale, die entlang des lateralen optischen Weges propagieren, der
sich quer über
den Graben erstreckt, durch diesen Graben transmittiert. Wenn jedoch
eine Blase in dem Graben gebildet wird, werden die optischen Signale
von der Wand des Grabens von dem lateralen optischen Weg in einen
vertikalen optischen Weg reflektiert, der den lateralen optischen
Weg an dem Ort des Grabens schneidet.
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Der
Heizer-Chip 14 des optischen Schalters 10 umfaßt Heizelemente 38,
d.h. Widerstände,
und andere elektrische Elemente, wie z.B. Transistoren, um die einzelnen
Widerstände
zu adressieren. Zur Vereinfachung sind in der 2 nur
die Widerstände gezeigt.
Der Heizer-Chip
ist mit dem Waveguide-Chip 12 so ausgerichtet, daß jeder
Widerstand des Heizer-Chips unterhalb eines Grabens 36 des Waveguide-Chips
angeordnet ist, wo sich zwei optische Wege schneiden. Die Widerstand
stellen die thermische Energie zur Verfügung, um Blasen in den Gräben zu erzeugen.
Dadurch kann durch selektives Aktivieren der Widerstände ein
heliebiges optisches Signal, das ursprünglich durch die lateralen
optischen Wege 20 bis 26 propagiert, zu den vertikalen optischen
Wegen 28 bis 34 umgeleitet werden. Der Heizer-Chip
ist an einem Metallsubstrat 16 des optischen Schalters
angebracht, wie in 1 gezeigt ist. Das Metallsubstrat
enthält
ein Reservoir 40 der brechungsindexanpassenden Flüssigkeit.
Das Re servoir ist mit dem Graben des Waveguide-Chips über Durchgangslöcher (nicht
gezeigt) verbunden, die sich durch den Heizer-Chip erstrecken.
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Um
für eine
optimierte und gleichbleibende Leistung des thermisch aktivierten
optischen Schalters 10 zu sorgen, muß der Heizer-Chip 14 auf
einer nahezu konstanten und gleichbleibenden Temperatur gehalten
werden. Große
Temperaturvariationen an den Schnittbereichen der optischen Wege
oder den Kreuzungspunkten, an denen die Blasen erzeugt werden, um
optische Signale zu reflektieren, erzeugen erhöhte optische Verluste und ein Übersprechen, sowie
Störungen
in dem Verhalten der Blasen. Außerdem
ist bei Veränderungen
der Umgebung eine akkurate und präzise Temperatursteuerung eines thermisch
aktivierten optischen N×N-Schalters,
wenn N signifikant groß ist,
schwierig, weil N Widerstände gleichzeitig
aktiviert werden können.
Daher kann sich die Gesamtwärmebelastung
des Heizer-Chips um bis zu dem N-fachen der Leistung ändern, die
an jedem Kreuzungspunkt benötigt
wird, was zu großen Temperaturvariationen
führt.
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Eine
aktive Temperatursteuereinrichtung 42, wie in 1 gezeigt,
kann benutzt werden, um zu versuchen, die Temperaturfluktuationen
in dem optischen Schalter 10 zu steuern. Aus konstruktiven Gründen ist
jedoch die Temperatursteuereinrichtung mit einem erheblichen Abstand
zu dem Heizer-Chip 14 angeordnet, wo die plötzlichen Änderungen
der Wärmebelastung
erzeugt werden. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Temperatursteuereinrichtung
unterhalb des optischen Schalters angeordnet. Dadurch sind die Temperatursteuereinrichtung
und der Heizer-Chip durch das Metallsubstrat 16 getrennt.
Dies impliziert, daß (i)
ein Temperaturgradient zwischen dem Heizer-Chip und der Temperatursteuereinrichtung
existiert und (ii) jegliche Änderungen
in der lokalen Temperatur des Schalters auf einer Zeitskala stattfinden,
die durch die Wärmeleitung
zwischen den wärmeerzeugenden
Widerständen
und der aktiven Temperatursteuereinrichtung begrenzt ist. Die Amplitude
der Temperaturfluktuationen hängt
sowohl von der Leistung ab, die für jeden Widerstand benötigt wird,
als auch von dem thermischen Widerstand des Weges zwischen den wärmeerzeugenden
Widerständen
und der Temperatursteuereinrichtung. Wenn daher die Materialien
entlang des Wärmeweges
eine geringe thermische Leitfähigkeit
aufweisen, ist die Antwortzeit der Temperatursteuereinrichtung langsam.
Es folgt, daß die
Temperatursteuerung auf dem Chip vom Verringern der Leistungserfordernissen
der Widerstände
und vom Entwickeln von Konstruktionslösungen profitiert, welche den
Wärmeübertrag
zwischen den Bereichen der Wärmeerzeugung
und der Wärmeableitung
maximieren.
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Obgleich
die vorhergehenden Ansätze
zu einer verbesserten Temperatursteuerung auf dem Chip für einen
thermisch aktivierten optischen Schalter führen, ist eine weitere Verbesserungen
einer Temperatursteuerung erstrebenswert. Daher besteht ein Bedarf
an einer thermisch aktivierten optischen Schaltereinrichtung und
an einem Verfahren zum Verbessern der Temperatursteuerung der Schaltereinrichtung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche 1 und
6 definiert.
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Eine
optische Schaltereinrichtung und ein Verfahren zum Bereitstellen
einer Temperatursteuerung für
die Vorrichtung benutzen eine thermische Kompensationsenergie, um
eine gleichbleibende Betriebstemperatur zu erhalten. Die optische
Schaltereinrichtung kann ein thermisch aktivierter optischer Schalter
sein, der optische Signale unter Verwendung von Blasen leitet, die
strategisch entlang der optischen Wege in der Vorrichtung erzeugt
oder manipuliert werden. Die Blasen werden durch eine thermische
Energie erzeugt, die durch Schaltheizelemente generiert wird. Die
thermische Kompensationsenergie kann durch wenigstens ein Kompensationsheizelement
oder durch wenigstens ein Schaltheizelement erzeugt werden, das
nicht aktuell für
eine optische Schaltung, d.h. zum Erzeugen von Blasen, benutzt wird.
Die thermische Kompensationsenergie wird so variiert, daß die von
der Vorrichtung erzeugte thermische Gesamtenergie konstant ist,
was zu einer gleichbleibenden Betriebstemperatur führt.
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Die
Vorrichtung umfaßt
einen Waveguide-Chip, einen Heizer-Chip, ein Metallsubstrat und eine
Steuereinheit. Der Waveguide-Chip umfaßt mehrere Waveguides, die überschneidende
optische Wege festlegen. Damit kann die Vorrichtung eine optische
N×M-Schalteinrichtung
sein, wobei N optische Eingangswege M optische Ausgangswege schneiden.
Der Waveguide-Chip
umfaßt
außerdem
Gräben, in
denen Blasen erzeugt werden. Jeder Graben ist an einem Schnittpunkt
von optischen Wegen angeordnet, so daß optische Signale entlang
eines optischen Eingangsweges zu einem optischen Ausgangsweg an
dem Schnittpunkt reflektiert werden, wenn eine Blase in dem Graben
vorhanden ist. Der Waveguide-Chip kann aus Silika aufgebaut sein.
Der Heizer-Chip umfaßt
mehrere Schaltheizelemente, z.B. Schaltwiderstände, und kann ein oder mehrere
Kompensationsheizelemente umfassen, z.B. Kompensationswider stände. Diese
Schalt- und Kompensationswiderstände
werden durch die Steuereinheit gesteuert. Die Steuereinheit umfaßt eine
Schaltung, um selektiv elektrische Leistung an diese Widerstände abzugeben.
Der Heizer-Chip umfaßt
außerdem
Fluid-Fülllöcher, die
sich durch den Heizer-Chip erstrecken. Diese Fluid-Fülllöcher liefern
eine brechungsindexanpassende Flüssigkeit
zu den Gräben
von einem Reservoir in dem Metallsubstrat.
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In
einer ersten Ausführungsform
umfaßt
der Heizer-Chip N×M
Schaltwiderstände.
Der Heizer-Chip umaßt
außerdem
zusätzliche
N Widerstände,
die als Kompensationswiderstände
wirken. Die Kompensationswiderstände
sind über
den Heizer-Chip verteilt, um die Quelle der Wärmeerzeugung zu verteilen und
um die Wahrscheinlichkeit von lokalen Temperaturgradienten zu verringern.
In dieser Ausführungsform
ist die Steuereinheit so konfiguriert, daß gleichbleibend N Schalt-
und/oder Kompensationswiderstände
aktiviert werden, unabhängig
von der optischen Schaltkonfiguration der Vorrichtung. Die Kompensationswiderstände erzeugen
eine variable thermische Kompensationsenergie, so daß die thermische
Gesamtenergie, die von der Vorrichtung erzeugt wird, für verschiedene
Schaltkonfigurationen konstant bleibt.
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Im
Betrieb werden X (0≤X≤N) Schaltwiderstände selektiv
durch die Steuerschaltung aktiviert, um Blasen in den Gräben zu erzeugen,
an denen für die
aktuelle optische Schaltkonfiguration eine Reflexion notwendig ist.
Falls X gleich N ist, entspricht die thermische Energie, die durch
die aktivierten Schaltwiderstände
erzeugt wird, der gewünschten
thermischen Gesamtenergie. In diesem Fall brauchen keine Kompensationswiderstände aktiviert
zu werden. Falls jedoch X kleiner als N ist, ist die thermische
Energie, die von den Widerständen
erzeugt wird, kleiner als die gewünschte thermische Energie.
In diesem Fall aktiviert die Steuereinheit N-X Kompensationswiderstände, wobei
für jeden
Kompensationswiderstand die gleiche elektrische Leistung verwendet wird,
die an jeden Schaltwiderstand abgegeben wird. Das heißt, in jeder
Spalte von Schaltwiderständen,
in der kein Schaltwiderstand aktiviert ist, wird statt dessen ein
Kompensationswiderstand aktiviert. Da N Widerstände für jede beliebige optische Schaltkonfiguration
aktiviert werden, bleibt die thermische Gesamtenergie, die von der
Vorrichtung erzeugt wird, konstant. Daher wird die Betriebstemperatur
der Vorrichtung genauer und einfacher gesteuert. Die elektrische
Gesamtleistung, mit der die Schaltwiderstände und/oder die Kompensationswiderstände versorgt werden,
ist für
jede optische Schaltkonfiguration die gleiche.
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In
einer zweiten Ausführungsform
umfaßt der
Heizer-Chip immer noch N×M
Schaltwiderstände,
enthält
jedoch keine Kompensationswiderstände. In dieser Ausführungsform
wird die thermische Kompensationsenergie durch die Schaltwiderstände entlang
jeder Spalte erzeugt, in der keine Schaltwiderstände zum optischen Schalten
aktiviert sind. Für jede
dieser Spalten wird die elektrische Energie, die für die Schaltzustände benötigt wird,
auf jeden Widerstand entlang der Spalte verteilt. Damit ist die
gesamte thermische Energie, die von den Widerständen einer dieser Spalten erzeugt
wird, gleich zur thermischen Energie, die von einem einzelnen aktivierten Widerstand
erzeugt wird. Wenn zur gleichen Zeit N ausreichend groß ist, ist
die Leistung, die an jedem Widerstand erzeugt wird, gering und unterhalb
der Minimalschwelle zum thermischen Aktivieren einer Blase. Demzufolge
wird die thermische Gesamtenergie, die von der Vorrichtung erzeugt
wird, auf einem konstanten Wert für verschiedene Schaltkonfigurationen
gehalten, was an einer gleichbleibenden Betriebstemperatur entspricht.
Die elektrische Gesamtleistung, mit der die Schaltwiderstände versorgt
werden, bleibt wieder für
jede optische Schaltkonfiguration gleich.
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In
der dritten Ausführungsform
umfaßt
der Heizer-Chip N×M
Schaltwiderstände
und einen einzelnen großen
Kompensationswiderstand. In dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit
so konstruiert, daß der
Kompensationswiderstand mit einer variablen elektrischen Leistung
versorgt wird, um die thermische Kompensationsenergie zu erzeugen.
Die Stärke
der elektrischen Leistung, mit der der Kompensationswiderstand versorgt
wird, hängt
von der Zahl der aktivierten Schaltwiderstände für die aktuelle optische Schaltkonfiguration
ab, was die thermische Energie bestimmt, die durch die aktivierten Schaltwiderstände erzeugt
wird. Dadurch bleibt die thermische Gesamtenergie, die von der Vorrichtung erzeugt
wird, für
verschiedene Schaltkonfigurationen konstant, wodurch für eine beständige Betriebstemperatur
gesorgt wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines thermisch aktivierten optischen Schalters
gemäß dem Stand
der Technik.
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2 ist
eine Aufsicht auf den optischen Schalter der 1.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines thermisch aktivierten optischen Schalters
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
eine Aufsicht des thermisch aktivierten optischen Schalters der 3.
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5 ist
eine Aufsicht eines thermisch aktivierten optischen Schalters gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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6 ist
eine Aufsicht eines thermisch aktivierten optischen Schalters gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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7 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer Temperatursteuerung für einen
thermisch aktivierten Schalter gemäß der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Kurzfristige
Temperaturfluktuationen in einem thermisch aktivierten optischen
Schalter, wieder optische Schalter der 1, beruhen
in erster Linie auf der Aktivierung und Deaktivierung von Heizelementen
zum Bilden von Blasen, um optische Signale selektiv zu leiten, wobei
die Zahl der aktivierten Heizelemente beim Betrieb erheblich variieren
kann. Für einen
optischen N×M-Schalter
kann die Zahl der Heizelemente, die zu einem gegebenen Zeitpunkt
aktiviert sind, zwischen 0 und N liegen, abhängig von der aktuellen optischen
Kopplungskonfiguration des Schalters. N ist typischerweise die Maximalzahl
von Heizelementen, die zu einem gegebenen Zeitpunkt aktiviert sind,
da nur ein Heizelement zum Aktivieren für jede Spalte von Heizelementen
benötigt
wird, die einem optischen Eingangsweg des Schalters entspricht.
Die Gesamtmenge der thermischen Energie, die in dem optischen Schalter
durch das Aktivieren der Heizelemente zu einem gegebenen Zeitpunkt
erzeugt wird, hängt
von der Zahl der aktivierten Heizelemente multipliziert mit der
Leistung ab, die von jedem Heizelement benötigt wird, um eine Blase zu
erzeugen.
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Die
grundlegende Idee der Erfindung ist es, den thermisch aktivierten
optischen Schalter mit einer konstanten thermischen Leistung, d.h.
einer festen elektrischen Leistung, zu betreiben, so daß der optischen
Schalter im wesentlichen auf einer gleichbleibenden Betriebstemperatur
gehalten werden kann. Für
einen optischen N×M-Schalter
ist diese konstante elektrische Leistung das N-fache der zum Aktivieren
eines Heizelements benötigten
Leistung. Da die meisten optischen Kopplungskonfigurationen des
Schalters die Aktivierung von weniger als N Heizelementen erfordern,
ist die Stärke
der elektrischen Leistung, die von diesen Heizelementen verwenden wird,
geringer als die konstante elektrische Leistung. Demzufolge erbringt
die thermische Energie, die von den aktivierten Heizelementen erzeugt
wird, eine Betriebstemperatur für
den optischen Chip, die geringer ist als die gewünschte Temperatur. Die gewünschte Betriebstemperatur
kann jedoch erreicht werden, indem die fehlende elektrische Leistung,
d.h. die konstante elektrische Leistung weniger der Leistung, die von
den aktivierten Heizelementen verwendet wird, auf jene Heizelemente
verteilt wird, die nicht aktiviert sind, und/oder auf andere wärmeerzeugende
Elemente, um eine thermische Kompensationsenergie zu erzeugen. Die
thermische Kompensationsenergie erhöht die Temperatur des Schalters
auf die gewünschte
Betriebstemperatur. Auf diese Weise kann der optische Schalter auf
einer gleichbleibenden Betriebstemperatur gehalten werden. Nachfolgend
werden drei Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, welche diese Idee der Erzeugung einer
thermischen Kompensationsenergie zum Erhalten einer gleichbleibenden
Betriebstemperatur benutzen.
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Mit
Bezug auf die 3 und 4 wird ein thermisch
aktivierter optischer Schalter 46 gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der optische Schalter umfaßt einen
Waveguide-Chip 48, einen Heizer-Chip 50 und ein
Metallsubstrat 52. Der Waveguide-Chip ist vorzugsweise
aus Silika hergestellt. Der Waveguide-Chip umfaßt 16 planare Waveguides 54 und 24 zwischenliegende
Waveguides 56, welche sich schneidende optische Wege 58, 60, 62, 64, 66, 68, 70 und 72 festlegen,
wie in 4 dargestellt ist. Obgleich der optische Schalter
als ein 4×4-Schalter
gezeigt ist, kann der optische Schalter auch als ein N×M-Schalter
konstruiert sein, wobei N und M ganzzahlig sind. Der optische Schalter
ist an vier Sätzen
optischer Fasern 74, 76, 78 und 80 angebracht,
wobei jeder Satz vier optische Fasern umfaßt. Üblicherweise sind die interessantesten
Funktionen des optischen Schalters die Funktionen, welche die optische
Kopplung der optischen Fasern 76A, 76B, 76C und 76D mit
den optischen Fasern 78A, 78B, 78C und 78D bestimmen.
Die verbleibenden optischen Fasern können für Add-and-drop-Operationen verwendet werden,
oder zur Verbindung mit anderen Schaltern, um größere Schaltmatrizen zu bilden.
Der Waveguide-Chip umfaßt
außerdem
Gräben 82,
die mit der brechungsindexanpassenden Flüssigkeit gefüllt werden
können
und welche die Formierung einer Blase an jedem Schnittpunkt von
optischen Wegen ermöglichen.
Wie vorhergehend im Zusammenhang mit 1 beschrieben
wurde, hängt
die optische Kopplung der Waveguides von der Präsenz der brechungsindexanpassenden
Flüssigkeit
oder einer Blase an einem Waveguide-Schnittpunkt ab.
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Der
Heizer-Chip 50 des optischen Schalters 46 umfaßt 16 Schaltheizelemente 84 und
vier Kompensationsheizelemente 86, die auf einem Substrat ausgebildet
sind, das aus Silizium hergestellt sein kann. Beide Arten von Heizelementen
sind Widerstände,
die so konstruiert sind, daß jeder
Widerstand die gleiche Menge von thermischer Energie erzeugt, wenn
er mit einer vordefinierten Spannung oder einem Strom aktiviert
wird. Die Schaltwiderstände
wer den benutzt, um Blasen in den Gräben 82 auf dem Waveguide-Chip 48 zu
erzeugen, während
die Kompensationswiderstände
zur Erzeugung einer variablen thermischen Kompensationsenergie verwendet werden,
um eine gleichmäßige Betriebstemperatur zu
erhalten. Die Art und Weise, in der die Kompensationswiderstände zur
Temperatursteuerung verwendet werden, wird nachfolgend beschrieben.
Wie in 4 dargestellt, ist jedes Schaltheizelement 84 zu einem
Schnittpunkt von optischen Wegen so ausgerichtet, daß eine Blase
in dem Graben an dem Schnittpunkt erzeugt werden kann. Die Kompensationswiderstände 86 sind
an verschiedenen Orten über
den Heizer-Chip verteilt. Die exakten Positionen der Kompensationswiderstände sind
für die
Erfindung nicht kritisch, fördern
jedoch vorzugsweise eine gleichmäßige Wärmeverteilung.
Die Kompensationswiderstände
sind in 4 gezeigt, um eine mögliche Verteilung
der Kompensationswiderstände
auf dem Heizer-Chip 50 darzustellen. Der Heizer-Chip umfaßt weiterhin
elektrische Wege (nicht gezeigt) und andere elektrische Komponenten
(nicht gezeigt), wie Transistoren, die eine selektive Aktivierung
der Schalt- und Kompensationswiderstände ermöglichen. Der Heizer-Chip umfaßt außerdem mehrere Fluidzuführungslöcher 88,
die sich vollständig
durch den Heizer-Chip erstrecken. Diese Fluidzuführungslöcher liefern die brechungsindexanpassende
Flüssigkeit
zu den Gräben
des Waveguide-Chips von einem Reservoir 90 der brechungsindexanpassenden Flüssigkeit,
das sich in dem Metallsubstrat 52 befindet.
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Die
elektrischen Komponenten des Heizer-Chips 50, einschließlich der
Schalt- und Kompensationswiderstände 84 und 86,
sind mit einer Steuereinheit 92 verbunden. Die Steuereinheit
umfaßt
eine Schaltung, um die elektrischen Komponenten auf dem Chip anzutreiben.
Die Steuereinheit kann eine Einheit außerhalb des Chips sein, die
mit dem Heizer-Chip über
elektrische Zuleitungen verbunden ist. Die Steuereinheit kann jedoch
auch teilweise oder vollständig
auf dem Heizer-Chip hergestellt sein. Die Steuereinheit dient zur
selektiven Aktivierung eines oder mehrerer Schaltwiderstände 84,
so daß der
optische Schalter 46 eine bestimmte Schaltkonfiguration
einnimmt. Zusätzlich
aktiviert die Steuereinheit selektiv einen oder mehrere Kompensationswiderstände 86 abhängig von
der Zahl der Schaltwiderstände,
die aktiviert sind.
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Das
Metallsubstrat 52 des optischen Schalters 46 umfaßt ein Reservoir 90 einer
indexanpassenden Flüssigkeit.
Vorzugsweise ist das Metallsubstrat aus einem Material hergestellt,
das eine hohe thermische Leitfähigkeit
besitzt, so daß die
aktive Temperatursteuereinrichtung 42 die Temperatur des optischen
Schalters regulieren kann. Die Temperatursteuereinrichtung kann
ein thermoelektrischer Festkörperkonverter
sein. Die Temperatursteuereinrichtung ist thermisch mit dem optischen
Schalter 46 gekoppelt.
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Im
Betrieb werden X Schaltwiderstände 84 durch
die Steuereinheit 92 aktiviert, um Blasen in ausgewählten Gräben gemäß einer
aktuellen Schaltkonfiguration des optischen Schalters zu erzeugen. Die
Aktivierung der Schaltwiderstände
schließt
das Abgeben einer vordefinierten Stärke elektrischer Leistung P
ein, um Blasen in einem Graben zu erzeugen, der zu dem Schaltwiderstand
ausgerichtet ist. Für
den optischen Schalter 46 der 3 und 4 ist
X eine ganze Zahl zwischen null und vier, da der optische Schalter
selektiv optische Signale aus vier optischen Eingangsfasern 76A, 76B, 76C und 76D zu
den optischen Ausgangsfasern 78A, 78B, 78C und 78D leiten
kann. Wenn X gleich N ist, werden die Kompensationswiderstände 86 nicht
aktiviert. Wenn jedoch X kleiner als N ist, werden außerdem N-X Kompensationswiderstände von
der Steuereinheit 92 aktiviert. Dadurch bleibt die Zahl
der Schaltwiderstände
und Kompensationswiderstände,
die aktiviert sind, unabhängig
von der Schaltkonfiguration des Schalters 46N. Für eine nachfolgende
Schaltkonfiguration des Schalters kann sich die Zahl der Schaltwiderstände und
die Zahl der Kompensationswiderstände, die aktiviert sind, ändern, die
Gesamtzahl der aktivierten Widerstände, d.h. Schalt- und/oder
Kompensationswiderstände,
bleibt jedoch die gleiche. Da die Gesamtzahl der aktivierten Widerstände für verschiedene
Konfigurationen die gleiche ist, bleibt die thermische Gesamtenergie,
die von den aktivierten Widerständen
erzeugt wird, für
jede mögliche
Schaltkonfiguration im wesentlichen die gleiche. Demzufolge ist
die elektrische Gesamtleistung, die an die Schalt- und/oder Kompensationswiderstände abgegeben
wird, konstant. Damit kann die Betriebstemperatur des optischen
Schalters auf einer gleichbleibenden Temperatur gehalten werden.
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Wenn
ein oder mehrere Kompensationswiderstände 86A, 86B, 86C und 86D aktiviert
sind, um die thermische Kompensationsenergie zu erzeugen, sollten
die ausgewählten
Kompensationswiderstände
jene sein, die in enger Nachbarschaft zu den optischen Wegen liegen,
die in einem Durchleitungszustand sind. Das heißt, es werden Kompensationswiderstände nahe
einem oder mehrerer optischer Eingangswege 58, 60, 62 und 64 aktiviert,
für die
kein Schaltwiderstand 84 aktiviert ist, so daß die optischen
Signale über
die Fasern 80A, 80B, 80C und 80D übertragen
werden, ohne von einer Blase reflektiert zu werden. Wenn umgekehrt
der optische Weg 58, 60, 62 oder 64 in
einem Reflexionszustand ist, ist einer der Schaltwiderstände entlang
dieses optischen Weges zur Erzeugung einer Blase aktiviert, um die
optischen Signale auf diesen optischen Eingangsweg zu einem der
optischen Ausgangswege 66, 68, 70 und 72 zu
reflektieren. Beispielsweise kann der Kompensationswiderstand 86A geheizt werden,
wenn der optische Weg 58 in dem Durchleitungszustand ist.
Genauso können
die Kompensationswiderstände 86B, 86C und 86D individuell
beheizt werden, wenn die optischen Wege 60, 62 oder 64 jeweils
in einem Durchleitungszustand sind. Auf diese Weise wird die thermische
Kompensationsenergie, die von den Kompensationswiderständen erzeugt
wird, auf dem Heizer-Chip 50 verteilt, um die Wahrscheinlichkeit
zu verringern, daß ein
lokalisierter Wärmepunkt
auf dem Waveguide-Chip 48 erzeugt wird.
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Mit
Bezug auf 5 ist ein thermisch aktivierter
optischer Schalter 94 gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. Der thermisch aktivierte optische Schalter 94 umfaßt alle Komponenten
des thermisch aktivierten optischen Schalters 46 der 3 und 4 mit
Ausnahme der Kompensationswiderstände 86A, 86B, 86C und 86D. Zusätzlich umfaßt der optische
Schalter 94 eine Steuerschaltung 96, welche die
Steuerschaltung 92 des optischen Schalters 46 ersetzt.
Die Steuerschaltung 96 ist ähnlich zu der Steuerschaltung 94.
Die Steuerschaltung 96 ist jedoch dafür eingerichtet, einige der
Schaltwiderstände 84,
die für
eine Schaltfunktion nicht aktiviert sind, zur Erzeugung der thermischen
Kompensationsenergie zu verwenden. Der Betrieb der Steuereinheit 94 wird
nachfolgend beschrieben. Die thermische Kompensationsenergie und
die thermische Energie, die von den aktivierten Widerständen erzeugt
wird, führt
zu der gewünschten
thermischen Gesamtenergie zum Erhalten der gleichbleibenden Betriebstemperatur
des optischen Schalters 94.
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Im
Betrieb werden X Schaltwiderstände 84, falls
notwendig, durch die Steuereinheit 96 zum Erzeugen von
Blasen in den Gräben,
die zu den aktivierten Widerständen
ausgerichtet sind, für
die aktuelle optische Kopplungskonfiguration des optischen Schalters
aktiviert. Wenn X gleich N (die Zahl der optischen Eingangsfasern,
z.B. 76A, 76B, 76C und 76D,
die an dem optischen Schalter 94 angebracht sind) ist,
entspricht die thermische Energie, die von den aktivierten Schaltwiderständen erzeugt
wird, der gewünschten
thermischen Gesamtenergie. Daher besteht keine Notwendigkeit, irgendeine
thermische Kompensationsenergie in dieser Schaltkonfiguration zu
erzeugen. Wenn jedoch X kleiner als N ist, sind ein oder mehrere
optische Eingangswege 58; 60, 62 und 64 in
dem Durchleitungszustand. Für
jeden dieser optischen Wege verteilt die Steuereinheit 96 die
Leistung P unter allen Schaltwiderständen entlang dieses optischen
Weges. Wie vorhergehend erwähnt,
ist P die vordefinierte Stärke
der elektrischen Leistung, die an einen einzelnen Schaltwiderstand 84 abgegeben wird,
um eine Blase in einem entsprechenden Graben 82 zu erzeugen.
Die Steuereinheit kann so konfiguriert sein, um gleichzeitig eine
Leistung von P/M an jeden Schaltwiderstand auf einem optischen Eingangsweg
abzugeben, der in dem Durchleitungszustand ist. Alternativ kann
die Steuerschaltung so konfiguriert sein, daß die elektrische Leistung
P über
jeden Schaltwiderstand auf diesem optischen Eingangsweg zyklisch
verteilt wird, indem die Widerstände
sequentiell adressiert werden. Da an jeden Schaltwiderstand eine
elektrische Leistung abgegeben wird, die geringer als die Leistung
P ist, werden diese Schaltwiderstände nicht genug thermische
Energie erzeugen, um Blasen zu bilden. Dadurch wird der Durchleitungszustand
des optischen Weges nicht beeinträchtigt.
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In
jeder beliebigen Schaltkonfiguration ist die elektrische Gesamtleistung,
welche an die Schaltwiderstände 84 des
optischen Schalters 94 abgegeben wird, P mal N. Wenn alle
optischen Eingangswege 58, 60, 62 und 64 im
Reflexionszustand sind, sind N Schaltwiderstände, einer für jeden
optischen Weg, aktiviert. Dadurch ist die elektrische Gesamtleistung, die
an die aktivierten Widerstände
abgegeben wird, P×N.
Wenn jedoch ein oder mehrere optische Weg nicht in dem Durchleitungszustand
sind, ist die Leistung P unter allen Widerständen entlang dieser optischen
Wege verteilt. Demzufolge bleibt die elektrische Gesamtenergie,
die an alle Schaltwiderstände abgegeben
wird, immer noch P×N.
Im Ergebnis ist die thermische Gesamtenergie, die in dem optischen Schalter 94 erzeugt
wird, unabhängig
von der Schaltkonfiguration des optischen Schalters konstant. Wenn
sich die Schaltkonfiguration ändert,
bleibt die thermische Gesamtenergie, die für die Konfiguration erzeugt
wird, die gleiche wie bei der vorherigen Konfiguration. Daher bleibt
die Betriebstemperatur des optischen Schalters, die von der erzeugten
thermischen Energie abhängt,
gleichbleibend.
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Mit
Bezug auf 6, wird ein thermisch aktivierter
optischer Schalter 98 gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. In diese Figur ist der thermisch aktivierte
optische Schalter 98 ohne den Waveguide-Chip 48 gezeigt.
Obgleich es nicht gezeigt ist, umfaßt der Waveguide-Chip die Waveguides,
die zwischenliegenden Waveguides und die Gräben, wie vorhergehend beschriebenen.
Ebenfalls nicht dargestellt ist die Tatsache, daß der Heizer-Chip die Fluidfülllöcher enthält, welche
das Fluidreservoir in dem Metallsubstrat mit den Gräben des
Waveguide-Chips verbinden. Diese Merkmale des optischen Schalters 98 sind
jedoch identisch zu jenen der vorhergehenden Ausführungsformen.
Der Heizer-Chip umfaßt
auch die Schaltwiderstände 84.
In dieser Ausführungsform
umfaßt
der Heizer-Chip jedoch weiterhin einen großen Serpentinenkompensationswiderstand 100.
In einer bevorzugten Konstruktion wird der große Kompensationswiderstand
in dem Heizer-Chip unterhalb der Fläche, auf der die Schaltwiderstände angeordnet
sind, hergestellt. Das Material und die Form des Kompensationswiderstands
können
so ausgewählt
werden, um einen gewünschten
Bereich von thermischer Energie zu erzeugen und um die erzeugte
thermische Energie so gleichmäßig wie
möglich über den
Heizer-Chip zu verteilen. Der Kompensationswiderstand und die Schaltwiderstände des Heizer-Chips
sind elektrisch mit einer Steuereinheit 102 verbunden.
Die Steuereinheit umfaßt
eine Schaltung zum selektiven Betreiben der Schaltwiderstände. Zusätzlich ist
die Schaltung des Steuerchips so konfiguriert, um selektiv den Kompensationswiderstand
mit einer variablen elektrischen Leistung zu aktivieren, die von
der benötigten
thermischen Kompensationsenergie abhängt, die von dem Kompensationswiderstand
erzeugt werden soll. Die Steuereinheit kann eine Einheit außerhalb
des Chips sein, die mit dem Heizer-Chip über elektrische Zuleitungen verbunden
ist. Die Steuereinheit kann jedoch auch teilweise oder vollständig auf
dem Heizer-Chip hergestellt sein.
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Im
Betrieb werden X Schaltwiderstände 84 durch
die Steuereinheit 102 selektiv aktiviert, um Blasen in
den Gräben
zu erzeugen, die zu den aktivierten Widerständen ausgerichtet sind, um
eine aktuelle Schaltkonfiguration des optischen Schalters 89 zu
erlangen. Wenn X gleich N ist, entspricht die thermische Energie,
die von den aktivierten Schaltwiderständen erzeugt wird, der gewünschten
thermischen Gesamtenergie. Somit braucht keine Kompensationsenergie
erzeugt zu werden. Wenn jedoch X geringer als N ist, ist die thermische
Energie, die von den aktivierten Widerständen erzeugt wird, geringer
als die gewünschte
thermische Energie. In diesem Fall versorgt die Steuerschaltung
den Kompensationswiderstand 100 mit elektrischer Leistung,
um eine thermische Kompensationsenergie zu erzeugen, die dem Unterschied
zwischen der gewünschten
thermischen Gesamtenergie und der thermischen Energie, die von den
aktivierten Widerständen
erzeugt wird, entspricht. Im Ergebnis bleibt die thermische Gesamtenergie,
die in dem optischen Schalter 98 erzeugt wird, unabhängig von
der Schaltkonfiguration des optischen Schalters konstant. Wenn sich
die thermische Energie, die von den Schaltwiderständen erzeugt wird,
für verschiedene
Schaltkonfigurationen ändert, wird
der Kompensationswiderstand von der Steuerschaltung angeregt, um
eine thermische Kompensationsenergie zu erzeugen, die zu der gewünschten thermischen
Gesamtenergie führt.
Damit bleibt die Betriebstemperatur des optischen Schalters 98 gleichbleibend.
Die Konstruktion des Kompensationswiderstands kann so gewählt werden,
daß die elektrische
Gesamtenergie, die an die Schaltwiderstände und/oder den Kompensationswiderstand
abgegeben wird, immer gleich der Leistung P mal N unabhängig von
der Schaltkonfiguration des optischen Schalters bleibt. In alternativen
Anordnungen kann der optische Schalter 98 zusätzliche
Kompensati onswiderstände
aufweist, die mit einer variablen elektrischen Leistung versorgt
werden, um die gewünschte thermische
Kompensationsenergie zu erzeugen.
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Ein
Verfahren zum Bereitstellen einer Temperatursteuerung für einen
thermisch aktivierten optischen N×M-Schalter gemäß der Erfindung
wird in bezug auf das Ablaufdiagramm der 7 beschrieben. Beim
Schritt 104 werden X Schaltwiderstände selektiv mit einer elektrischen
Leistung versorgt, um den optischen Schalter in einem bestimmten
Schaltzustand zu konfigurieren, wobei 0≤X≤N gilt. Als ein Ergebnis erzeugen
diese Schaltwiderstände
eine thermische Schaltenergie. Die thermische Schaltenergie hängt von
der Anzahl der Schaltwiderstände
ab, die aktiviert sind, und von der elektrischen Leistung, die an
jeden Schaltwiderstand abgegeben wird. In einem bevorzugten Verfahren
werden die Schaltwiderstände
mit einer vorbestimmten Stärke
elektrischer Leistung versorgt, um in entsprechenden Gräben in einem
Waveguide-Chip des optischen Schalters Blasen zu erzeugen. Daher
hängt bei
diesem bevorzugten Verfahren die thermische Schaltenergie nur von der
Zahl der Schaltwiderstände
ab, die aktiviert sind. Im nächsten
Schritt 106 wird bestimmt, ob X gleich N ist. Falls X gleich
N ist, führt
das Verfahren zu einem Ende. Wenn jedoch X kleiner als N ist, führt das
Verfahren mit dem Schritt 108 fort. Beim Schritt 108 wird eine
thermische Kompensationsenergie erzeugt, um eine gewünschte thermische
Gesamtenergie zu erzeugen, wobei die thermische Gesamtenergie gleich der
Summe der thermischen Schaltenergie und der thermischen Kompensationsenergie
ist. Abhängig von
der thermischen Schaltenergie wird die thermische Kompensationsenergie
variiert, um die gewünschte
thermische Energie unabhängig
von der aktuellen Schaltkonfiguration des optischen Schalters zu
erzeugen. Da die thermische Gesamtenergie bei verschiedenen Schaltkonfigurationen
konstant bleibt, wird die Betriebstemperatur des optischen Schalters
auf einer im wesentlichen gleichbleibenden Temperatur gehalten.
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In
einer ersten Ausführungsform
wird die thermische Kompensationsenergie von einem oder mehreren
Kompensationswiderständen
erzeugt. In dieser Ausführungsform
sind die Kompensationswiderstände
strukturell identisch mit den Schaltwiderständen. Die Kompensationswiderstände sind
so angeordnet, um jegliche Beeinflussung der Schaltvorgänge zu minimieren.
Vorzugsweise sind die Kompensationswiderstände über einem Heizer-Chip des optischen
Schalters verteilt, auf dem die Schalt- und Kompensationswiderstände ausgebildet
sind. Wenn X Schaltwiderstände
aktiviert sind, werden N-X Kompensationswiderstände aktiviert, um die thermische Kompensationsenergie
zu erzeugen, wobei N die Zahl der optischen Eingangswe ge des optischen Schalters
ist. Damit sind bei jeder Schaltkonfiguration des optischen Schalters
N Widerstände
aktiviert. Demzufolge wird eine erwünschte thermische Gesamtenergie
für verschiedene
Schaltkonfigurationen erzeugt, um den optischen Schalter auf einer
im wesentlichen gleichbleibenden Betriebstemperatur zu halten.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird die thermische Kompensationsenergie von allen Schaltwiderständen entlang
einer oder mehrerer Spalten von Widerständen erzeugt, die für das optische Schalten
nicht verwenden werden, d.h. den optischen Eingangswegen des Schalters,
die in dem Durchleitungszustand sind. In dieser Ausführungsform
wird für
jede Spalte eine elektrische Leistung P an diese Spalte abgegeben.
Die Leistung P ist die benötigte
elektrische Leistung für
einen Schaltwiderstand, um eine Blase in einem entsprechenden Graben
zu erzeugen. Wenn diese Spalte für
eine optische Schaltung benutzt wird, wird einer der Schaltwiderstände auf
der Spalte mit einer Leistung P versorgt, die diesen Schaltwiderstand
aktiviert. Wenn jedoch diese Spalte nicht für eine optische Schaltung benutzt
wird, wird die Leistung P über
jeden Schaltwiderstand in dieser Spalte verteilt. Dadurch wird an jeden
Widerstand eine elektrische Leistung von P/M abgegeben. Da jeder
der Schaltwiderstände
mit einer Leistung von weniger als P versorgt wird, sind diese Widerstände nicht
aktiviert, d.h. sie verursachen keine Erzeugung von Blasen in den
entsprechenden Gräben.
Im Ergebnis bleibt die thermische Gesamtenergie, die von den aktivierten
Widerständen
und den Widerständen,
die mit der Leistung P/M versorgt werden, für unterschiedliche optische
Schaltkonfigurationen konstant. Demzufolge wird der optische Schalter auf
einer gleichbleibenden Betriebstemperatur gehalten.
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In
einer dritten Ausführungsform
wird die thermische Kompensationsenergie von einem einzelnen großen Kompensationswiderstand
erzeugt. In dieser Ausführungsform
wird an den einzelnen Kompensationswiderstand eine variable elektrische
Leistung abgegeben, um eine thermische Energie zu erzeugen, die
gleich der Differenz zwischen der gewünschten thermischen Gesamtenergie
und der thermischen Schaltenergie ist, die von den aktivierten Schaltwiderständen erzeugt
wird. Damit kann die gewünschte
thermische Gesamtenergie für
verschiedene Schaltkonfigurationen des optischen Schalters erzeugt
werden, was zu einer gleichbleibenden Betriebstemperatur führt.