-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft optische Schalter und insbesondere
ein verbessertes Kreuzungspunkt-Schaltelement.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Optische
Fasern stellen erheblich höhere Datenraten
zur Verfügung
als elektronische Wege. Die effektive Nutzung der größeren Bandbreite,
die den optischen Signalwegen eigen ist, erfordert jedoch optische
Kreuzverbindungsschalter. In einer typischen Telekommunikationsumgebung
wird zum Schalten von Signalen zwischen optischen Fasern ein elektrischer
Kreuzverbindungsschalter verwendet. Die optischen Signale werden
zuerst in elektrische Signale umgewandelt. Nachdem die elektrischen
Signale geschaltet wurden, werden die Signale wieder zurück in optische
Signale umgewandelt, die über
optische Fasern übertragen
werden. Um einen hohen Durchsatz zu erreichen, verwenden die elektrischen
Kreuzverbindungsschalter stark parallele und sehr kostenintensive
Schaltungsanordnungen. Aber selbst mit solchen parallelen Architekturen
bilden die Kreuzverbindungsschalter noch einen Engpaß.
-
Mehrere
optische Kreuzverbindungsschalter wurden vorgeschlagen. Jedoch erfüllt keiner
von diesen zufriedenstellend das Bedürfnis nach einem kostengünstigen,
betriebssicheren, optischen Kreuzverbindungsschalter. Eine Klasse
von optischen Kreuzverbindungen beruht auf einem Wellenlängenmultiplexing
(WDM), um das Schalten zu bewirken. Diese Art von Systemen erfordert
jedoch, daß die
zu schaltenden optischen Signale unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
In Systemen, in denen die Lichtsignale alle die gleiche Wellenlänge besitzen,
erfordern diese Art von Systemen, die Signale in die gewünschte Wellenlänge umzuwandeln,
zu schalten und anschließend
wieder in die ursprüngliche
Wellenlänge
zurück
umzuwandeln. Dieser Umwandlungsprozeß macht die Systeme kompliziert
und erhöht
die Kosten.
-
Eine
zweite Art einer optischen Kreuzverbindung benutzt Schaltelemente
mit Totalreflexion (TIR). Ein TIR-Element besteht aus einem Waveguide
mit einer schaltbaren Grenze. Das Licht streift die Grenze in einem
Winkel. In dem ersten Zustand trennt die Grenze zwei Bereiche mit
im wesentlichen unterschiedlichen Brechungsindizes. In diesem Zustand ist
der Einfallswinkel größer als
der kritische Winkel der TIR, das Licht wird von der Grenze weg
gebrochen und ändert
daher die Richtung. In dem zweiten Zustand besitzen die zwei Bereiche,
die von der Grenze getrennt werden, den gleichen Brechungsindex
und das Licht schreitet in einer graden Linie durch die Grenze fort.
Der kritische Winkel der TIR hängt
von dem Unterschied der Brechungsindizes der zwei Bereiche ab. Um
eine große
Richtungsänderung
zu erreichen, muß der
Bereich hinter der Grenze zwischen einem Brechungsindex, der gleich dem
des Waveguides ist, und einem Brechungsindex, der merklich kleiner
als der des Waveguides ist, geschaltet werden.
-
Eine
Klasse von TIR-Elementen nach dem Stand der Technik, die eine große Änderung
des Brechungsindex liefern, wird durch eine mechanische Änderung
des Materials hinter der Grenze betrieben. Beispielsweise beschreibt
das US-Patent Nr. 5 204 921 von Kanai et. al. eine optische Kreuzverbindung, die
auf einer Anordnung von Kreuzungspunkten in einem Waveguide beruht.
Eine Rille an jedem Kreuzungspunkt kann zwischen „An" oder „Aus" geschaltet werden,
abhängig
davon, ob die Rille mit einem Index anpassendem Öl gefüllt ist. Das Index anpassende Öl besitzt
einen Brechungsindex nahe zu denen der Waveguides. Ein optisches
Signal, das durch einen Waveguide übertragen wird, wird durch
den Kreuzungspunkt übertragen,
wenn die Rille mit dem anpassenden Öl gefüllt ist, das Signal ändert jedoch seine
Richtung an dem Kreuzungspunkt durch Totalreflexion, wenn die Rille
leer ist. Um die Schaltanordnung an dem Kreuzungspunkt zu ändern, müssen die Rillen
gefüllt
oder geleert werden. In dem System, das in diesem Patent gelehrt
wird, füllt
und leert ein „Automat" die Rillen. Diese
Art von Schalter ist für viele
Anwendung von Interesse zu langsam.
-
Eine
schnellere Version dieser Art von TIR-Element wird in dem US-Patent
Nr. 5 699 462 gelehrt. Die TIR, die in diesem Patent gelehrt wird, verwendet
eine thermische Aktivierung, um Flüssigkeit aus einer Lücke am Schnittpunkt
eines ersten optischen Waveguides und eines zweiten optischen Waveguides
zu verlagern. In dieser Art von TIR-Element wird ein Graben durch
den Waveguide geschnitten. Der Graben wird mit einer Index anpassenden
Flüssigkeit
gefüllt.
Eine Blase wird an dem Kreuzungspunkt durch Erwärmen der Index anpassenden Flüssigkeit
mit einem lokalen Heizer erzeugt. Die Blase muß aus dem Kreuzungspunkt entfernt
werden, um den Kreuzungspunkt von dem Reflexions- zu dem Transmissionszustand
zu schalten und damit die Richtung des ausgegebenen optischen Signals zu ändern.
-
Schalter,
die auf einem Gas-Dampf-Übergang
beruhen, haben mehrere Probleme. Als erstes ist eine erhebliche
Menge von Leistung notwendig, um die Blase durch Verdampfen der
Index anpassenden Flüssigkeit
zu erzeugen. Um die Dampfblase an dem Kreuzungspunkt zu erhalten,
muß als
zweites ein großer
Temperaturgradient aufrechterhalten werden. Dieser Temperaturgradient
umfaßt
eine thermische Belastung und verringert den Betriebstemperaturbereich
der Vorrichtung. Als drittes hängen
diese Schalter von der Leistung ab, die über die gesamte Zeit vorhanden
ist. Wenn die Leistung von der Vorrichtung weggenommen wird, können evtl.
alle Kreuzungspunkte in den Transmissionszustand eintreten.
-
Es
ist daher allgemein ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Kreuzungspunkt für
die Benutzung in Kreuzverbindungsschaltern und dergleichen zur Verfügung zu
stellen.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kreuzungspunkt
zur Verfügung
zu stellen, der keine hohen Temperaturgradienten und keinen hohen
Leistungsaufwand erfordert, wie die vorhergehend diskutierten Vorrichtungen
aus dem Stand der Technik.
-
Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kreuzungspunkt
zur Verfügung
zu stellen, der seinen Zustand erhält, wenn die Leistung von dem
Kreuzungspunkt entfernt wird.
-
Diese
und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden den betreffenden
Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und
den beigefügten
Zeichnungen deutlich.
-
Die
Ziele werden durch einen optischen Schalter gemäß jedem der Ansprüche 1, 4
und 11 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden
in den abhängigen
Ansprüche
definiert.
-
Gemäß einem
Aspekt ist ein optischer Schalter aus einem ersten und einem zweiten
Waveguide konstruiert. Der erste und der zweite Waveguide besitzen über eine
Lücke angeordnete
Enden, so daß Licht,
das den ersten Waveguide durchläuft,
in den zweiten Waveguide eintritt, wenn die Lücke mit einer Flüssigkeit
gefüllt
ist, die einen ersten Brechungsindex aufweist, während Licht, das den ersten Waveguide
durchläuft,
von der Lücke
reflektiert wird, wenn die Lücke
mit einem Material gefüllt
ist, das einen zweiten Brechungsindex aufweist, der sich von dem
ersten Brechungsindex wesentlich unterscheidet. Die Lücke ist
Teil eines Grabens, der einen Flüssigkeitstropfen
enthält,
der aus einem Tropfenmaterial hergestellt ist, das den ersten Brechungsindex
aufweist. Der Tropfen wird in dem Graben angeordnet und kann sich
zwischen der ersten und zweiten Position in dem Graben bewegen,
wobei der Tropfen die Lücke
in der ersten Position ausfüllt.
Die Lücke
ist mit einem Material, das den zweiten Brechungsindex aufweist,
gefüllt,
wenn der Tropfen sich in der zweiten Position befindet. Der Tropfen
kann unter Verwendung eines elektrischen Felds bewegt werden, das von
mehreren Elektroden erzeugt wird, die so angeordnet sind, daß ein elektrisches
Potential, das zwischen einem ersten Paar von Elektroden angelegt wird,
ein elektrisches Feld in einem Bereich des Grabens erzeugt, der
die erste Position enthält.
Der Tropfen kann auch durch differentielles Erwärmen von zwei Rändern des
Tropfens bewegt werden, um eine Netzkraft auf den Tropfen in einer
Richtung parallel zu der Richtung des Grabens zu erzeugen. Das Erwärmen kann
durch Beleuchten eines Rands des Tropfens mit Licht einer Wellenlänge, die
von dem Tropfenmaterial absorbiert wird, ausgeführt werden.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
1 und 2 sind
Aufsichten auf ein Kreuzungspunkt-Schaltelement 10 nach
dem Stand der Technik mit zwei Zuständen.
-
3 ist
eine teilweise auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines
Teils eines Kreuzungspunkts 10 gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
4 ist
eine Aufsicht auf einen Kreuzungspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung
in dem Reflexionszustand.
-
5 ist
eine Aufsicht auf einen Kreuzungspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung
in dem Transmissionszustand.
-
6 bis 8 sind
Querschnittsansichten eines Waveguides durch die Linie 51-52, wie
sie in 4 gezeigt ist.
-
9 ist
eine obere Querschnittsansicht eines Grabens 101, der einen
Tropfen 102 enthält,
der sich bewegt, um den Brechungsindex über die Lücke in dem Waveguide 104 anzupassen.
-
10 und 11 sind
seitliche Querschnittsansichten des Grabens 101 durch die
Linie 115–116.
-
12 ist
eine Querschnittsansicht des Grabens einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
13 ist
eine Querschnittsansicht des Grabens 151 einer anderen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung läßt sich
einfacher mit Bezug auf die 1 und 2 verstehen,
die Aufsichten auf ein Kreuzungspunkt-Schaltelement 210 mit
zwei Zuständen
nach dem Stand der Technik sind. Das Schaltungselement 210 ist
aus drei Waveguides 211–213 konstruiert,
die in einer ebenen Lichtwellenschaltung auf der Oberseite eines
Substrats hergestellt werden. Das Substrat ist vorzugsweise Silica,
wobei jedoch andere Materialien, wie Silizium, auch benutzt werden
können.
Die Waveguides werden durch zwei einhüllende Schichten und eine Kernschicht
festgelegt. Um die Figuren zu vereinfachen, sind die einzelnen Schichten
weggelassen. Die Herstellung solcher Waveguides in Silica ist im
Stand der Technik gut bekannt und wird daher hier nicht im Detail
beschrieben. Beispielsweise haben Hitachi Cable und Photonic Integration
Research, Inc. in Columbus, Ohio, Waveguides in SiO2 auf
Silica- und Silizium-Substraten
demonstriert. Der Kern ist im wesentlichen SiO2,
das mit einem anderen Material, wie Ge oder TiO2 dotiert
ist. Das Hüllmaterial
ist SiO2, das mit anderen Materialien, wie
B2O3 und/oder P2O5 dotiert ist.
Da das Kernmaterial einen Brechungsindex aufweist, der sich von
dem Brechungsindex der Hüllschichten
unterscheidet, werden optische Signale entlang der Waveguides 211–213 geführt.
-
Ein
Graben 214 ist durch den Waveguide und vorzugsweise in
das Siliziumsubstrat geätzt.
Der Graben 214 ist so angeordnet, daß ein Lichtsignal, das den
Waveguide 211 nach unten durchläuft, in den Waveguide 213 reflektiert
wird, wenn der Brechungsindex des Materials, das den Graben 210 ausfüllt, sich
von dem Brechungsindex der Waveguides wesentlich unterscheidet,
wie in 1 gezeigt ist. Dieser Zustand des Schaltungselements
wird als der „Reflexionszustand" bezeichnet. Wenn
jedoch die Überschneidung
des Grabens mit den Waveguides mit einem Material mit einem Brechungsindex
gefüllt ist,
der zu dem des Kerns der Waveguides paßt, wird das Lichtsignal den
Graben 214 durchqueren und über den Waveguide 212 austreten,
wie in 2 gezeigt ist. Dieser Zustand des Schaltelements
wird als der „Transmissionszustand" bezeichnet.
-
Der
Winkel, mit dem die Waveguides 211 und 213 den
Graben 214 schneiden, hängt
von dem Brechungsindexunterschied zwischen dem Waveguidematerial
und dem Material, das zum Herstellen des Reflexionszustands in dem
Graben verwendet wird, ab. Die Einfallswinkel der Waveguides und
die Position des Grabens sind so gewählt, daß Licht, das auf die Grabenwand
von dem Waveguide 211 einfällt, in den Waveguide 210 unter
Totalreflexion reflektiert wird. Dieser Winkel liegt typischerweise
zwischen 53° und
75° gegenüber der
Normalen der Grabenwand.
-
Wenn
der Graben mit dem Index anpassenden Material gefüllt ist,
wird Licht, das einen vierten Waveguide 219 nach unten
folgt, zu dem Waveguide 213 durchgehen. Der Waveguide 219 wird
verwendet, um Kreuzverbindungsschalter unter Verwendung einer zweidimensionalen
Anordnung von Kreuzungspunkt-Schaltelementen zu konstruieren. Eine Anordnung
dieser Art ist typischerweise aus mehreren Zeilen und Spalten von
Kreuzungspunkt-Schaltelementen
konstruiert. Die Zeilen und Spalten sind über Zeilen- und Spalten-Waveguides verbunden. Der
Kreuzverbindungsschalter koppelt die Signale, die in die Zeilen-Waveguides eingegeben
werden, mit den Spalten-Waveguides. Das spezielle Schaltungsmuster
hängt von
dem Zustand der Schaltelemente ab.
-
In
diesen einfachen Kreuzverbindungsschaltern gibt es zu jeder vorbestimmten
Zeit höchstens ein
Schaltelement in jeder Spalte, das Licht von einem Zeilen-Waveguide
in einen Spalten-Waveguide schaltet.
Das in den Spalten-Waveguide geschaltete Licht wird zu dem Ende
der Spalte durch Schaltelemente übertragen,
die sich im nicht reflektierenden Zustand befinden. Der Waveguide 219 ermöglicht Licht,
das von einem Schaltelement über
dem Element 10 in der Anordnung geschaltet wird, in das nächste Schaltelement
in der darunterliegenden Spalte übertragen
zu werden, so daß das
Licht eventuell aus dem letzten Schaltelement in der Spalte austritt.
-
Wie
vorhergehend erwähnt,
kann das Index anpassende Material aus der Überschneidung durch Bilden
einer Blase 215 an der Überschneidung
mittels eines Heizelements 216 verlagert werden. Das Heizelement 216 zieht
die Leistung sowohl zum Verdampfen der Index anpassenden Flüssigkeit
als auch zum Erhalten der Blase in dem Zeitraum, in dem der Kreuzungspunkt
in dem Reflexionszustand gehalten wird.
-
Die
vorliegende Erfindung überwindet
diese Probleme durch Verwenden eines dielektrischen Tropfens einer
Index anpassenden Flüssigkeit,
der in dem Graben durch Anwenden von elektrischen Feldern an den
Tropfen bewegt wird. Wenn diese Felder abgeschaltet werden, bleibt
der Tropfen an seiner letzten Position, und demzufolge wird der
Kreuzungspunkt seinen Zustand erhalten, selbst wenn die Leistung
abgeschaltet wird. Außerdem
ist die Leistungsaufnahme der Vorrichtung wesentlich geringer als
bei den auf Dampf basierenden Blasensystemen, da die Energiequelle
die Index anpassende Flüssigkeit
nicht verdampfen muß.
-
Es
wird nun auf die 3 bis 5 Bezug genommen. 3 ist
eine teilweise aneinandergezogene perspektivische Ansicht eines
Teils eines Kreuzungspunkts 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die 4 und 5 sind
Aufsichten auf einen Kreuzungspunkt gemäß der vorliegenden Erfindung
in dem Reflexions- bzw. Transmissionszustand. Die vorliegende Erfindung
beruht auf der Beobachtung, daß ein
Tropfen eines Dielektrikum sich in ein elektrisches Feld hinein
bewegt. In der vorliegenden Erfindung ist ein dielektrischer Tropfen 12 auf
einen Graben 18 eingeschränkt. In dem Transmissionszustand wird
der Tropfen so bewegt, daß er
den Waveguide 13 überdeckt,
wie in 5 gezeigt ist. Der Brechungsindex des Tropfens
ist passend zu dem des Waveguides gewählt, und dadurch wird Licht
von dem Waveguide 13 zu dem Waveguide 14 durchgeleitet.
Wenn der Tropfen von dem Waveguide wegbewegt wird, wie in 4 gezeigt
ist, bewirkt die Grenzfläche
zwischen dem Gas in dem Graben und dem Waveguide, daß Licht
in dem Waveguide nach unten zu dem Waveguide 16 reflektiert
wird.
-
Der
Tropfen wird durch Anlegen eines elektrischen AC-Felds über einen
Teil des Tropfens bewegt. Das elektrische Feld wird durch Anlegen
der geeigneten Potentiale zwischen einer ausgewählten Elektrode der Elektroden 22,
die auf der Oberseite einer Grabenabdeckung 23 angeordnet
sind, und der Elektroden 21 an der Unterseite des Grabens.
Im Prinzip kann ein elektrisches DC-Feld verwendet werden, um den
Tropfen zu bewegen, wenn der Tropfen aus einem perfekten Dielektrikum
hergestellt ist. Leider haben die meisten Materialien, die für den Tropfen
benutzt werden können,
eine gewisse Leitfähigkeit,
die es Ionen erlaubt, sich in dem Tropfen zu bewegen. Wenn ein DC-Feld
verwendet wird, werden diese Ionen zu der Oberfläche des Tropfens wandern und
den Tropfen von dem elektrischen Feld abschirmen. Daher muß ein AC-Feld
verwendet werden, das eine Polarität aufweist, die sich in einem
Zeitraum ändert,
der kurz im Vergleich zu der Zeit ist, die Ionen oder andere Träger benötigen, um über eine
signifikante Entfernung in dem Tropfen zu wandern. In einer bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Feld mit einer Frequenz von
mehr als 1 kHz verwendet.
-
Es
wird nun auf die 6 bis 8 Bezug genommen,
die Querschnittsansichten des Waveguides durch die Linie 51-52 sind,
die in 4 gezeigt ist. 6 stellt
die Feldverteilung dar, die verwendet wird, um den Tropfen 12 in
eine Position zu bewegen, an der er ein Transmittieren des Waveguides
bewirkt. Der Tropfen ist anfänglich
rechts des Waveguides. Durch Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen
den oberen und unteren Elektroden in dem bei 30 gezeigten
Bereich erfährt
der Tropfen eine Kraft, die dazu neigt, den Tropfen nach links zu
bewegen. Wenn sich der Tropfen bewegt hat, so daß er den Index über den
Graben anpaßt,
werden die elektrischen Potentiale von den Elektroden weggenommen
und der Kreuzungspunkt bleibt in dem Transmissionszustand erhalten,
wie in 7 gezeigt ist. Um den Tropfen von dem Waveguide
wegzubewegen und damit den Kreuzungspunkt in den Reflexionszustand
zu versetzen, werden die Elektroden bei 31 in 8 unter Spannung
gesetzt, wodurch eine Kraft angewandt wird, die den Tropfen nach
rechts bewegt. Wenn sich der Tropfen von dem Waveguide wegbewegt
hat, wird das Potential über
den Elektroden entfernt, und der Kreuzungspunkt verbleibt in dem
Reflexionszustand.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung werden die Elektroden in einer Sequenz
unter Spannung gesetzt, sobald sich der Tropfen bewegt, so daß etwa die
Hälfte
des Tropfens dem elektrischen Feld ausgesetzt ist. Diese Anordnung
maximiert die Kraft auf den Tropfen und dadurch die Geschwindigkeit
des Tropfens. Wenn der Tropfen sich zu der gewünschten endgültigen Position
bewegt hat, werden die Elektroden um die gewünschte Position unter Spannung
gesetzt, bis die Tropfenbewegung endet. Diese Elektroden sind bei 30 in 6 gezeigt.
-
Ein
Kreuzverbindungsschalter kann aus einer Anordnung von Kreuzverbindungspunkten
konstruiert sein, bei der sich mehrere Kreuzungspunkte den gleichen
Graben teilen. In diesem Fall ist es vorteilhaft, den Betrieb der
Kreuzungspunkte, die sich einen Graben teilen, zu isolieren. Wenn
der Tropfen 12 den Graben füllt, komprimiert seine Bewegung
das Gas auf einer Seite des Tropfens und reduziert den Gasdruck
auf der anderen Seite. Diese Druckdifferenz kann eine Bewegung eines
Tropfens in dem gleichen Graben hervorrufen, selbst wenn kein elektrisches
Feld an diesem Tropfen vorhanden ist. Zusätzlich verhindert die Druckdifferenz
die Bewegung des Tropfens, und dadurch sind größere elektrische Felder notwendig,
um den Tropfen zu bewegen.
-
In
einer Ausführungsform
ist ein Luftspalt über
dem Tropfen vorgesehen, wie in 6 bei 60 gezeigt
ist. Dies sorgt für
einen Luftdurchgang, der die Bildung einer Druckdifferenz über den
Tropfen verhindert, wenn sich der Tropfen bewegt.
-
Obgleich
die oben beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung elektrische Felder verwenden, um den
Tropfen anzutreiben, können
auch andere Antriebsverfahren benutzt werden. Es wird der Fall betrachtet,
in dem der Tropfen die Wände
des Grabens nicht benetzt, wie in den 9 bis 11 gezeigt
ist. 9 ist eine obere Querschnittsansicht des Grabens 101,
der einen Tropfen 102 enthält, der sich bewegt, um den
Brechungsindex über
die Lücke
in dem Waveguide 104 anzupassen. Die 10 und 11 sind
seitliche Querschnittsansichten des Grabens 101 durch die
Linie 115–116.
Wenn der Tropfen eine einheitliche Temperatur angenommen hat, ist
die Oberflächenspannung in
der Oberfläche
an der Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche 105 die
gleiche wie die Oberflächenspannung
an der Grenzfläche 107.
Wenn die Flüssigkeit
an der Grenzfläche 105 nun
erwärmt
wird, verringert sich die Oberflächenspannung
und der Tropfen wird einer Netzkraft ausgesetzt, die von der Differenz
in den Oberflächenspannungen
an den Grenzflächen 105 und 107 hervorgerufen
wird. Diese Kraft bewegt den Tropfen in Richtung des Grabens 104.
Ein Heizelement, das bei 106 gezeigt ist, kann benutzt
werden, um den Tropfenrand zu erwärmen.
-
Die
Tropfenbewegung wird sich fortsetzen, bis die Ränder wieder ein thermisches
Gleichgewicht annehmen. Daher muß ein Mechanismus vorgesehen
werden, um sicherzustellen, daß der
Tropfen in einer Position stoppt, welche die Lücke in dem Waveguide 104 überdeckt.
Ein Elektrodenpaar 108–109 kann
benutzt werden, um den Tropfen zu stoppen, indem ein elektri sches
Signal über
den Elektroden angelegt wird, um ein elektrisches Feld in dem gewünschten
Bereich zu erzeugen. Die Elektroden können als Platten eines Kondensators
angesehen werden, in denen der Tropfen das Dielektrikum ist. Das
elektrische Feld übt
eine Kraft auf das Dielektrikum aus, die das Dielektrikum zwischen
den Platten des Kondensators hält.
Dies ist die Kraft, die den Tropfen in den oben diskutierten Ausführungsformen bewegt
hat. In jenen Ausführungsformen
war der Tropfen nur ein Teil des Weges in dem Kondensator und zog
den Tropfen dadurch über
die verbleibende Distanz. In dieser Ausführungsform fängt das
Feld den Tropfen ein. Wenn der Tropfen das thermische Gleichgewicht
erreicht hat, kann das Feld abgeschaltet werden.
-
Ein
zweiter Heizer 126 kann zur Umkehrung der Bewegungsrichtung
benutzt werden, um den Tropfen von dem Bereich des Waveguides zu
entfernen. Ein zweiter Satz von Elektroden, die bei 129 und 130 gezeigt
sind, können
benutzt werden, um den Tropfen „einzufangen" und ihn in der Reflexionsposition
zu halten.
-
Obgleich
die oben beschriebene Ausführungsform
Elektroden benutzt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das die
sich bewegenden Tropfen einfängt,
können
andere Haltemechanismen verwendet werden. Zum Beispiel können mechanische
Haltepunkte aus einem nicht benetzbaren Material vorgesehen sein,
wie in 12 gezeigt ist, die eine Querschnittsansicht
des Grabens in einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform wird die Bewegung des
Tropfens 102 durch die Haltepunkte beschränkt, die
bei 132 und 133 gezeigt sind.
-
Die
vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwenden lokalisierte Heizer, um die
Ränder
des Tropfens unterschiedlich zu erwärmen. Es können jedoch auch andere Mechanismen
verwendet werden. Es wird nun auf 13 Bezug
genommen, die eine Querschnittsansicht des Tropfens 151 in
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird bei dem Kreuzungspunkt ein Tropfen verwendet,
der aus einem Material konstruiert ist, der ein Absorptionsband
an einer Steuerwellenlänge
aufweist, während
er an der Wellenlänge
des Lichts, das über
den Waveguide 104 übertragen
wird, transparent bleibt. Wenn somit der Tropfen 154 mit
Licht der Steuerwellenlänge
von einem Ende bestrahlt wird, wird dieses Ende des Tropfens vorzugsweise
erwärmt,
da der Tropfen das Licht absorbiert, bevor es das andere Ende des
Tropfens erreicht. Das Licht kann durch Hinzufügen von zwei kleinen Licht quellen 161 und 162 an
jedem Ende des Grabens erzeugt werden. Es können LEDs oder Laserdioden
für diese Lichtquellen
verwendet werden. In der in 13 gezeigten
Ausführungsform
werden Elektrodenpaare, die bei 171 und 172 gezeigt
sind, verwendet, um den Tropfen an den zwei Positionen einzufangen,
die dem Transmissions- und Reflexionszustand des Kreuzungspunkts
entsprechen.
-
Die
vorhergehend beschriebenen Tropfen werden aus einem dielektrischen
Material hergestellt, das einen Brechungsindex aufweist, das zu
dem des Waveguides paßt.
Solche Materialien sind auf dem Fachgebiet der Optik gut bekannt
und werden daher hier nicht im Detail diskutiert. Geeignete Materialien sind
von Cargille Labartories, Inc. Scientific Div. 55 Commerce Rd. Cedar
Grove, NJ 07009-1289 erhältlich.
Es sollte darauf hingewiesen werden, daß eine exakte Anpassung durch
Mischen von zwei verschiedenen dielektrischen Flüssigkeiten erzielt werden kann,
die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, um einen Tropfen
mit einem Brechungsindex zu erhalten, der zwischen den Indizes der
Komponenten liegt.
-
In
den Ausführungsformen,
die unterschiedliche Lichtabsorption verwenden, um den Tropfenrand
zu erwärmen,
kann ein beliebiger Farbstoff verwendet werden, der in dem Tropfenmaterial
löslich
ist und die gewünschte
Absorption zur Verfügung
stellt, und Transmissionsbänder
können
verwendet werden. Lösbare
Farbstoffe sind von Aldrich Chemical und Merck erhältlich.
-
Die
vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwenden einen Flüssigkeitstropfen, der von einem
Gas umgeben ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch mit
einem Vakuum in dem Graben ausgeführt werden oder mit einer Suspensionsflüssigkeit
in dem Graben, vorausgesetzt, die Flüssigkeit besitzt einen Brechungsindex,
der ausreichend geringer als der Brechungsindex der Flüssigkeit
des Tropfens ist. Außerdem
darf die Flüssigkeit
des Tropfens in der Suspensionsflüssigkeit nicht lösbar sein.
Außerdem
muß die dielektrische
Konstante der Flüssigkeit
des Tropfens größer sein
als die der Suspensionsflüssigkeit,
wenn elektrische Felder benutzt werden, um den Tropfen zu bewegen
oder den Tropfen in einer Position zu halten.
-
Verschiedene
Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden den betreffenden
Fachleuten aus der vorhergehenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen
deutlich. Daher ist die vorliegende Erfindung nur durch den Umfang
der folgenden Ansprüche
beschränkt.