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Frühere Anmeldung
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Diese
Anmeldung ist eine Continuation-in-Part der US-Patentanmeldung Nr.
09/470,878, eingereicht am 22. Dezember 1999.
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf optische Schalter und spezieller auf
ein verbessertes Koppelpunkt-Schaltelement.
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Hintergrund
der Erfindung
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Optische
Wellenleiter sorgen für
signifikant höhere
Datenraten als elektronische Übertragungswege.
Jedoch erfordert eine effektive Nutzung der größeren Bandbreite, die optischen
Signalpfaden inhärent
ist, optische Cross-Connect-Schalter. In einer typischen Telekommunikationsumgebung,
werden Signale zwischen optischen Lichtwellenleitern mit Hilfe eines
elektrischen Cross-Connect-Schalters geschaltet. Die optischen Signale
werden zuerst in elektrische Signale gewandelt. Nachdem die elektrischen Signale
geschaltet worden sind, werden die Signale wieder zurück zu optischen
Signalen gewandelt, die über
die Lichtwellenleiter übertragen
werden. Um einen höheren
Durchsatz zu erzielen, verwenden die elektrischen Cross-Connect-Schalter
höchst
parallele und höchst
kostenintensive Schaltungsanordnungen. Jedoch stellen selbst in
solch parallelen Architekturen die Cross-Connect-Schalter ein Bottleneck dar.
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Eine
Anzahl optischer Cross-Connect-Schalter sind vorgeschlagen worden;
jedoch erfüllte
keine davon erfolgreich den Bedarf nach einem kostengünstigen,
zuverlässigen
optischen Cross-Connect-Schalter. Eine Klasse optischer Cross-Connect-Schalter
hängt von
Wavelength-Division-Multiplexing (WDM) zum Durchführen des
Schaltens ab. Jedoch erfordert diese Art von System, daß die zu schaltenden
Signale unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
In Systemen, in denen die Lichtsignale alle von der gleichen Wellenlänge sind,
erfordert diese Art von System, daß die Signale auf die gewünschte Wellenlänge gewandelt,
geschaltet und dann zurück
auf die ursprüngliche
Wellenlänge
gewandelt werden. Dieser Wandlungsprozeß verkompliziert das System
und erhöht
die Kosten.
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Eine
zweite Art von einem optischen Cross-Connect-Schalter verwendet
totale interne Reflektion(TIR)-Schaltelemente. Ein TIR-Element besteht
aus einem Wellenleiter mit einer schaltbaren Grenzfläche. Licht
fällt auf
die Grenzfläche
unter einem Winkel ein. In dem ersten Zustand trennt die Grenzfläche zwei
Regionen, welche im wesentlichen unterschiedliche Brechungsindizes
aufweisen. In diesem Zustand wird das Licht von der Grenzfläche reflektiert
und ändert
daher seine Richtung. In einem zweiten Zustand weisen die zwei durch
die Grenzfläche
getrennten Regionen den gleichen Brechungsindex auf, und das Licht
breitet sich weiter gerade durch die Grenzfläche aus. Die Größe der Richtungsänderung
hängt von
dem Unterschied im Brechungsindex der zwei Regionen ab. Um eine
große
Richtungsänderung
zu erzielen, muß die
Region hinter der Grenzfläche
zwischen einem Brechungsindex, der gleich dem des Wellenleiters
ist, und einem Brechungsindex schaltbar sein, der sich deutlich
von dem des Wellenleiters unterscheidet.
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Eine
Klasse von TIR-Elementen aus dem Stand der Technik, welche eine
große
Veränderung im
Brechungsindex liefern, arbeitet durch mechanisches Ändern des
Materials hinter der Grenzfläche. Zum
Beispiel beschreibt US Patent Nr. 5,204,921, Kanai et al., einen
optischen Cross-Connect basierend auf einer Gruppierung von Koppelpunkten
in einem Waveguide. Eine Nut an jedem Koppelpunkt kann an- oder
ausgeschaltet werden, in Abhängigkeit davon,
ob die Nut mit einem Öl
zur Indexanpassung gefüllt
ist. Das Öl
zur Indexanpassung weist einen Brechungsindex nahe dem der Wellenleiter
auf. Ein optisches Signal, welches durch einen Wellenleiter übertragen
wird, wird durch den Koppelpunkt übertragen, wenn die Nut mit
dem Öl
zur Anpassung gefüllt
ist, aber das Signal ändert
seine Richtung an dem Koppelpunkt durch totale interne Reflexion, wenn
die Nut leer ist. Um die Koppelpunkt-Schaltungsanordnung zu ändern, müssen Nuten
gefüllt oder
geleert werden. In dem in diesem Patent dargestellten System, füllt und
leert ein „Roboter" die Nuten. Diese
Art von Schalter ist zu langsam für viele Anwendungen von Interesse.
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Eine
schnellere Version dieser Art von TIR-Element wird in US Patent
Nr. 5,699,462 dargestellt, welche hierin durch Bezugnahme enthalten
ist. Das TIR-Element, welches in diesem Patent offenbart ist, verwendet
thermische Aktivierung, um Flüssigkeit
aus einem Spalt an der Schnittstelle eines ersten optischen Wellenleiters
und eines zweiten optischen Wellenleiters zu verdrängen. In
diese Art von TIR-Element wird ein Graben durch einen Wellenleiter
geschnitten. Der Graben ist mit einer Flüssigkeit zur Indexanpassung
gefüllt.
Eine Blase wird an dem Koppelpunkt durch Erhitzen der Flüssigkeit
zur Indexanpassung und einem lokalisierten Erhitzer erhitzt. Die
Blase muß von
dem Koppelpunkt entfernt werden, um den Koppelpunkt von dem reflektierenden
in den durchlässigen
Zustand zu schalten, und daher die Richtung des Ausgangs des optischen
Signals zu ändern.
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EP 1 111 419 offenbart einen
optischen Schalter, welcher ein Substrat, eine planare Wellenleiterschaltung
umfaßt,
die von dem Substrat gehalten wird, wobei die planare Wellenleiterschaltung
und das Substrat gemeinsam einen Graben definieren, wobei der Graben
eine erste Grabenregion und eine zweiten Grabenregion nahe der ersten
Grabenregion umfaßt,
wobei die zweite Grabenregion eine größere Breite aufweist, als die
erste Grabenregion, wobei die planare Wellenleiterschaltung einen
ersten Wellenleiter und einen zweiten Wellenleiter umfaßt, die
sich bei der ersten Grabenregion schneiden und so positioniert sind,
daß Licht,
welches den ersten Wellenleiter durchläuft, den zweiten Wellenleiter
schneidet, wenn ein Material zur Indexanpassung in der ersten Grabenregion
vorhanden ist, und ansonsten von der ersten Grabenregion reflektiert
wird. Eine Flüssigkeit zur
Indexanpassung ist in wenigstens einem Teil der ersten Grabenregion
positioniert und wird aus der ersten Grabenregion durch eine Gasblase
verdrängt. Ähnlicher
Stand der Technik ist in
EP 1
014 140 gezeigt.
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Wenn
die Blase nicht-verdichtbare Gase umfaßt, wie z.B. Luft, benötigt sie
zu lange (in Minuten) zum Kollabieren, wenn der Erhitzer abgeschaltet wird.
Dies ist für
Anwendungen nicht akzeptabel, welche eine schnelle Taktzeit erfordern.
Eine solche Gasblase kann durch Anwenden einer Kraft auf die Blase
von dem Koppelpunkt entfernt werden, um sie zu einer Seite zu bewegen.
Jedoch ist das Bewegen der ganzen Blase langsam und erfordert eine
wesentliche Leistung. Ferner benötigt
ein Erzeugen einer neuen Blase zum Ersetzen der Blase, die aus dem
Koppelpunkt entfernt worden ist, zusätzliche Leistung.
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Was
daher benötigt
wird, ist ein optischer Koppelpunktschalter (croß-point switch), der schnell und
mit weniger Leistung geschaltet werden kann als Koppelpunktschalter
aus dem Stand der Technik.
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Abriß der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen optischen Schalter nach Anspruch
1 bereit.
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Die
Erfindung stellt einen optischen Schalter bereit, welcher ein Substrat,
eine planare Wellenleiterschaltung, eine Flüssigkeit zur Indexanpassung, ein
Arbeitsfluid und eine Verdrängungseinrichtung umfaßt. Die
planare Wellenleiterschaltung wird von dem Substrat getragen. Die
planare Wellenleiterschaltung und das Substrat definieren gemeinsam
einen Graben, welcher eine erste Grabenregion und eine zweite Grabenregion
neben der ersten Grabenregion umfaßt. Die zweite Grabenregion
weist eine größere Breite
als die erste Grabenregion auf. Die planare Wellenleiterschaltung
umfaßt
einen ersten Wellenleiter und einen zweiten Wellenleiter. Die Wellenleiter
schneiden sich in der ersten Grabenregion und sind so positioniert,
daß Licht,
welches den ersten Wellenleiter durchläuft, in den zweiten Wellenleiter
eintritt, wenn ein Material zur Indexanpassung in der ersten Grabenregion
vorhanden ist, und ansonsten von der ersten Grabenregion reflektiert
wird. Die Flüssigkeit
zur Indexanpassung befindet sich in wenigstens einem Teil der ersten
Grabenregion. Das Arbeitsfluid befindet sich in der zweiten Grabenregion. Die
Verdrängungsvorrichtung
ist mit der zweiten Grabenregion verbunden und dient dazu, einen
Teil des Arbeitsfluids in die erste Grabenregion zu verdrängen, um
die Flüssigkeit
zur Indexanpassung zwischen die Wellenleiter zu bringen.
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Die
planare Wellenleiterschaltung kann zusätzlich einen dritten Wellenleiter
umfassen, der ein Ende aufweist, das bei dem Graben abschließt und so
positioniert ist, daß Licht,
welches den ersten Wellenleiter durchläuft, in den dritten Wellenleiter
eintritt, wenn kein Medium zur Indexanpassung in der ersten Grabenregion
vorhanden ist.
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Der
Graben kann zusätzlich
eine dritte Grabenregion neben der ersten Grabenregion und entfernt
von der zweiten Grabenregion umfassen. Die dritte Grabenregion weist
eine größere Breite
als die erste Grabenregion auf. Das Arbeitsfluid befindet sich zusätzlich in
der dritten Grabenregion. Das Arbeitsfluid und die Flüssigkeit
zur Indexanpassung füllen
die erste Grabenregion so, daß ferner
eine Blase aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex in der
Grabenregion existiert. Die Verdrängungsvorrichtung ist ferner
mit der dritten Grabenregion gekoppelt. Die Verdrängungsvorrichtung
dient zum Verdrängen
eines Teils des Arbeitsfluids aus der zweiten Grabenregion, um die
Flüssigkeit
zur Indexanpassung zwischen die Wellen leiter zu bringen, und zusätzlich dazu
dient, einen Teil des Arbeitsfluids aus der dritten Grabenregion
zu verdrängen,
um die Blase zwischen die Wellenleiter zu bringen.
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Der
optische Schalter kann ferner Verengungen entlang der Länge der
ersten Grabenregion an Stellen umfassen, welche der Lage einer Oberfläche der
Blasen entsprechen, wenn die Flüssigkeit
zur Indexanpassung zwischen die Wellenleiter gebracht ist und wenn
die Blase zwischen die Wellenleiter gebracht ist.
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Der
optische Schalter kann zusätzlich
einen Ausgleichskanal umfassen, der die zweite Grabenregion und
die dritte Grabenregion miteinander verbindet, wobei der Ausgleichskanal
einen im wesentlichen größeren hydraulischen
Widerstand als die erste Grabenregion aufweist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 und 2 sind
Oberansichten eines Koppelpunkt-Schaltelements 10 aus dem
Stand der Technik, welches zwei Zustände aufweist.
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3 ist
eine Oberansicht eines zuvor offenbarten Koppelpunktgrabens 100.
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4 ist
eine seitliche Ansicht des Grabens 100.
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5 ist
eine Oberansicht eines Schaltelements 101, welches den
Graben 100 verwendet.
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6 und 7 stellen
die Art dar, in der eine Blase in der Region 113 verdrängt wird.
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8 ist
eine Oberansicht einer weiteren, zuvor offenbarten Ausführungsform
eines Koppelpunktgrabens.
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9 ist
eine seitliche Ansicht einer weiteren, zuvor offenbarten Ausführungsform
eines Koppelpunktgrabens.
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10 ist
eine Oberansicht einer weiteren, zuvor offenbarten Ausführungsform
eines Koppelpunktgrabens nach der vorliegenden Erfindung
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11 ist
eine Oberansicht einer weiteren, zuvor offenbarten Ausführungsform
eines Koppelpunktgrabens.
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12 ist
eine Oberansicht einer ersten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung in seinem reflektierenden Zustand.
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13 ist
eine seitliche Ansicht des optischen Schalters, welcher in 12 gezeigt
ist, in seinem reflektierenden Zustand.
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14 ist
eine Oberansicht des optischen Schalters, der in 12 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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15 ist
eine seitliche Ansicht des optischen Schalters, der in 12 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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16 ist
eine Oberansicht einer Alternative zu der Erfindung und ist eine
Variation des optischen Schalters, der in 12 gezeigt
ist, in dem die Flüssigkeit
zur Indexanpassung als das Arbeitsfluid dient. Der optische Schalter
ist in seinem reflektierenden Zustand gezeigt.
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17 ist
eine Oberansicht des optischen Schalters, der in 16 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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18 ist
eine Oberansicht einer zweiten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung in seinem reflektierenden Zustand.
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19 ist
eine seitliche Ansicht des optischen Schalters, der in 18 gezeigt
ist, in seinem reflektierenden Zustand.
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20 ist
eine Oberansicht des optischen Schalters, der in 18 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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21 ist
eine seitliche Ansicht des optischen Schalters, der in 18 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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22 ist
eine Oberansicht einer Alternative zu der Erfindung und ist eine
Variation des optischen Schalters, der in 18 gezeigt
ist, in dem die Flüssigkeit
zur Indexanpassung als das Arbeitsfluid dient. Der optische Schalter
ist in seinem reflektierenden Zustand gezeigt.
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23 ist
eine Oberansicht des optischen Schalters, der in 22 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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24 ist
eine Oberansicht einer Variation des optischen Schalters, der in 18 gezeigt
ist, bei dem die erste Grabenregion Verengungen umfaßt. Der
optische Schalter ist in seinem reflektierenden Zustand gezeigt.
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25 ist
eine Oberansicht des optischen Schalters, der in 24 gezeigt
ist, in seinem durchlässigen
Zustand.
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26 ist
eine Oberansicht einer dritten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung in seinem reflektierenden Zustand.
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27 ist
eine Oberansicht der dritten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung in seinem durchlässigen Zustand.
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28 ist
eine seitliche Ansicht der dritten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung in seinem reflektierenden Zustand im Gleichgewicht.
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29 ist
eine seitliche Ansicht der dritten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung, nachdem er in seinen durchlässigen Zustand
geschaltet hat.
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30 ist
eine seitliche Ansicht der dritten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung in seinem durchlässigen Zustand im Gleichgewicht.
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31 ist
eine seitliche Ansicht der dritten Ausführungsform eines optischen
Schalters nach der Erfindung, nachdem er in seinen reflektierenden
Zustand geschaltet hat.
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32 ist
ein Graph, welcher das an eine der Verdrängungsvorrichtungen des optischen Schalters,
der in 27 gezeigt ist, angelegte Steuersignal
zum Schalten des optischen Schalters zwischen seinem reflektierenden
und durchlässigen
Zustand und zurück
zeigt.
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33 ist
ein Graph, welcher den Flüssigkeitsfluß durch
die erste Grabenregion des optischen Schalters, der in 27 gezeigt
ist, zeigt, während der
optische Schalter zwischen seinem reflektierenden und durchlässigen Zustand
und zurück
geschaltet wird.
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34 ist
ein Graph, welcher den Flüssigkeitsfluß durch
den Ausgleichskanal des optischen Schalters, der in 27 gezeigt
ist, zeigt, während der
optische Schalter zwischen seinem reflektierenden und durchlässigen Zustand
und zurück
geschaltet wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung kann einfacher verstanden werden durch Bezugnahme auf
die 1 und 2, welche Oberansichten eines
Koppelpunkt-Schaltelements 10 aus dem Stand der Technik
in seinen zwei Schaltzuständen
sind. Das Schaltelement 10 ist aus drei Wellenleitern 11 bis 13 konstruiert,
welche in einer planaren Wellenleiterschaltung auf einem Substrat
hergestellt sind. Das Substrat besteht bevorzugt aus einem Quarz
(silica), aber andere Materialien, wie z.B. Silizium, können verwendet
werden. Die Wellenleiter werden durch zwei Mantelschichten und eine
Kernschicht definiert. Zur Vereinfachung der Zeichnungen sind die
einzelnen Schichten ausgelassen worden. Die Herstellung solcher
Wellenleiter in Quartz ist im Stand der Technik wohl bekannt und wird
daher nicht im Detail diskutiert. Z.B. hat Hitachi Cable and Photonic
Integration Research, Inc. in Columbus, Ohio, Wellenleiter in Siliziumdioxid auf Quarz-
und Silizium-Substraten demonstriert. Der Kern ist hauptsächlich aus
SiO2 dotiert mit einem weiteren Material,
wie z.B. Germanium oder TiO2. Das Mantelmaterial
ist aus SiO2 dotiert mit einem weiteren Material,
wie z.B. B2O3 und/oder
P2O5. Da das Kernmaterial
einen Brechungsindex aufweist, welcher sich von dem Brechungsindex
der Mantelschichten unterscheidet, werden optische Signale entlang
den Wellenleitern 11–13 geführt.
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Ein
Graben 14 wird durch den Wellenleiter und bevorzugt in
das Siliziumsubstrat geätzt.
Der Graben 14 wird so positioniert, daß ein Lichtsignal, welches
den Wellenleiter 11 entlang läuft, in den Wellenleiter 13 reflektiert
wird, wenn der Brechungsindex des Materials, welches den Graben 14 füllt, wesentlich
verschieden von dem Brechungsindex der in 1 gezeigten
Wellenleiter ist. Dieser Zustand des Schaltelements wird als der „reflektierende" Zustand bezeichnet.
Wenn jedoch der Schnittpunkt des Grabens und der Wellenleiter mit
einem Material zur Indexanpassung gefüllt ist, welches einen Brechungsindex
aufweist, das an den des Kerns der Wellenleiter angepaßt ist,
wird das Lichtsignal durch den Graben 14 laufen und über den
Wellenleiter 12, wie es in 2 gezeigt
ist, austreten. Dieser Zustand des Schaltelements wird als der „durchlässige" Zustand bezeichnet.
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Der
Winkel, unter dem die Wellenleiter 11 und 13 den
Graben 14 schneiden, hängt
von dem Unterschied in dem Brechungsindex zwischen dem Wellenleitermaterial
und dem Material ab, das verwendet wird, um den reflektierenden
Zustand in dem Graben zu erzeugen. Die Einfallswinkel der Wellenleiter
und die Position des Grabens werden so gewählt, daß Licht, welches auf die Grabenwand
aus Wellenleiter 11 einfällt, in den Wellenleiter 13 total
reflektiert wird. Dieser Winkel liegt typischerweise zwischen 53
und 75 Grad bezüglich
der Normalenrichtung der Grabenwand.
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Wenn
der Graben 14 mit dem Material zur Indexanpassung gefüllt ist,
wird Licht, welches entlang einem vierten Wellenleiter 19 läuft, in
den Wellenleiter 13 übertreten.
Der Wellenleiter 19 wird verwendet, um Cross-Connect-Schalter
zu konstruieren, welche eine zweidimensionale Gruppierung von Cross-Connect-Schaltelementen
verwenden. Eine Gruppierung dieser Art ist typischerweise aus einer
Vielzahl von Reihen und Spalten von Kopplungspunkt-Schaltelementen konstruiert.
Die Reihen und Spalten sind über
Reihen- und Spalten-Wellenleiter
verbunden. Der Cross-Connect-Schalter übermittelt Signale, die auf
dem Reihen-Wellenleiter
eingegeben werden, an die Spalten-Wellenleiter. Das spezifische
Schaltmuster hängt
von dem Zustand der Schaltelemente ab.
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In
diesen einfachen Cross-Connect-Schaltern gibt es zu jedem Zeitpunkt
höchstens
ein Schaltelement in jeder Spalte, welches Licht von einem Reihen-Wellenleiter
in einen Spalten-Wellenleiter schaltet.
Das in die Spalten-Wellenleiter geschaltete Licht wird über Schaltelemente
ans Ende der Spalte übertragen,
welche in ihrem durchlässigen
Zustand sind. Der Wellenleiter 19 ermöglicht es dem Licht, welches
von einem Schaltelement oberhalb des Elements 10 in der
Gruppierung geschaltet worden ist, an das nächste Schaltelement in der
Spalte unter ihm übertragen
zu werden, so daß das
Licht letztendlich aus dem letzten Schaltelement in der Spalte austreten
kann.
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Wie
obenstehend angemerkt, kann das Material zur Indexanpassung von
der Schnittstelle durch Positionieren einer Blase 15 an
der Schnittstelle verdrängt
werden. Z.B. kann die Blase an der Schnittstelle mit Hilfe eines
Heizelements 16 gebildet werden. Kleine Heizelemente, die
für diese
Funktion geeignet sind, sind auf dem Gebiet des Tintenstrahldrucks
wohl bekannt und werden hier daher nicht im Detail diskutiert. Das
Heizelement ist bevorzugt unterhalb der Wellenleiter positioniert,
um sicherzustellen, daß es
kein Licht blockiert, welches den Graben überquert. Die Blase kann durch
Verdampfen der Flüssigkeit
zur Indexanpassung oder durch Entlassen eines in der Flüssigkeit
gelösten
Gases erzeugt werden.
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Die
Blase kann dadurch entfernt werden, daß ihr ermöglicht wird zu kollabieren,
oder dadurch, daß sie
auf eine Seite, wie in 2 gezeigt ist, bewegt wird.
Ein Bewegen der Blase auf eine Seite erfordert, daß die Blase
um eine Distanz verschoben wird, die wenigstens gleich der Länge der
Blase ist. Ein solches Verdrängen
wirft technische Probleme auf.
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3 und 4 sind
jeweils eine Oberansicht und eine seitliche Ansicht eines zuvor
offenbarten Koppelpunktgrabens 100. Der Graben 100 ersetzt
den Graben 14, der in den 1 und 2 gezeigt
ist. 5 ist eine Oberansicht eines Schaltelements 101,
welches den Graben 100 enthält. 5 stellt
das Reflektieren eines Lichtsignals von der Grabenwand dar, wenn
eine Blase 117 vorhanden ist. Zur Vereinfachung der Zeichnungen
sind die in 5 als 121 bis 123 gezeigten
Wellenleiter in den 3 und 4 ausgelassen
worden. Der Graben 100 ist bevorzugt in einem Substrat 180 geätzt und
umfaßt einen
Spaltabschnitt 113, welcher parallele Wände aufweist, die entweder
ein Lichtsignal, wie in 5 gezeigt, reflektieren oder
dem Lichtsignal ermöglichen,
durch den Graben zu laufen, wenn der Abschnitt 113 mit
einem Material zur Indexanpassung gefüllt ist. Der Teil des Grabens
auf beiden Seiten des Abschnitts 113 ist aufgeweitet, wie
bei 112 und 114 gezeigt ist. Ein Heizelement 116 ist
an dem Grund des Grabens 100 positioniert. Die Wände 111 und 115 des
Grabens auf beiden Seiten der aufgeweiteten Region sind zueinander
parallel; jedoch können auch
andere Geometrien verwendet werden.
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Nun
unter Bezugnahme auf die 6 und 7, ist darin
die Art dargestellt, in der eine Blase in der Region 113 verdrängt wird.
Eine in Region 113 gebildete Blase, die sich nicht über 113 hinaus
erstreckt, wird in der Region 113, wie in 5 gezeigt ist,
verbleiben. Jedoch wird, wenn die Blase leicht auf eine Seite verdrängt wird,
so daß ein
Teil der Blase in eine der aufgeweiteten Regionen eintritt, wie
es in 6 bei 128 gezeigt ist, die Oberflächenspannung der
Blase die Blase in die aufgeweitete Region ziehen, bis die Blase
vollständig
innerhalb der aufgeweiteten Region oder der Region jenseits der
aufgeweiteten Region befindlich ist, wie es in 7 bei 129 gezeigt
ist. Sobald die Blase in die aufgeweitete Region verdrängt ist,
wird der Graben lichtdurchlässig und
der Kopplungspunkt geschaltet worden sein. Die Blase wird dann ohne
weitere Hilfe kollabieren oder kann anderweitig entfernt werden.
Wenn der Kopplungspunkt zu dem reflektierenden Zustand zurückgeschaltet
werden muß,
kann eine neue Blase in die Region 113 durch Reaktivieren
des Heizelements 116 eingeführt werden.
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Nun
unter Bezugnahme auf 8, ist darin eine Oberansicht
eines weiteren zuvor offenbarten Koppelpunktgrabens 130 gezeigt.
Zur Vereinfachung der nachfolgenden Beschreibung werden Merkmale des
Grabens 130, die den gleichen Funktionen wie Merkmale des
Grabens 100, der in den 3 und 4 gezeigt
ist, dienen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Graben 130 unterscheidet
sich vom Graben 100 darin, daß ein zweites Heizelement, gezeigt
bei 131, an dem Grund des Grabens an einer Stelle positioniert
ist, welche teilweise in der aufgeweiteten Region 112 liegt.
Das Heizelement 131 wird verwendet, um eine Blase, die
von dem Heizelement 116 in der Region 113 erzeugt
worden ist, zu destabilisieren, wie z.B. die bei 137 gezeigte
Blase. Wenn das Heizelement 131 aktiviert wird, vergrößert sich die
Blase 137 in der Zone oberhalb des Heizelements 131.
Die neue Blase erstreckt sich nun in die aufgeweitete Region des
Grabens. Wie obenstehend angemerkt, wird eine solche Blase automatisch
in die aufgeweitete Region und aus der Region 113 durch den
obenstehend unter Bezugnahme auf die 6 und 7 beschriebenen
Mechanismus gezogen. Es ist zu beachten, daß der Erhitzer, der in 8 gezeigt
ist, alternativ an dem anderen Ende der Region 113 plaziert
werden kann.
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Eine
Blase in der Region 113 kann durch Erzeugen eines Druckunterschiedes über die
Region 113 ausreichend verdrängt werden, um sie dazu zu bringen,
die Region 113 zu verlassen. Man beziehe sich nun auf die 9 und 10,
welche jeweils seitliche und Oberansichten eines weiteren, zuvor
offenbarten Koppelpunktgrabens sind. Zur Vereinfachung der nachfolgenden
Beschreibung werden Merkmale des Grabens 130, die den gleichen
Funktionen wie Merkmale des Grabens 100, der in den 3 und 4 gezeigt
ist, dienen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Der Graben 150 umfaßt zwei
Membranen, die bei 141 und 142 gezeigt sind, die
deformiert werden können,
um den Druck im Graben 150 zu ändern. In dem in den 9 und 10 gezeigten
Graben werden die Membranen in einer „Push-Pull"-Weise betrieben, so daß sie den
Druck auf einer Seite der Region 113 erhöhen, während sie den
Druck auf der anderen Seite der Region vermindern. Dieser Druckunterschied
ist ausreichend, um den Ort der Blase 147 zum Teil in die
Region 114 zu verschieben. Sobald zum Teil in der Region 114,
wird die Blase automatisch aus der Region 113 herausgezogen.
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Die
erforderliche Verdrängung
der Blase ist viel geringer als in Systemen, die erfordern, daß das Verdrängen die
Blase vollständig
aus der Region 113 bewegt. Membrankonstruktionen der Art,
wie sie in Tintenstrahldruckern verwendet werden, können zu diesem
Zwecke verwendet werden. Während
der in den 9 und 10 gezeigte
Graben Membranen umfaßt,
welche über
der Oberseite des Grabens angeordnet werden, kann jede Vorrichtung
verwendet werden, die den Druck oder das Volumen auf wenigstens
einer Seite der Region 113 ändert. Z.B. können piezo-elektrische
Wandler oder mikromechanische Vorrichtungen verwendet werden. Z.B.
kann ein Heizelement 153 in Region 115 positioniert
werden. Das Heizelement 153 dissipiert ausreichend Leistung,
um eine Blase zu erzeugen, welche den Druck auf der Seite der Region 113 ändert, auf
der der Erhitzer positioniert ist. Nachdem es die Blase teilweise
in die Region 114 verschoben hat, wird es der druckerzeugenden
Blase ermöglicht
zu kollabieren.
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Die
Länge der
Region 113 wird bevorzugt ausreichend groß gewählt, um
das gesamte Lichtsignal, welches durch die Region 113 läuft, wenn
das Schaltelement durchlässig
ist, aufzunehmen. Aufgrund der Natur der optischen Ausbreitung in
planaren Lichtwellenschaltungen, muß diese Region etwas größer sein
als die Wellenleiterkerne, die auf beiden Seiten der Region 113 abschließen.
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Ferner
unter Bezugnahme auf die 1, sind die Grabenwände auf
jeder Seite der Region 113 zueinander parallel, so daß die Wellenleiter 11 und 12 kollinear
sind und die Wellenleiter 19 und 13 kollinear
sind. Prinzipiell müssen
nur die Wände,
die das Lichtsignal reflektieren, wenn der optische Schalter in dem
reflektierenden Zustand ist, planar sein. Jedoch wird, wenn der
optische Schalter in seinem durchlässigen Zustand ist, das optische
Signal beim Eintritt in die Flüssigkeit
gebrochen, wenn eine Flüssigkeit
verwendet werden muß,
deren Brechungsindex nicht exakt an den des Wellenleiters angepaßt ist,
und noch einmal, wenn er austritt. Diese Brechung führt in Summe
zu einer lateralen Versetzung. Der Ausgangswellenleiter kann bewegt
werden, um dieser Translation Rechnung zu tragen. Wenn die Grabenwände an den
Eintritts- und Austrittspunkten parallel sind, kann der ursprüngliche
Wellenleiterabstand und -winkel trotz dieser Translationen aufrecht
erhalten werden. Jedoch unterscheidet sich der Ausgangs-Wellenleiterwinkel
von dem Eingangs-Wellenleiterwinkel, wenn die Eintritts- und Austrittswände nicht
parallel sind, und der Abstand wird verzerrt. Diese Änderungen
können
die optischen Zwischenverbindungen verkomplizieren, die beim Konstruieren eines
Koppelpunktschalters benötigt
werden, welcher viele Schaltelementen aufweist.
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Die
oben beschriebenen Gräben
sind als drei Wellenleiter umfassend dargestellt; jedoch können ebenfalls
Ausführungen
mit nur zwei Wellenleiter konstruiert werden. Noch weiter mit Bezug
auf die 1, kann entweder der Wellenleiter 12 oder
der Wellenleiter 13 durch ein lichtabsorbierendes Medium
ersetzt werden. In einer solchen Ausführungsform weist der optische
Schalter einen ersten Zustand auf, welcher das Lichtsignal von dem
Eingangs-Wellenleiter
zu dem verbleibenden Ausgangs-Wellenleiter überträgt, und einen Zustand, in dem
das Lichtsignal absorbiert wird. Die Ausführungsform, in der der Ausgangs-Wellenleiter 13 eliminiert
ist, ist speziell beim Konstruieren von N:1 optischen Multiplexern
dienlich.
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Die
obenstehend beschriebenen Gräben umfassen
eine aufgeweitete Region auf jeder Seite der Region 113 des
Grabens. Jedoch kann die aufgeweitete Region eliminiert werden,
vorausgesetzt die Region auf der Seite des Spalts, in die die Blase
verdrängt
werden soll, ist größer als
der Spalt. Man beziehe sich nun auf die 11, welche
eine Oberansicht des Grabens 300 ist, welcher eine solche
alternative Konfiguration aufweist. Der Graben 300 verbindet
die Wellenleiter 321 bis 322, wenn eine Blase 317 in
dem Graben vorhanden ist, und verbindet die Wellenleiter 321 und 323,
wenn der Graben mit einer Flüssigkeit
zur Indexanpassung gefüllt
ist.
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Die
optischen Schalterstrukturen, die obenstehend beschrieben worden
sind, arbeiten mit Einweg-Blasen. Jedesmal, wenn der optische Schalter in
seinen reflektierenden Zustand schaltet, wird eine neue Blase aus
der Flüssigkeit
zur Indexanpassung erzeugt. Wenn der optische Schalter in seinen
durchlässigen
Zustand schaltet, wird die Blase aus der Grabenregion 113 entfernt
und entsorgt. Ein Erzeugen einer neuen Blase verbraucht Energie.
Der Energieverbrauch kann dadurch reduziert werden, daß nicht
jedesmal eine neue Blase erzeugt wird, wenn der optische Schalter
in seinen reflektierenden Zustand schaltet. Optische Schalter, die
auf den obenstehend beschriebenen Strukturen basieren, aber nicht
jedesmal eine neue Blase erzeugen, wenn der optische Schalter in
seinen reflektierenden Zustand schaltet, werden nun beschrieben.
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12 und 13 sind
Oberansicht und eine seitliche Ansicht jeweils einer ersten Ausführungsform 400 eines
optischen Schalters nach der Erfindung. Der optische Schalter 400 umfaßt Wellenleiter 421, 422 und 423,
die in einer planaren Wellenleiterschaltung 425, welche
vom Substrat 427 getragen wird, ausgebildet sind. Der Graben 402 erstreckt sich
durch die planare Wellenleiterschaltung und teilweise in das Substrat.
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Der
Graben 402 umfaßt
die Grabenregion 411 und eine Grabenregion 413 neben
der Grabenregion 411. Die Grabenregion 411 weist
eine größere Breite
als die Grabenregion 413 auf. Das Ende 403 der
Grabenregion 413 ist mit einer Druckquelle (nicht gezeigt)
verbunden. Z.B. kann das Ende 403 mit einer Quelle atmosphärischen
Drucks verbunden sein. Alternativ dazu kann ein Druck verwendet
werden, der sich von atmosphärischem
Druck unterscheidet: ein hoher Druck bewirkt, daß der optische Schalter 400 von
seinem durchlässigen
Zustand in seinen reflektierenden Zustand schneller schaltet, aber
erfordert, daß die
Verdrängungsvorrichtung 410,
welche nachfolgend beschrieben werden wird, leistungsfähiger ist.
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Die
Wellenleiter 421, 422 und 423 schneiden sich
bei der Grabenregion 413 und sind so positioniert, daß Licht,
welches den Wellenleiter 421 durchläuft, in den Wellenleiter 422 eintritt,
wenn in der Region 413 ein Material zur Indexanpassung
vorhanden ist, und ansonsten von der Grabenregion 413 in
den Wellenleiter 422 reflektiert wird.
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Die
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 404 befindet sich in einem Teil der
Grabenregion 413. Das Arbeitsfluid 406 ist in
der Grabenregion 411 positioniert. Das Arbeitsfluid und
die Flüssigkeit
zur Indexanpassung sind gegenseitig nicht vermischbar. Ein flüssiges Metall,
wie z.B. Quecksilber oder Gallium kann als das Arbeitsfluid verwendet
werden. Andere nicht metallische Flüssigkeiten können alternativ dazu
verwendet werden.
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Das
Arbeitsfluid 406 ist zusätzlich gezeigt, wie es sich
von der Grabenregion 411 teilweise in die Grabenregion 413 nahe
der Grabenregion 411 erstreckt, obwohl dies nicht essentiell
ist. Die Menge der Flüssigkeit
zur Indexanpassung 404 in der Grabenregion 413 ist
so bemessen, daß in
den durchlässigen
Zustand des optischen Schalters 400, der in 14 gezeigt
ist, die Flüssigkeit
zur Indexanpassung zwischen die Enden der Wellenleiter 421 und 423 geschoben
ist. Ferner sind die Mengen des Arbeitsfluids 406 und der
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 404 in der Grabenregion 413 so
bemessen, daß in
dem reflektierenden Zustand des optischen Schalters 400,
der in 12 gezeigt ist, die Flüssigkeit
zur Indexanpassung die Enden des Wellenleiters 421 nicht
kontaktiert, so daß die
Grabenregion 413 Licht, welches den Wellenleiter 421 durchläuft, in
den Wellenleiter 422 reflektiert.
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Die
Verdrängungsvorrichtung 410 ist
in der Grabenregion 411 plaziert. Die Verdrängungsvorrichtung
arbeitet, einen Teil des Arbeitsfluids 406 in die Grabenregion 413 zu
verdrängen.
Die Menge des verdrängten
Arbeitsfluids ist ausreichend, Flüssigkeit zur Indexanpassung 404 zwischen
die Wellenleiter 421 und 423 zu schieben.
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14 und 15 zeigen
den optischen Schalter 400 in seinem durchlässigen Zustand.
Darin hat das Volumen der Verdrängungsvorrichtung 410 zugenommen,
und das vergrößerte Volumen
der Verdrängungsvorrichtung
hat einen Teil der Arbeitsflüssigkeit 406 in
der Grabenregion 413 verdrängt. Die in die Grabenregion 413 verdrängte Arbeitsflüssigkeit bewegt
die Flüssigkeit
zur Indexanpassung entlang der Grabenregion 413 in die
Richtung, die durch den Pfeil 416 angedeutet ist, um Flüssigkeit
zur Indexanpassung 404 zwischen die Wellenleiter 412 und 423 zu
schieben. Als Folge davon passiert Licht, welches den Wellenleiter 421 durchläuft, durch
die Grabenregion 413 in den Wellenleiter 423.
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Das
Zurückbringen
der Verdrängungsvorrichtung 410 auf
ihr ursprüngliches
Volumen, gezeigt in 13, ermöglicht es dem an dem Ende 403 der Grabenregion 413 wirkenden
Druck, den Teil des Arbeitsfluids 406 in der Grabenregion 413 zurück in die Grabenregion 411 zu
bringen. Dies bewegt die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 404 entlang der Grabenregion 413 in
die Richtung entgegengesetzt zu der durch den Pfeil 416 angezeigten
und entfernt daher die Flüssigkeit
zur Indexanpassung aus dem Kontakt mit dem Ende des Wellenleiters 421.
Als Folge davon reflektiert die Grabenregion 413 wieder
das Licht, welches den Wellenleiter 421 durchläuft, in
den Wellenleiter 422.
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Wie
obenstehend angemerkt, kann die Verdrängungsvorrichtung 410 ein
piezo-elektrischer Wandler sein, welcher sein Volumen als Reaktion
auf ein elektrisches Steuersignal ändert. Alternativ dazu kann
eine mikromechanische Vorrichtung, die das effektive Volumen der
Grabenregion 411 als Reaktion auf ein elektrisches Steuersignal
reduziert, als die Verdrängungsvorrichtung
verwendet werden. Ferner kann eine Membran, die obenstehend beschrieben worden
ist, als eine Verdrängungsvorrichtung 410 zum
Reduzieren des effektiven Volumens der Grabenregion 411 verwendet
werden.
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Als
ein weiteres Beispiel kann die Verdrängungsvorrichtung 410 ein
Erhitzer sein, der in der Grabenregion 411 positioniert
ist. Eine flüchtige
Flüssigkeit
kann als das Arbeitsfluid 406 verwendet werden. Als Reaktion
auf ein elektrisches Steuersignal verdampft von dem Erhitzer erzeugte
Wärme einen Teil
des Arbeitsfluids, um eine Dampfblase in der Grabenregion 411 zu
bilden. Diese Blase vertreibt den Teil des Arbeitsfluids 406 aus
der Grabenregion 411 in die Grabenregion 413,
um die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 404, wie obenstehend beschrieben, zu
bewegen. Ein Beenden des Erhitzens ermöglicht es der Blase zu kollabieren,
wodurch es dem vertriebenen Arbeitsfluid ermöglicht wird, zu der Grabenregion 411 zurückzukehren.
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Alternativ
dazu kann ein flüssiges
Metall als Arbeitsfluid 406, wie obenstehend angemerkt,
verwendet werden. Flüssige
Metalle weisen große
thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Ein Erhitzen des Arbeitsfluids
mit Hilfe des Erhitzers führt
dazu, daß sich
das Arbeitsfluid ausdehnt, wodurch der Teil des Arbeitsfluids in
die Grabenregion 413, wie obenstehend beschrieben, herausgetrieben
wird. Ein Beenden des Erhitzens ermöglicht es dem Arbeitsfluid abzukühlen, und
die resultierende Kontraktion ermöglicht es dem herausgetriebenen
Arbeitsfluid, zu der Grabenregion 411 zurückzukehren.
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Gemäß der Erfindung
befindet sich ein Arbeitsfluid, welches sich von der Flüssigkeit
zur Indexanpassung unterscheidet, in der Grabenregion 411. Jedoch
kann in einem Alternativbeispiel zu der Erfindung die Flüssigkeit
zur Indexanpassung ferner in der Grabenregion 411 positioniert
sein, und als das Arbeitsfluid, wie in den 16 und 17 gezeigt ist,
dienen.
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Die
Erfindung ist ebenfalls unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben
worden, in dem die Wände
der Grabenregion 413 parallel sind. Jedoch ist dies nicht
kritisch für
die Erfindung. Die Wände
der Grabenregion 413 können
entlang der Länge
der Grabenregion auseinanderlaufen. Auseinanderlaufende Wände wirken
zusammen mit der Oberflächenspannung
der Flüssigkeit
zur Indexanpassung, um dabei zu helfen, die Flüssigkeit zur Indexanpassung
in die zu dem Pfeil 416 entgegengesetzte Richtung zu bewegen,
wenn der optische Schalter 400 in seinen reflektierenden
Zustand schaltet.
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Die
Erfindung ist ebenso unter Bezugnahem auf ein Beispiel beschrieben
worden, in dem die Grabenregion 411 eine sich verjüngende Endwand
anschließend
an die Grabenregion 413 aufweist. Jedoch ist dies nicht
kritisch für
die Erfindung. Die Endwand der Grabenregion 411, die sich
an die Grabenregion 413 anschließt, kann parallel zu der Endwand entfernt
von der Grabenregion 413 sein.
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18 bis 24 zeigen
eine zweite Ausführungsform 500 eines
optischen Schalters nach der Erfindung. In dieser Ausführungsform
ist der Schalter aus zwei breiten Grabenregionen zusammengesetzt,
welche durch eine längliche,
schmale Grabenregion verbunden sind, die von den Wellenleitern geschnitten
wird. Die schmale Grabenregion ist zum Teil mit einer Flüssigkeit
zur Indexanpassung und einem Arbeitsfluid in einer Art gefüllt, die
diese Grabenregion ferner von einer Blase aus einem Material mit
niedrigem Brechungsindex besetzt beläßt, wie z.B. einem Dampf oder
Gas. Die Blase ist zwischen der Flüssigkeit zur Indexanpassung
und einem Teil des Arbeitsfluids positioniert. Verdrängungsvorrichtungen,
die in beiden breiten Grabenregionen positioniert sind, werden push-pull-betrieben,
um die Flüssigkeit
zur Indexanpassung und die Blase in der schmalen Grabenregion vor
und zurück
zu bewegen. Elemente des optischen Schalters 500, welchen
den Elementen des optischen Schalters 400 entsprechen,
sind dadurch angedeutet, daß die
gleichen Bezugsziffern verwendet werden und werden hier nicht erneut
dargestellt.
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Der
optische Schalter 500 umfaßt einen Graben 502,
welcher sich durch die planare Wellenleiterschaltung 425 und
zum Teil in das Substrat 427 erstreckt.
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Der
Graben 502 umfaßt
Grabenregionen 511 und 515, welche durch eine
längliche
Grabenregion 513 verbunden sind. Die Grabenregionen 511 und 515 sind
breiter als die Grabenregion 513. Die Wellenleiter 421, 422 und 423 schneiden
sich bei der Grabenregion 513 und sind so positioniert,
daß Licht, welches
durch den Wellenleiter 421 läuft, in den Wellenleiter 422 eintritt,
wenn ein Material zur Indexanpassung in der Grabenregion 513 vorhanden
ist, und ansonsten von der Grabenregion 513 in den Wellenleiter 422 reflektiert
wird.
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Die
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 ist in einem Teil der Grabenregion 513 positioniert.
Das Arbeitsfluid 506 ist in der Grabenregion 511 positioniert und
das Arbeitsfluid 508 ist in der Grabenregion 515 positioniert.
Das Arbeitsfluid ist ferner gezeigt, wie es sich von der Grabenregion 511 und 515 zum
Teil in die Grabenregion 513 erstreckt, obwohl es nicht
essentiell, daß das
Arbeitsfluid sich in die Grabenregion 513 von sowohl der
Grabenregionen 511 als auch 515 erstreckt.
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Die
Menge der Flüssigkeit
zur Indexanpassung in der Grabenregion 513 ist so gemessen,
daß in
dem durchlässigen
Zustand des optischen Schalters 500, der in 20 und 21 gezeigt
ist, die Flüssigkeit
zur Indexanpassung die Enden der Wellenleiter 421 und 423 kontaktiert.
Ferner füllen
das Arbeitsfluid 506, das Arbeitsfluid 508 und
die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 gemeinsam nur zum Teil die Grabenregion 513,
so daß eine
Blase 514 aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex,
wie z.B. Dampf oder Gas, zusätzlich
in der Grabenregion 513 besteht. Die Größe der Blase ist derart, daß in dem
reflektierenden Zustand des optischen Schalters 500, gezeigt
in den 18 und 19, die
Blase das Ende des Wellenleiters 421 so kontaktiert, daß die Grabenregion 513 Licht,
welches den Wellenleiter 421 durchläuft, in den Wellenleiter 422 reflektiert.
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Die
Verdrängungsvorrichtung 510 ist
in der Grabenregion 511 positioniert, und die Verdrängungsvorrichtung 512 ist
in der Grabenregion 515 positioniert. Die Verdrängungsvorrichtungen
arbeiten in Push-Pull, um die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und die Blase 514 vor und
zurück
entlang der Länge
der Grabenregion 513 zu bewegen, um entweder die Flüssigkeit
zur Indexanpassung oder die Blase zwischen die Wellenleiter 421 und 423 zu
schieben. Speziell ist die Verdrängungsvorrichtung 510 in dem
reflektierenden Zustand des optischen Schalters 500, gezeigt
in 18 und 19, in
seinem Niedrigvolumenzustand, die Verdrängungsvorrichtung 512 ist
in ihrem Hochvolumenzustand und die Blase 514 ist zwischen
die Wellenleiter 421 und 423 geschoben.
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Ein
Verändern
der Verdrängungsvorrichtung 510 zu
ihrem Hochvolumenzustand und der Verdrängungsvorrichtung 512 zu
ihrem Niedrigvolumenzustand verdrängt einen Teil des Ar beitsfluids 506 in
die Grabenregion 513. Die Menge des verdrängten Arbeitsfluids 506 ist
ausreichend, um die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und die Blase 514 entlang
der Grabenregion 513 in die Richtung, die durch den Pfeil 516 angedeutet
wird, an ein Punkt zu bewegen, wo die Flüssigkeit zur Indexanpassung
zwischen die Wellenleiter 421 und 423, wie in 20 und 21 gezeigt,
geschoben ist. Dies schaltet den optischen Schalter 500 in
seinen durchlässigen
Zustand. Der Teil des durch den Teil des aus der Grabenregion 511 verdrängten Arbeitsfluids 506 aus
der Grabenregion 513 verdrängten Arbeitsfluids 508 wird
von der Grabenregion 515 aufgenommen, und speziell durch
den Niedrigvolumenzustand der Verdrängungsvorrichtung 512.
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Das
Zurückbringen
der Verdrängungsvorrichtung 510 in
ihrem Niedrigvolumenzustand und der Verdrängungsvorrichtung 512 in
ihrem Hochvolumenzustand, gezeigt in 19, treibt
einen Teil des Arbeitsfluids 508 zurück in die Grabenregion 513. Dies
bewegt die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und die Blase 514 entlang
der Grabenregion 513 in die Richtung entgegengesetzt zu
der durch den Pfeil 516 angedeuteten, entfernt die Flüssigkeit
zur Indexanpassung von den Wellenleitern 421 und 423 und schiebt
die Blase zwischen die Wellenleiter 421 und 523.
Speziell wird das Material mit niedrigem Brechungsindex der Blase 514 in
Kontakt mit dem Ende des Wellenleiters 421 gesetzt, und
die Grabenregion 513 reflektiert wieder Licht, welches
den Wellenleiter 421 durchläuft, in den Wellenleiter 422.
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Vorrichtungen,
welche obenstehend mit Bezugnahme auf die Verdrängungsvorrichtung 410 beschrieben
worden sind, können
als Verdrängungsvorrichtungen 510 und 512 verwendet
werden.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Arbeitsfluid, welches sich von der Flüssigkeit zur Indexanpassung unterscheidet,
in den Grabenregionen 511 und 515 angeordnet sein.
Jedoch kann in einem zu der Erfindung alternativen Beispiel die
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 in der Grabenregion 511 und
die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 505 ferner in der Grabenregion 515,
wie in den 22 und 23 gezeigt,
angeordnet sein und ferner als das Arbeitsfluid dienen.
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Die
Erfindung ist ebenfalls unter Bezugnahme auf ein Beispiel beschrieben
worden, in dem die Grabenregionen 511 und 515 jeweils
eine verjüngte Endwand
anschließend
an die Grabenregion 513 aufweisen.
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Jedoch
ist dies nicht kritisch für
die Erfindung. Die Endwände
der Grabenregion 511 und 515 im Anschluß an die
Grabenregion 513 können
parallel zu den Endwänden
entfernt von der Grabenregion 513 sein.
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Die 24 und 25 zeigen
eine Variation des optischen Schalters 500, der in den 18 bis 24 gezeigt
ist. 24 zeigt den optischen Schalter in seinem reflektierenden
Zustand und 25 zeigt den optischen Schalter
in seinem durchlässigen Zustand.
In dieser Variation, umfaßt
die Grabenregion 513 die Verengungen 531, 532, 533 und 534,
in denen die Grabenregion 513 eine reduzierte Querschnittsfläche aufweist.
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Die
Verengungen 531 bis 533 sind an im wesentlichen
gleich beabstandeten Punkten entlang der Länge der Grabenregion 513 positioniert.
Die Grabenregion 513 ist mit Mengen von Arbeitsfluid 508 und
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 gefüllt, so daß eine Blase 514 und
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 Abschnitte der Grabenregion 513 mit
Längen
besetzen, die gleich den Abständen
zwischen den Verengungen sind. Die Grabenregion 513 ist
zusätzlich
mit einer Menge von Arbeitsfluid 506 gefüllt, die
ausreicht, um die Oberfläche
zwischen dem Arbeitsfluid 506 und der Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 bei der Verengung 531 zu
positionieren, wenn der optische Schalter 500 in seinem
reflektierenden Zustand, gezeigt in 24, ist.
Dies positioniert die Oberflächen
zwischen der Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und der Blase 514 und zwischen der
Blase 514 und dem Arbeitsfluid 508 an Punkten entlang
der Länge
der Grabenregion 513, die den Verengungen 532 und 533 jeweils
entsprechen, wenn der optische Schalter 500 in seinem reflektierenden
Zustand ist. Wenn der optische Schalter 500 in seinem durchlässigen Zustand
ist, gezeigt in 25, sind die Oberflächen zwischen
dem Arbeitsfluid 506 und der Flüssigkeit zur Indexanpassung 504,
zwischen der Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und der Blase 514 und zwischen
der Blase 514 mit dem Arbeitsfluid 508 an Punkten
entlang der Länge
der Grabenregion 513 positioniert, welche jeweils den Stellen
der Verengungen 532 bis 534 entsprechen.
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Die
Verengungen 531 bis 534 wirken mit der Oberflächenspannung
an den oben genannten Oberflächen
zusammen, um die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und die Blase 514 an ihren
Positionen entlang der Länge
der Grabenregion 513 zu halten, die den reflektierenden
und durchlässigen
Zuständen des
optischen Schalters 500 entsprechen, wodurch daher die
Betriebszuverlässigkeit
des optischen Schalters erhöht
wird.
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Die
Grabenregion 413 aus der Ausführungsform, die in den 12 bis 17 gezeigt
ist, kann ebenfalls angepaßt
werden, um wenigstens eine Verengung zu umfassen.
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Die
Grabenregion 513 der Ausführungsform, die in den 22 und 23 gezeigt
ist, kann ebenfalls modifiziert werden, bis zu drei Verengungen
zu umfassen.
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Die
Erfindung ist unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben worden,
in denen der optische Schalter im wesentlichen statisch betrieben
wird. Eine Leistung wird an die Verdrängungsvorrichtung 512 angelegt,
um den optischen Schalter 500 in seinem durchlässigen Zustand
zu halten, wie in 18 gezeigt ist. Leistung wird
an die Verdrängungsvorrichtung 510 angelegt,
um den optischen Schalter in seinem reflektierenden Zustand, gezeigt
in 20, zu halten. Jedoch ist ein statischer Betrieb
nicht kritisch für
die Erfindung. Die Verengungen, die obenstehend beschrieben worden
sind, ermöglichen
es dem optischen Schalter entsprechend der Erfindung, dynamisch
betrieben zu werden. Bei dynamischen Betrieb verbraucht der optische
Schalter nur dann Leistung, wenn der Zustand geändert wird, wodurch er einen
verminderten Stromverbrauch aufweist.
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Die 26 und 27 zeigen
eine dritte Ausführungsform 600 eines
optischen Schalters nach der Erfindung. 26 zeigt
den optischen Schalter in seinem reflektierenden Zustand und 27 zeigt
den optischen Schalter in seinem durchlässigen Zustand. Die Elemente
des optischen Schalters 600, die Elementen des optischen
Schalters 400 und 500 entsprechen, die in 12 bis 25 gezeigt
sind, sind durch gleiche Bezugsziffern angedeutet und werden hier
nicht noch einmal beschrieben.
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In
dem optischen Schalter 600 umfaßt die Grabenregion 513 Verengungen 531, 532, 533 und 534,
die obenstehend beschrieben worden sind, und die Grabenregion 513 ist
mit einem Arbeitsfluid 506, Arbeitsfluid 508 und
Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 gefüllt, um eine Blase 514,
wie obenstehend mit Bezugnahme auf die 24 und 25 beschrieben,
zu bilden.
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Der
optische Schalter 600 umfaßt ferner einen Ausgleichskanal 640.
Der Ausgleichskanal 640 ist in dem Substrat 427 unterhalb
der planaren Wellenleiterschaltung 425 ausgebildet. Der
Ausgleichskanal 640 erstreckt sich zwischen der Grabenregion 511 und
der Grabenregion 515. Der Ausgleichskanal 640 weist
eine kleinere Durchschnittsfläche
als die Grabenregion 513 auf und weist daher eine wesentlich
höhere
hydraulische Impedanz als die Grabenregion 513 auf.
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Die
Verdrängungsvorrichtungen 610 und 612 sind
Vorrichtungen mit drei Zuständen,
von denen jedes einen Gleichgewichtszustand aufweist, wenn kein
Steuersignal angelegt ist, einen Zustand vergrößerten Volumens aufweist, wenn
ein Steuersignal einer ersten Polarität angelegt ist und einen Zustand verminderten
Volumens aufweist, wenn ein Steuersignal einer zweiten Polarität, entgegengesetzt
der ersten Polarität
angelegt ist.
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Die
Wirkungsweise des optischen Schalters 600 wird nun unter
Bezugnahme auf die 26 bis 34 beschrieben. 28 zeigt
den optischen Schalter 600 in seinem reflektierenden Zustand
im Gleichgewicht. Die Verengungen 531 bis 534,
gezeigt in 26, halten die Blase 514 an
Ort und Stelle am Ende des Wellenleiters 421, so daß die Grabenregion 513 Licht,
welches den Wellenleiter 421 durchläuft, in den Wellenleiter 422 reflektiert.
Der optische Schalter 600 wird in diesem reflektierenden Zustand
im Gleichgewicht verbleiben, bis Steuersignale an die Verdrängungsvorrichtungen 610 und 612 angelegt
werden.
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32 zeigt
bei 651 einen Teil des Steuersignals, das an die Verdrängungsvorrichtung 610 angelegt
wird, um den optischen Schalter 600 von seinem reflektierenden
Zustand in seinen durchlässigen Zustand
zu schalten. Ein Steuersignal der entgegengesetzten Polarität wird gleichzeitig
an die Verdrängungsvorrichtung 612 angelegt.
Das sich schnell verändernde
Steuersignal bewirkt, daß die
Verdrängungselement 610 und 612 sich
jeweils ausdehnen und kontrahieren, um, wie in 29 gezeigt,
im wesentlichen gleiche Beträge.
Dies verdrängt
einen Teil des Arbeitsfluids 506 in die Grabenregion 513,
wie bei 652 in den 27 und 33 gezeigt
ist. Dies bewegt die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und die Blase 514 entlang
der Grabenregion 513 in die Richtung, die von dem Pfeil 516 angedeutet
wird, bis die Oberflächen
in der Grabenregion 513 in Kontakt mit den Verengungen 532 bis 534 treten.
Das In Kontakt Treten der Oberflächen
mit den Verengungen unterbindet die Bewegung durch die Grabenregion 513, wobei
die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 zwischen die Wellenleiter 421 und 423,
wie in 25 gezeigt ist, geschoben ist.
Der optische Schalter 600 ist in seinen durchlässigen Zustand
geändert
worden. Der Teil des Arbeitsfluids 508, welcher aus der
Grabenregion 513 durch einen Teil des Arbeitsfluids 506 verdrängt worden
ist, das aus der Grabenregion 511 verdrängt worden ist, wird von der
Grabenregion 515 aufgenommen und speziell von dem Zustand
verminderten Volumens der Verdrängungsvorrichtung 612.
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34 zeigt
im wesentlichen keinen Fluß von
Arbeitsfluid durch den Ausgleichskanal 640 während des
Wirkens (assertion) der Steuersignale. Dies geschieht aufgrund der
höheren
hydraulischen Impedanz des Ausgleichskanals im Vergleich zu der
der Grabenregion 513.
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Sobald
der Zustand des optischen Schalters 600 verändert worden
ist, wird der Leistungsverbrauch durch Entfernen der Steuersignale
reduziert. Die Steuersignale werden langsam auf null reduziert, wie
es bei 653 in 32 gezeigt ist. Ein Reduzieren der
Steuersignale verändert
die Volumina der Verdrängungsvorrichtungen 610 und 612 in
Richtung ihrer Gleichgewichtsvolumina und resultiert in einem Druckungleichgewicht
zwischen den Grabenregionen 511 und 515. Die Steuersignale
werden mit einer Rate reduziert, die ein geringeres Druckungleichgewicht
zur Folge hat, als eines, welches die Flüssigkeit zur Indexanpassung 504 und
die Blase 514 von den Verengungen 532 bis 534 lösen würde. Stattdessen wird
das Druckungleichgewicht durch das Arbeitsfluid 508, welches
durch den Ausgleichskanal 640 aus der Grabenregion 515 in
die Grabenregion 511 fließt, reduziert, während die
Steuersignale reduziert werden, wie es bei 654 in 34 gezeigt
ist. Letztendlich kehrt das gesamte Arbeitsfluid, welches in die
Grabenregion 515 als Folge des Schaltens des optischen Schalters 600 in
seinen durchlässigen
Zustand verdrängt
worden ist, über
den Ausgleichskanal 640 zurück zu der Grabenregion 511.
Die 27 und 30 zeigen
den optischen Schalter 600 in seinem durchlässigen Zustand
im Gleichgewicht.
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Der
optische Schalter 600 wird in seinem durchlässigen Zustand
im Gleichgewicht bleiben, bis wiederum Steuersignale an die Verdrängungsvorrichtungen 610 und 612 angelegt
werden, um den optischen Schalter zurück in seinen reflektierenden
Zustand zu schalten. 32 zeigt bei 655 das
Steuersignal, welches an die Verdrängungsvorrichtung 610 angelegt
wird, um den optischen Schalter 600 von seinem durchlässigen Zustand
in seinen reflektierenden Zustand zu schalten. Ein Steuersignal
der entgegengesetzten Polarität
wird gleichzeitig an die Verdrängungsvorrichtung 612 angelegt.
Die sich schnell verändernden
Steuersignale bewirken, daß die
Verdrängungselemente 610 und 612 jeweils
kontrahieren und expandieren, um im wesentlichen den gleichen Betrag,
wie in 31 gezeigt ist. Dies verdrängt einen
Teil des Arbeitsfluides 508 in die Grabenregion 513,
wie bei 656 in 33 gezeigt
ist. Dies bewegt die Flüssigkeit
zur Indexanpassung 504 und die Blase 514 entlang
der Grabenregion 513 in die Richtung entgegengesetzt zu
der, die durch den Pfeil 516 angedeutet wird, bis die Oberflächen in
der Grabenregion 513 in Kontakt mit den Verengungen 531 bis 533 treten.
Ein in Kontakt Treten der Oberflächen
mit den Verengungen hindert ferner ein weiteres Bewegen durch die
Grabenregion 513, wobei die Blase 514 zwischen
die Wellenleiter 421 und 423, wie in 24 gezeigt
ist, zwischengeschoben ist. Der optische Schalter 600 ist
in seinen reflektierenden Zustand geschaltet worden. Der Teil des
Arbeitsfluides 506, welcher aus der Grabenregion 513 durch
einen Teil des Arbeitsfluids 508 verdrängt worden ist, welches aus der
Grabenregion 515 verdrängt
worden ist, wird von der Grabenregion 511 aufgenommen und
speziell von dem Zustand niedrigen Volumens der Verdrängungsvorrichtung 610.
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34 zeigt
im wesentlichen keinen Fluß des
Arbeitsfluids durch den Ausgleichskanal 640 während des
Wirkens der Steuersignale. Dies geschieht aufgrund der höheren hydraulischen
Impedanz des Ausgleichskanals im Vergleich zu der der Grabenregion 513.
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Sobald
der Zustand des optischen Schalters 600 verändert worden
ist, reduziert sich der Leistungsverbrauch durch Entfernen der Steuersignale. Die
Steuersignale werden langsam auf null reduziert, wie es bei 657 in 32 gezeigt
ist. Ein Entfernen der Steuersignale stellt das Volumen der Verdrängungsvorrichtung 610 und 612 zu
ihren Gleichgewichtsvolumina wieder her und hat ein Druckungleichgewicht
zwischen den Grabenregionen 511 und 515 zur Folge.
Die Steuersignale werden mit einer Rate reduziert, die ein Druckungleichgewicht
unterhalb dessen zur Folge hat, welches die Flüssigkeit zur Indexanpassung 504 und
die Blase 514 von den Verengungen 531 bis 533 lösen würde. Statt
dessen wird das Druckungleichgewicht durch das Arbeitsfluid 508,
welches durch den Ausgleichskanal 640 aus der Grabenregion 511 in
die Grabenregion 514 fließt, wie es in 34 bei 658 gezeigt
ist, reduziert. Letztendlich kehrt das gesamte Arbeitsfluid, welches
von der Grabenregion 511 als Folge eines Schaltens des optischen
Schalters 600 in seinen durchlässigen Zustand aufgenommen
worden ist, zurück
zu der Grabenregion 515 über den Ausgleichskanal 640.
Die 26 und 28 zeigen
einen optischen Schalter 600 in seinem reflektierenden
Zustand im Gleichgewicht.
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Der
optische Schalter 600 wird in seinem reflektierenden Zustand
im Gleichgewicht bleiben, bis Steuersignale wiederum an die Verdrängungsvorrichtungen 610 und 612 angelegt
werden, um den optischen Schalter zurück in seinen durchlässigen Zustand
zu schalten.
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Verschiedene
Modifikationen der vorliegenden Erfindung werden aus der vorangehenden
Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich sein. Dementsprechend ist die Erfindung einzig
durch den Umfang der nachfolgenden Ansprüche definiert.