DE60033007T2

DE60033007T2 - Ein verbesserter, auf interner Totalreflexion beruhender optischer Schalter

Info

Publication number: DE60033007T2
Application number: DE60033007T
Authority: DE
Inventors: David K. Palo Alto Donald; Julie E. Palo Alto Fouquet; Mark A. Palo Alto Troll
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1999-12-22
Filing date: 2000-08-25
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2020-08-26
Also published as: EP1111419B1; JP2001201701A; EP1111419A1; JP4616470B2; DE60033007D1; US6320994B1

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Schalter und insbesondere ein verbessertes Kreuzungspunkt-Schaltelement.
Erfindungshintergrund
Optische Fasern stellen weit größere Datenraten bereit, als elektronische Leitungen. Eine effektive Nutzung der größeren Bandbreite, die optischen Signalwegen eigentümlich ist, erfordert jedoch optische Verzweigungsschalter („cross-connect-switch"). In einer typischen Telekommunikationsumgebung wird für das Schalten der Signale zwischen optischen Fasern ein elektrischer Verzweigungsschalter verwendet. Die optischen Signale werden zuerst in elektrische Signale verwandelt. Nachdem die elektrischen Signale geschaltet wurden, werden die Signale wieder in optische Signale zurückverwandelt, die über die optischen Fasern übertragen werden. Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, verwenden die elektrischen Verzweigungsschalter hoch-parallele und sehr kostspielige Schalteranordnungen. Selbst mit solchen parallelen Architekturen bleiben die Verzweigungsschalter jedoch ein Engpaß.
Eine Anzahl von Verzweigungsschaltern wurden vorgeschlagen; keiner von ihnen hat jedoch den Bedarf nach einem preiswerten, zuverlässigen optischen Verzweigungsschalter gedeckt. Eine Klasse von optischen Verzweigungen stützt sich auf Wellenlängen-Multiplexverfahren („wavelength division multiplexing", WDM), um das Schalten zu beeinflussen. Diese Art von System erfordert es jedoch, daß die optischen Signale, die geschaltet werden, unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. In Systemen, in denen die Lichtsignale alle von der selben Wellenlänge sind, erfordern es Systeme dieser Art, daß die Signale auf die erforderliche Wellenlänge umgewandelt werden, geschaltet werden und dann auf die ursprüngliche Wellenlänge zurückgewandelt werden. Dieser Umwandlungsvorgang verkompliziert das System und steigert die Kosten.
Eine zweite Art von optischen Verzweigungen verwendet Schaltelemente mit innerer Totalreflektion („total internal reflection", TIR). Ein TIR-Element besteht aus einem Wellenleiter mit einer schaltbaren Begrenzung. Licht trifft unter einem Winkel auf die Begrenzung. In dem ersten Zustand trennt die Begrenzung zwei Bereiche, die stark abweichende Brechungsindizes aufweisen. In diesem Zustand wird das Licht von der Begrenzung reflektiert und ändert so seine Richtung. In dem zweiten Zustand weisen die beiden Bereiche, die von der Begrenzung getrennt werden, denselben Brechungsindex auf, und das Licht setzt sich in gerader Linie durch die Begrenzung fort. Das Ausmaß der Richtungsänderung hängt von der Differenz in dem Brechungsindex der zwei Bereiche ab. Um eine große Richtungsänderung zu erhalten, muß der Bereich hinter der Begrenzung zwischen einem Brechungsindex, der gleich dem des Wellenleiters ist, und einem Brechungsindex, der sich spürbar von dem des Wellenleiters unterscheidet, schaltbar sein.
Eine Klasse von TIR-Elementen vom Stand der Technik, die eine große Änderung des Brechungsindexes bereitstellen, arbeitet, indem sie das Material hinter der Begrenzung mechanisch verändert. Im U.S. Pat. Nr. 5,204,901 beispielsweise beschreiben Kanai et al. eine optische Kreuzverzweigung, die auf einem Array von Koppelpunkten oder Kreuzungspunkten in einem Wellenleiter basiert. Ein Graben an jedem Kreuzungspunkt kann, abhängig davon, ob der Graben mit einem Öl mit übereinstimmenden Index gefüllt ist, „ein-" oder „aus-" geschaltet werden. Das Öl mit übereinstimmendem Index weist einen Brechungsindex auf, der nahe an dem des Wellenleiters liegt. Ein optisches Signal, das durch einen Wellenleiter übertragen wird, wird durch den Kreuzungspunkt übertragen, wenn der Graben mit dem übereinstimmenden Öl gefüllt ist, aber das Signal ändert seine Richtung am Kreuzungspunkt durch innere Totalreflektion, wenn der Graben leer ist. Um die Kreuzungspunkt-Schaltanordnung zu verändern müssen Gräben gefüllt oder geleert werden. In dem System, das in diesem Patent gelehrt wird, füllt und leert ein „Roboter" die Gräben. Diese Art von Schalter ist für viele Anwendungen von Interesse zu langsam.
Eine schnellere Version dieser Art von TIR-Element wird im U.S. Patent 5,699,462 gelehrt, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Die TIR, die in diesem Patent gelehrt wird, verwendet thermische Aktivierung, um eine Flüssigkeit aus einer Lücke an der Kreuzung von einem ersten optischen Wellenleiter und einem zweiten optischen Wellenleiter zu verschieben. In dieser Art von TIR wird ein Graben durch einen Wellenleiter geschnitten. Der Graben wird mit einer Flüssigkeit mit übereinstimmendem Index gefüllt. Eine Blase wird bei dem Kreuzungspunkt erzeugt, indem die Flüssigkeit mit übereinstimmendem Index mit einer lokalen Heizeinrichtung erwärmt wird. Die Blase muß von dem Kreuzungspunkt entfernt werden, um den Kreuzungspunkt aus dem reflektierenden in den übertragenden Zustand zu schalten, und so die Richtung des ausgegebenen optischen Signals zu ändern.
Wenn die Blase nicht-kondensierbare Gase (wie etwa Luft) enthält, braucht sie zu lange (Minuten), um vernichtet zu werden, wenn die Heizeinrichtung abgestellt wird. Dies ist für die meisten Anwendungen, die eine schnellere Zykluszeit erfordern, nicht annehmbar. Eine solche Gasblase kann entfernt werden, indem an die Blase eine Kraft angelegt wird, um sie aus dem optischen Weg, auf eine Seite, zu bewegen.
Die Blase kann auch in einen anderen Abschnitt des Grabens bewegt werden, indem der Druck auf einer Seite der Blase erhöht wird. Solche Erhöhungen des Drucks können erreicht werden, indem die Flüssigkeit auf einer Seite des Kreuzungspunkts erwärmt wird, oder indem die Flüssigkeit auf einer Seite des Kreuzungspunkts physisch verschoben wird, um die Blase vom Kreuzungspunkt weg zu schieben oder ziehen. Wenn die Wände des Grabens parallel zueinander sind, muß die Verschiebung groß genug sein, um die gesamte Blase aus dem Kreuzungspunktbereich zu bewegen. Solch große Verschiebungen erfordern relativ lange Zeitdauern oder teure Hardware.
EP 0 318 088 offenbart einen optischen Schalter, der ein Substrat umfaßt, das Wellenleiter aufweist, die sich an einem vorbestimmten Ort in diesem Substrat treffen, wobei ein Graben in dem Substrat ausgebildet ist und den ersten und zweiten Wellenleiter an einem vorbestimmten Ort schneidet. Ein Graben wird mit einer Flüssigkeit, die einen ersten Brechungsindex hat, gefüllt. Wenn die Flüssigkeit erwärmt wird, wird eine Blase erzeugt, wobei die Blase einen zweiten Brechungsindex hat. Ein Verschiebemechanismus wird bereitgestellt, um eine Blase aus dem Spalt in andere Teile des Grabenbereichs zu verschieben. In einer Ausführungsform weist der Graben eine kontinuierlich wachsende Breite auf. Die wachsende Breite hilft dabei, die Blase in eine Richtung zu ziehen.
EP 1 014 140 , das ein Dokument nach Art. 54(3) EPC ist, offenbart einen optischen Schalter, der ein Substrat umfaßt, das Wellenleiter aufweist, die sich an einem vorbestimmten Ort treffen. Ein Graben, der in dem Substrat ausgebildet ist, schneidet die Wellenleiter an diesem Ort. Der Graben umfaßt einen ersten Grabenbereich, der einen Spalt zwi schen den genannten Wellenleitern ausbildet, einen zweiten Grabenbereich, der an den ersten Grabenbereich angrenzt, und einen dritten Grabenbereich, der an den zweiten Grabenbereich angrenzt. Die Breite des ersten Grabenbereichs ist größer als die Breite des zweiten Grabenbereichs; und die Breite des dritten Grabenbereichs ist größer als die des ersten und zweiten Grabenbereichs.
US 5,978,527 offenbart einen optischen Schalter, der einen Graben umfaßt, der erste und zweite Wellenleiter kreuzt. Der Graben wird mit einer Flüssigkeit gefüllt, wobei dieses Dokument auf dem Prinzip basiert, die Flüssigkeit aus dem Graben in einen Behälter auszuwerfen, um einen trockenen Zustand in der Spalte herzustellen.
Allgemein ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Kreuzungspunkt zur Verwendung in Verzweigungsschaltern und ähnlichem anzugeben.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kreuzungspunkt anzugeben, bei dem die Blasen-Entfernungsdauer kürzer als in Kreuzungspunkt-Schaltern vom Stand der Technik ist.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offenbar werden.
Abriß der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird in Anspruch 1 definiert. Ein optischer Schalter wird auf einem Substrat konstruiert, das einen ersten und zweiten Wellenleiter umfaßt, die sich bei einem Spalt mit einer vorbestimmten Breite kreuzen. Der erste und zweite Wellenleiter sind so positioniert, daß das Licht, das den ersten Wellenleiter durchläuft, in den zweiten Wellenleiter eintritt, wenn der Spalt mit einer Flüssigkeit mit einem ersten Brechungsindex gefüllt ist. Der Spalt ist Teil eines Grabens in dem Substrat, der einen ersten Bereich, der die Spalte umfaßt, und einen zweiten Bereich, der an den ersten Bereich angrenzt, umfaßt. Licht, das den ersten Wellenleiter durchläuft, wird von dem Spalt reflektiert, wenn der Spalt mit einem Gas gefüllt ist. Eine Flüssigkeit mit einem ersten Brechungsindex wird in den ersten Bereich eingebracht. Die Flüssigkeit erzeugt ein Gas, wenn sie auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird. Eine erste Heizeinrichtung ist in dem ersten Bereich angeordnet, um die Flüssigkeit auf die vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, wobei eine Gasblase in der Flüssigkeit an dem Spalt erzeugt wird. Ein Verschiebemechanismus veranlaßt in Antwort auf ein Steuersignal, daß sich die Gasblase in dem ersten Bereich teilweise in den zweiten Bereich zu erstreckt. Der Verschiebemechanismus kann aus einer zweiten Heizeinrichtung konstruiert werden, von der ein Anteil in dem ersten Bereich zwischen der ersten Heizeinrichtung und dem zweiten Bereich liegt. Der Verschiebemechanismus kann auch mit einem Mechanismus konstruiert werden, der eine Druckdifferenz an den ersten Bereich anlegt, was veranlaßt, daß sich die Blase teilweise in den zweiten Bereich erstreckt. Ein dritter Wellenleiter, der ein Ende aufweist, das bei dem Spalt endet, kann auch in dem optischen Schalter enthalten sein. Der dritte Wellenleiter wird so positioniert, daß Licht, das den ersten Wellenleiter durchläuft, in den dritten Wellenleiter eintritt, wenn der Spalt nicht mit Flüssigkeit gefüllt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 und 2 sind Draufsichten eines Kreuzungspunkt-Schaltelementes 10 mit zwei Zuständen nach dem Stand der Technik.
3 ist eine Draufsicht eines Kreuzungspunkt-Grabens 100 nach der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Seitenansicht des Grabens 100.
5 ist eine Draufsicht eines Schaltelements 101, das den Graben 100 verwendet.
6 und 7 stellen die Art dar, auf die eine Blase im Bereich 113 verschoben wird.
8 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Kreuzungspunkt-Grabens nach der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Grabens nach der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Grabens nach der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Grabens nach der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung kann besser mit Bezug auf die 1 und 2 verstanden werden, die Draufsichten eines Kreuzungspunkt-Schaltelementes 10 mit zwei Zuständen nach dem Stand der Technik sind. Das Schaltelement 10 wird aus drei Wellenleitern 11–13 konstruiert, die in einer planaren Lichtwellenschaltung auf der Oberseite eines Substrats gefertigt werden. Das Substrat besteht vorzugsweise aus Silika, aber andere Materialien, wie etwa Silizium, können verwendet werden. Die Wellenleiter werden durch zwei Mantelschichten und eine Kernschicht definiert. Um die Zeichnung zu vereinfachen, wurden die einzelnen Schichten ausgelassen. Die Fertigung eines solchen Wellenleiters in Silika ist im Stand der Technik wohlbekannt und wird hier daher nicht im Detail diskutiert. Hitachi Cable and Photonic Intergration Research, Inc. in Columbus, Ohio haben beispielsweise Wellenleiter in SiO₂ auf Silika und Siliziumsubstraten demonstriert. Der Kern besteht hauptsächlich aus SiO₂, das mit einem anderen Material, wie etwa Ge oder TiO₂, dotiert ist. Das Mantelmaterial besteht aus SiO₂, das mit einem anderen Material, wie etwa B₂O₃ und/oder P₂O₅, dotiert ist. Da das Kernmaterial einen Brechungsindex hat, der sich vom Brechungsindex des Mantelmaterials unterscheidet, werden optische Signale entlang der Wellenleiter 11–13 geleitet.
Ein Graben 14 ist durch den Wellenleiter und vorzugsweise in das Siliziumsubstrat geätzt. Der Graben 14 ist so positioniert, daß ein Lichtsignal, das entlang des Wellenleiters 11 wandert, in den Wellenleiter 13 reflektiert wird, wenn der Brechungsindex des Materials, das den Graben 14 füllt, wesentlich von dem Brechungsindex des Wellenleiters abweicht, wie in 1 gezeigt ist. Dieser Zustand des Schaltelements wird als der „reflektierende" Zustand bezeichnet. Wenn die Kreuzung von dem Graben und den Wellenleitern mit einem Material mit einem Brechungsindex, der mit dem des Kerns des Wellenleiters übereinstimmt, gefüllt ist, durchläuft das Lichtsignal den Graben 14 und tritt durch den Wellenleiter 12 aus, wie in 2 gezeigt ist. Dieser Zustand des Schaltelements wird als der „nichtreflektierende" Zustand bezeichnet.
Der Winkel, bei dem die Wellenleiter 11 und 13 sich kreuzen, hängt von der Differenz der Brechungsindizes des Wellenleitermaterials und des Materials ab, das verwendet wurde, den reflektierenden Zustand in dem Graben zu erzeugen. Die Einfallswinkel der Wellenleiter und die Lage des Grabens werden so gewählt, daß Licht, das aus dem Wellenleiter 11 auf den Graben trifft, völlig in den Wellenleiter 13 reflektiert wird. Dieser Winkel liegt üblicherweise zwischen 53 und 75 Grad, bezogen auf die Richtung senkrecht zur Grabenwand.
Wenn der Graben mit dem Material mit übereinstimmendem Index gefüllt ist, tritt Licht, das sich in einem vierten Wellenleiter 19 ausbreitet, in den Wellenleiter 13 ein. Der Wellenleiter 19 wird verwendet, um Kreuzverteiler-Schalter zu konstruieren, die zweidimensionale Arrays von Kreuzungspunkt-Schaltelementen verwenden. Ein Array dieser Art wird üblicherweise als eine Mehrzahl von Zeilen und Spalten von Kreuzungspunkt-Schaltelementen konstruiert. Der Kreuzverteilerschalter verbindet Signale, die in die Zeilen-Wellenleiter eingegeben werden, mit den Spalten-Wellenleitern. Das spezielle Schaltmuster hängt von dem Zustand der Schaltelemente ab.
In diesen einfachen Kreuzverteiler-Schaltern gibt es zu jedem festen Zeitpunkt höchstens ein Schaltelement in jeder Spalte, das Licht aus einem Zeilen-Wellenleiter in einen Spalten-Wellenleiter schaltet. Das Licht, das in den Spalten-Wellenleiter geschaltet wird, wird an das Ende der Spalte über Schaltelemente geleitet, die sich in einem nicht-reflektierenden Zustand befinden. Der Wellenleiter 19 erlaubt es Licht, das von einem Schaltelement über dem Element 10 im Array geschaltet wird, zum nächsten unter ihm in der Spalte liegenden Schaltelement geleitet zu werden, so daß das Licht schließlich aus dem letzten Schaltelement in der Spalte austreten kann.
Wie oben angemerkt kann das Material mit übereinstimmendem Index aus der Kreuzung verschoben werden, indem eine Blase 15 an der Kreuzung mit Hilfe eines Heizelements 16 ausgebildet wird. Kleine Heizelemente, die für diese Aufgabe geeignet sind, sind im Gebiet der Tintenstrahlfertigung wohlbekannt, und werden daher hier nicht im Detail behandelt. Das Heizelement liegt vorzugsweise unter dem Wellenleiter, um zu gewährleisten, daß das Licht, das den Graben durchläuft, nicht vom Heizelement abgefangen wird. Die Blase kann erzeugt werden, indem die Flüssigkeit mit übereinstimmendem Index verdampft wird, oder indem ein in der Flüssigkeit gelöstes Gas abgegeben wird.
Die Blase kann entfernt werden, indem man sie kollabieren läßt, oder indem sie auf eine Seite bewegt wird, wie in 2 gezeigt ist. Um die Blase auf eine Seite zu bewegen, ist es nötig, daß die Blase aktiv um eine Entfernung von mindestens der Länge der Blase verschoben wird. solche aktiven Verschiebungen werfen technische Probleme auf.
Die vorliegende Erfindung verringert die Menge an aktivem Verschieben, die zum Entfernen der Blase benötigt wird, und vermeidet daher dieses Problem. Beziehen Sie sich nun auf die 3–5. Die 3 ist eine Draufsicht eines Kreuzungspunkt-Grabens 100 nach der vorliegenden Erfindung. Die 4 ist eine Seitenansicht des Grabens 100. Der Graben 100 ersetzt den Graben 14, der in den 1 und 2 gezeigt ist. Die 5 ist eine Draufsicht eines Schaltelements 101, das den Graben 100 verwendet. Die 5 stellt die Reflektion eines Lichtsignals von der Grabenwand dar, wenn eine Blase 117 vorhanden ist. Um die Zeichnungen zu vereinfachen, wurden die bei 121–123 in 5 gezeigten Wellenleiter in den 3 und 4 weggelassen. Der Graben 100 wird vorzugsweise in ein Substrat 180 geätzt und umfaßt einen Spaltabschnitt 113 mit parallelen Wänden, die entweder ein Lichtsignal reflektieren, wie in 5 gezeigt ist, oder es dem Lichtsignal erlauben, den Graben zu passieren, wenn der Abschnitt 113 mit einem Material mit übereinstimmendem Index gefüllt ist. Die Anteile des Grabens auf beiden Seiten des Abschnitts 113 sind abgeschrägt, wie bei 112 und 114 gezeigt ist. Ein Heizelement 116 ist auf dem Grund des Grabens 100 angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Wände 111 und 115 des Grabens beiderseits der abgeschrägten Bereiche zueinander parallel; andere geometrische Anordnungen können jedoch verwendet werden, ohne von der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beziehen Sie sich nun auf 6 und 7, die die Art darstellen, auf die eine Blase in Bereich 113 verschoben wird. Die vorliegende Erfindung ist auf die Beobachtung gestützt, daß eine in der Region 113 gebildete Blase, die sich nicht über 113 hinaus erstreckt, in Region 113 verbleibt, wie in Figur gezeigt wird. Wenn die Blase jedoch leicht zu einer Seite hin verschoben wird, so daß ein Teil der Blase in einen der bei 128 in 6 gezeigten abgeschrägten Bereiche eintritt, wird die Blase durch die Oberflächenspannung der Blase in den abgeschrägten Bereich hinein gezogen, bis sich die Blase völlig innerhalb des abgeschrägten Bereichs oder des Bereichs jenseits des abgeschrägten Bereichs befindet, wie bei 129 in 7 gezeigt ist. Sobald die Blase in den abgeschrägten Bereich verschoben ist, wird der Graben für Licht durchlässig, und der Kreuzungspunkt wird geschaltet sein. Die Blase kollabiert dann ohne weitere Hilfe. Wenn der Kreuzungspunkt in den reflektierenden Zustand zurückgeschaltet werden muß, kann eine neue Blase in den Bereich 113 eingeführt werden, indem das Heizelement 116 reaktiviert wird.
Beziehen Sie sich nun auf 8, die eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Kreuzungspunkt-Grabens 130 nach der vorliegenden Erfindung ist. Um die folgende Erläuterung zu vereinfachen, wurden denjenigen Merkmalen des Grabens 130, die dieselben Funktionen ausführen wie Merkmale des Grabens 100, der in den 3 und 4 gezeigten ist, dieselben Bezugszeichen gegeben. Der Graben 130 unterscheidet sich vom Graben 100 darin, daß ein zweites Heizelement, das bei 131 gezeigt wird, auf dem Grund des Grabens an einem Ort eingeführt wurde, der teilweise in dem abgeschrägten Bereich 112 liegt. Das Heizelement 131 wird verwendet, um eine Blase, die vom Heizelement 116 im Bereich 113 erzeugt wird, wie etwa die bei 137 gezeigte Blase, zu destabilisieren. Wenn das Heizelement 131 aktiviert wird, wird die Blase 137 in dem Abschnitt über dem Heizelement 131 vergrößert. Die neue Blase erstreckt sich nun in den abgeschrägten Bereich des Grabens. Wie oben angemerkt, wird eine solche Blase durch den Mechanismus, der oben mit Bezug auf die 6 und 7 beschrieben wurde, automatisch in den abgeschrägten Bereich und aus dem Bereich 113 gezogen. Es sollte angemerkt werden, daß die in 8 gezeigte Heizeinrichtung auch auf die andere Seite des Bereichs 113 plaziert werden kann.
Um zum Verlassen des Bereichs 113 veranlaßt zu werden, kann eine Blase im Bereich 113 auch dadurch ausreichend verschoben werden, daß eine Druckdifferenz an dem Bereich 113 erzeugt wird. Beziehen Sie sich nun auf die 9 und 10, die eine Seitenansicht bzw. Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines Grabens nach der vorliegenden Erfindung sind. Um die folgende Abhandlung zu vereinfachen, wurden denjenigen Merkmalen des Grabens 130, die dieselben Funktionen ausführen wie Merkmale des Grabens 100, der in den 3 und 4 gezeigt ist, dieselben Bezugszeichen gegeben. Der Graben 150 umfaßt zwei bei 141 und 142 gezeigte Membrane, die verformt werden können, um den Druck im Graben 150 zu verändern. In der in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsform werden die Membrane in einer „Druck-Zug"-Art betrieben, so daß der Druck auf einer Seite des Bereichs 113 erhöht wird, während der des Bereichs auf der anderen Seite verringert wird. Diese Druckdifferenz ist ausreichend, um die Lage der Blase 147 ausreichend in den Bereich 114 zu verschieben, um die Blase zum Verlassen des Bereichs 113 zu veranlassen.
Das erforderliche Verschieben ist viel kleiner als in Systemen, die es erfordern, daß das Verschieben die Blase völlig aus dem Bereich 113 herausbewegt. Membrandesigns von der Art, die in Tintenstahldruckern verwendet werden, können zu diesem Zweck verwendet werden. Während die in den 9 und 10 gezeigten Ausführungsformen Membranen verwenden, die auf der Oberseite des Grabens angebracht werden, wird es für den Fachmann aus der vorangegangenen Diskussion offensichtlich sein, daß jede Vorrichtung, die den Druck oder das Volumen auf zumindest einer Seite des Bereichs 113 verändert, verwendet werden kann, zum Beispiel piezoelektrische Wandler oder mikromechanische Vorrichtungen. Beispielsweise kann ein Heizelement 153 im Bereich 115 angebracht werden, das genügend Leistung bereitstellt, eine Blase zu erzeugen, die den Druck auf der Seite des Bereichs 113 verändert, die die Heizeinrichtung umfaßt. Nachdem die Blase im Bereich 113 entfernt wurde, kann man die den Druck induzierende Blase kollabieren lassen.
Die Länge des Bereichs 113 wird vorzugsweise so gewählt, daß sie groß genug ist, das gesamte Lichtsignal aufzunehmen, das den Bereich 113 durchquert, wenn das Schaltelement durchlässig ist. Wegen der Natur optischer Ausbreitung in planaren Lichtwellenschaltungen muß dieser Bereich etwas größer als die Adern der Wellenleiter sein, die auf beiden Seiten des Bereichs 113 enden.
In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Grabenwände auf beiden Seiten des Bereichs 113 zueinander parallel, das heißt, daß die Abschnitte 11 und 12 co-linear sind und die Abschnitte 19 und 13 co-linear sind. Im Prinzip muß nur die Wand, die das Lichtsignal reflektiert, wenn der Schalter im reflektierenden Zustand ist, eben sein. Wenn jedoch eine Flüssigkeit verwendet werden muß, deren Brechungsindex nicht genau mit dem des Wellenleiters übereinstimmt, wird, wenn der Graben in dem durchlässigen Zustand ist, das optische Signal gebrochen, wenn es in die Flüssigkeit eintritt, und nochmals, wenn es sie verläßt. Diese Brechung führt in der Summe zu einem seitlichen Versatz. Der Ausgangswellenleiter des Schaltelements kann verschoben werden, um diesen Versatz aufzunehmen. Wenn die Grabenwände am Eintritts- und Austrittspunkt parallel sind, können der ursprüngliche Wellenleiterabstand und -winkel trotz dieses Versatzes beibehalten werden. Wenn die Eintritts- und Austrittswände jedoch nicht parallel sind, weicht der Winkel des Austrittswellenleiters von dem Winkel des Eintrittswellenleiters ab, und der Abstand wird verzerrt. Diese Änderungen verkomplizieren die optischen Zwischenverbindungen, die benötigt werden, um einen Kreuzungspunkt-Schalter mit vielen Schaltelementen zu konstruieren, was zu erhöhten Kosten führt.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen drei Wellenleiter; Ausführungsformen, die nur zwei Wellenleiter umfassen können jedoch auch konstruiert werden. Mit Bezug auf 1 kann entweder der Wellenleiter 12 oder der Wellenleiter 13 durch ein lichtabsorbierendes Medium ersetzt werden. In einer solchen Ausführungsform hat der optische Schalter einen ersten Zustand, bei dem das Lichtsignal von dem Eigangswellenleiter zu dem verbleibenden Ausgangswellenleiter übertragen wird, und einen zweiten Zustand, bei dem das Lichtsignal absorbiert wird. Die Ausführungsform, bei der der Ausgangswellenleiter 13 eliminiert wird, ist besonders nützlich zur Konstruktion von N:1-optischen-Multiplexern.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben einen abgeschrägten Bereich auf beiden Seiten des Spalts im Graben verwendet. Die abgeschrägten Bereiche können jedoch ausgelassen werden, vorausgesetzt, daß der Bereich auf derjenigen Seite der Spalte, in die die Blase verschoben werden soll, größer als der Spalt ist. Beziehen Sie sich nun auf 11, die eine Draufsicht eines Grabens 300 ist, der eine solche alternative Konfiguration verwendet. Der Graben 300 verbindet einen Wellenleiter 321 mit 322, wenn eine Blase 317 in dem Graben vorliegt, und verbindet den Wellenleiter 321 und 323, wenn der Graben mit einer Flüssigkeit mit übereinstimmendem Index gefüllt ist.
Verschiedene Modifikationen an der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der vorangegangen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich werden. Daher soll die vorliegende Erfindung nur durch den Schutzumfang der folgenden Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Optischer Schalter (101) mit einem Substrat (180), das einen ersten und zweiten Wellenleiter (121, 123), die sich an einer vorgegebenen Stelle in dem Substrat (180) treffen, und einen Graben (100, 130, 150), der in dem Substrat (130) ausgebildet ist und den ersten und den zweiten Wellenleiter (121, 123) bei der vorgegebenen Stelle schneidet, aufweist; wobei der Graben einen ersten Grabenbereich (113) aufweist, der in einem Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Wellenleiter (121, 123) an dieser Stelle liegt, sowie einen zweiten Grabenbereich (112, 114) benachbart dem ersten Grabenbereich (113) aufweist, wobei die Breite des ersten Grabenbereiches konstant und kleiner als die Breite des zweiten Grabenbereiches ist; und mit einer Flüssigkeit mit einem ersten Brechungsindex, wobei ein Teil der Flüssigkeit in dem ersten Grabenbereich angeordnet ist und wobei die Flüssigkeit ein Gas erzeugt, wenn sie auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt wird; und einer ersten Heizeinrichtung (116), die an dem ersten Grabenbereich (113) angeordnet ist, zum Aufheizen der Flüssigkeit auf die vorgegebene Temperatur und dadurch Erzeugen einer Gasblase in der Flüssigkeit in dem ersten Grabenbereich (113); und einem Verschiebemechanismus; wobei der erste und der zweite Wellenleiter (121, 123) relativ zu dem Graben (100, 130, 150) derart angeordnet sind, daß Licht, das von dem ersten Wellenleiter (121) in den Spalt eintritt, zu dem zweiten Wellenleiter (123) gerichtet wird, wenn der Spalt mit der Flüssigkeit gefüllt ist, während Licht, das von dem ersten Wellenleiter (121) in den Spalt eintritt, reflektiert wird, wenn der Spalt mit Gas gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Flüssigkeit in dem zweiten Grabenbereich angeordnet ist und die Gasblase es erlaubt, daß die Flüssigkeit in dem zweiten Grabenbereich bleibt, und daß der Verschiebemechanismus bewirkt, daß die Gasblase in dem ersten Grabenbereich (113) sich in die Flüssigkeit in dem zweiten Grabenbereich (112) abhängig von einem Steuersignal erstreckt, wobei der erste und der zweite Grabenbereich so konfiguriert sind, daß dann, wenn die Gasblase verschoben wird, so daß ein Teil der Gasblase in den zweiten Grabenbereich eintritt, die Gasblase durch die Oberflächenspannung der Gasblase in den zweiten Grabenbereich gezogen wird.
Optischer Schalter (101) nach Anspruch 1, wobei der Verschiebemechanismus eine zweite Heizeinrichtung (131) aufweist, wobei ein Teil dieser zweiten Heizeinrichtung in dem ersten Grabenbereich (113) zwischen der ersten Heizeinrichtung (116) und dem zweiten Grabenbereich (112) liegt.
Optischer Schalter (101) nach Anspruch 2, wobei die zweite Heizeinrichtung (131) sich in den zweiten Grabenbereich (112) hinein erstreckt.
Optischer Schalter (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Graben (100, 130, 150) einen dritten Grabenbereich (114) aufweist, dessen Breite größer ist als die Breite des ersten Grabenbereichs (113), wobei der erste Grabenbereich (113) zwischen dem zweiten und dem dritten Grabenbereich (112, 114) liegt, und wobei der Verschiebemechanismus einen Mechanismus (141, 142, 153) zum Induzieren einer Druckdifferenz über den ersten Grabenbereich (113) aufweist.
Optischer Schalter (101) nach Anspruch 4, wobei der Verschiebemechanismus eine dritte Heizeinrichtung (153) aufweist, die in dem zweiten Grabenbereich (112) oder dem dritten Grabenbereich (114) des Grabens (100, 130, 150) liegt.
Optischer Schalter (101) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Verschiebemechanismus eine mechanische Einrichtung (141, 142) zum Verschieben der Flüssigkeit in dem zweiten oder dem dritten Grabenbereich (122, 114) des Grabens (100, 130, 150) aufweist.
Optischer Schalter (101) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem dritten Wellenleiter (122), der ein Ende aufweist, das bei dem Spalt endet, wobei der dritte Wellenleiter (122) derart angeordnet ist, daß Licht, welches von dem ersten Wellenleiter (121) in den Spalt eintritt, in den dritten Wellenleiter (122) eintritt, wenn der Spalt mit Gas gefüllt ist.