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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung betrifft allgemein optische Schalter und insbesondere
Verfahren zur Förderung der
Stabilität
der Geometrie und der Anordnung einer Blase innerhalb eines optischen
Schalters.
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STAND DER
TECHNIK
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Signalübertragungen
innerhalb eines Kommunikationsnetzes werden in zunehmendem Maße unter
Verwendung von optischer Signalisierung durchgeführt, wobei Informationen als
Modulationen von mittels Laser erzeugtem Licht ausgetauscht werden.
Die Ausrüstung
zum Erzeugen und Modulieren von Licht für optische Übertragungen ist leicht verfügbar, ebenso
die Kabel zum Übertragen
der optischen Signale über
große
Entfernungen. Jedoch treten Probleme im Hinblick auf die Vermittlung
der optischen Signale ohne einen erheblichen Verlust an Signalstärke auf.
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Ein
Verfahren zum Schalten optischer Signale ist in dem an Fouquet et
al. erteilten US-Patent Nr. 5,699,462 beschrieben, welches an den
Abtretungsempfänger
der vorliegenden Erfindung abgetreten wurde. Ein isolierter optischer
Schalter, welcher auf der Beschreibung in Fouquet et al. beruht,
ist in 1 dargestellt. Der optische Schalter 10 wird
aus Schichten gebildet, welche auf einem Substrat strukturiert werden.
Die Wellenleiterschichten auf dem Substrat umfassen eine optionale
untere Mantelschicht 14, einen optischen Kern 16 und
eine nicht dargestellte obere Mantelschicht. Der optische Kern kann
primär
aus Siliziumdioxid bestehen, mit Dotierungssstoffen, durch welche
ein gewünschter
Brechungsindex erzielt wird. Die Mantelschichten werden aus einem
Material mit einem Brechungsindex hergestellt, welcher sich wesentlich
von dem des Kernmaterials unterscheidet, so daß die optischen Signale entlang
des Kerns geleitet werden. Der effektive Phasenindex des Wellenleiters
wird durch die Brechungsindizes des Kernmaterials und des Materials
der Mantelschichten bestimmt. Die Schicht des Kernmaterials wird
in Form von Wellenleiterabschnitten strukturiert, welche ein Paar
von Eingangswellenleitern 20 und 24 und ein Paar
von Ausgangswellenleitern 22 und 26 definieren.
Nachdem das Kernmaterial auf der unteren Mantelschicht ausgebildet
worden ist, wird die obere Mantelschicht durch Blanket-Abscheidung
(Blanket Deposition) hergestellt. Ein Graben 28 wird in
die Mantelschichten und das Kernmaterial geätzt. Eine Flüssigkeit
mit einem Brechungsindex, welcher im Wesentlichen mit dem effektiven
Phasenindex der Wellenleiter übereinstimmt,
wird dem Graben zugeführt.
Wenn die Flüssigkeit
bezüglich
der Wellenleiter ausgerichtet ist, breiten sich Signale effizient
durch den Graben aus. Somit treten Signale vom Eingangswellenleiter 20 aus
dem zu diesem ausgerichteten Ausgangswellenleiter 26 aus, während Signale
vom Eingangswellenleiter 24 über den zu diesem ausgerichteten
Ausgangswellenleiter 22 austreten.
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Der
erste Eingangswellenleiter 20 und der zweite Ausgangswellenleiter 22 haben
Achsen, welche sich an oder in der Nähe (vorzugsweise in der Nähe) einer
Seitenwand des Grabens 28 unter einem Einfallswinkel schneiden,
welcher eine totale innere Reflexion (TIR) zur Folge hat. Wenn sich
eine Blase 30 an dem Schnittpunkt der zwei Achsen befindet,
erzeugt die Nichtübereinstimmung
zwischen den Brechungsindizes die TIR-Bedingung, in welcher ein Eingangssignal
entlang des Eingangswellenleiters 20 in den zweiten Ausgangswellenleiter 22 reflektiert wird.
Es muß jedoch
darauf hingewiesen werden, daß der
zweite Eingangswellenleiter 24 mit keinem der Ausgangswellenleiter 22 und 26 optisch
gekoppelt ist, da der Versatz der optischen Achsen der Wellenleiter
eine optische Kopplung verhindert.
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Das
an Fouquet et al. erteilte Patent beschreibt eine Anzahl von alternativen
Ausführungsformen
zum Umschalten des optischen Schalters 10 zwischen einem
transmissiven Zustand und einem reflektiven Zustand. In dem transmissiven
Zustand füllt
die Flüssigkeit
innerhalb des Grabens die gesamte Fläche aus, die zu den Wellenleitern 20, 22, 24 und 26 ausgerichtet
ist. Eine Herangehensweise an das Umschalten zwischen den zwei Zuständen besteht
darin, eine Mikroheizvorrichtung 38 einzubauen, welche
die Bildung einer Blase 30 innerhalb des die Flüssigkeit
enthaltenden Grabens 28 steuert. Wenn die Mikroheizvorrichtung
auf eine Temperatur gebracht wird, welche ausreichend hoch ist,
um die Blase in der Immersionsflüssigkeit
zu bilden, ist die Blase im Idealfall quer über die gesamte Grenzfläche zwischen
dem jeweiligen Wellenleiter und der Seitenwand des Grabens positioniert.
In dieser idealen Situation tritt nur eine kleine Menge des Lichtes
in den Graben aus.
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Das
Problem beim Erzielen des idealen Zustands entlang der Grenzfläche zwischen
Wellenleiter und Graben besteht darin, daß eine Blase vielen destabilisierenden
Einflüssen
ausgesetzt ist. Wenn die Oberfläche,
die von einer Blase bedeckt ist, die gegen eine Grabenseitenwand
abgeflacht ist, ausreichend ist, um die seitliche Ausdehnung der
optischen Felder der sich kreuzenden Wellenleiter, wie etwa der Wellenleiter 20 und 22 in 1,
vollständig
einzuschließen,
so hat die Reflexion ein stabiles Maximum erreicht. Jede Verkleinerung
unter die volle seitliche Ausdehnung der optischen Felder bewirkt
dann jedoch einen optischen Verlust. Vielleicht noch wichtiger ist,
daß jede Änderung
der verringerten Fläche zur
Folge hat, daß sich
das reflektierte optische Signal entsprechend ändert. Daher verbessert jede
erfolgreiche Methode, um eine Blase innerhalb des Grabens 28 einzuschließen und
eine ausreichende Größe der Blase
aufrechtzuerhalten, die Stabilität
optischer Reflexionen und verbessert so einen wichtigen Aspekt der
Funktionsstabilität
des optischen Schalters 10.
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Als
eine Vorgehensweise, um für
eine solche Stabilität
der Funktion zu sorgen, kann die elektrische Leistung, die den Mikroheizvorrichtungen
optischer Schalter zugeführt
wird, erhöht
werden, so daß sie eine
reichlich bemessene thermische Leistung liefern, um die Blasen quer über die
gesamte Grenzfläche
zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Die Attraktivität einer
solchen Lösung
ist jedoch begrenzt aufgrund der Einschränkungen beim Power Handling
eines großen
Feldes von optischen Schaltern, und da es wünschenswert ist, ein solches
Feld mit einem möglichst
niedrigen Energieverbrauchsniveau zu betreiben. Eine andere Vorgehensweise
besteht darin, die Form und Größe der Gräben, welche
die Blasen halten, in der Relation zu den Formen und Größen der
Mikroheizvorrichtungen, welche die Blasen erzeugen, auf geeignete
Weise zu konstruieren. Gemäß dem oben
genannten, an Fouquet et al. erteilten Patent wird ein Graben auf
gegenüberliegenden
Seiten der Mikroheizvorrichtung nach unten verlängert. Somit werden V-förmige Einschnitte in ein Mikroheizvorrichtungs-Substrat
geätzt,
die zu dem Graben ausgerichtet sind. Die Verlängerung des Grabens nach unten
soll dazu dienen, die Blasenstabilität zu erhöhen, indem ein dynamisches
Gleichgewicht gefördert
wird, wobei Flüssigkeit
an den Heizvorrichtungen siedet und an der Oberseite der Blasen
kondensiert. Diese Vorgehensweise verbessert sie Stabilität, jedoch
sind alternative oder zusätzliche
Verfahren wünschenswert.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist so beschaffen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert
ist. Die erhöhten
Barrieren versperren teilweise die Bewegung oder Ausdehnung der
Blase in den benachbarten Abstand hinein. Zum Beispiel können die
erhöhten
Barrieren Teil-Barrieren sein, welche vorgesehen werden, indem ein
Material, wie normalerweise ein dielektrisches Material, auf dem
Heizvorrichtungssubstrat abgeschieden oder aufgewachsen wird. Bei einer
Anwendung werden die Barrieren innerhalb des benachbarten Abstands
auf zwei gegenüberliegenden
Seiten der Mikroheizvorrichtung positioniert, können jedoch Abschnitte enthalten,
welche sich innerhalb des Grabens an den anderen zwei Seiten der Mikroheizvorrichtung
befinden. Somit kann das Barrierenmaterial zusätzlich dazu, daß es für eine seitliche
Steuerung der Blasenposition sorgt, eine Steuerung in Längsrichtung
entlang der Länge
des Grabens gewährleisten.
Während
des Herstellungsprozesses eines optischen Schalters ist das Einfügen von
Schritten des Vorsehens und Strukturierens des Barrierematerials
ein relativ niedriger Preis, der für eine langfristige Verringerung
(über Änderungen
der Oberflächenenergie)
oder sogar vollständige
Verhinderung (durch physisches Blockieren) der seitlichen Ausdehnung
einer Blase in den Abstand hinein, welcher einem Graben benachbart
ist, gezahlt wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist, daß die
Blasenstabilität
verbessert wird. Infolgedessen werden die optischen Betriebseigenschaften
des optischen Schalters verbessert. Ein anderer Vorteil ist, daß eine verbesserte
Stabilität
erzielt wird, ohne daß sich
die Betriebsleistungs-Anforderungen des optischen Schalters oder
des Schaltfeldes, in welchem der optische Schalter ein Element ist,
erhöhen.
Obwohl zusätzliche
Verarbeitungsschritte erforderlich sind, sind die zusätzlichen
Schritte weder kompliziert noch kostenaufwendig.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht eines optischen Schalters, welcher das totale innere
Reflexionsvermögen
ausnutzt, nach dem Stand der Technik.
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2 ist
eine Draufsicht eines optischen Schalters mit Blasen positionierenden
Oberflächenmerkmalen
gemäß der Erfindung.
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3 ist
eine seitliche Schnittansicht des optischen Schalters von 2 entlang
der Linien 3-3.
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4 ist
eine Draufsicht einer anderen Anwendung der Blasen positionierenden
Oberflächenmerkmale
von 2 und 3.
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5 ist
eine seitliche Schnittansicht des Grabenbereiches des optischen
Schalters gemäß einer
Anwendung eines Beispiels.
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6 ist
eine seitliche Schnittansicht des Grabenbereiches des optischen
Schalters gemäß einer
anderen Ausführungsform.
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7 ist
eine Draufsicht des Grabenbereiches des optischen Schalters gemäß einem
anderen Beispiel.
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8 ist
eine seitliche Schnittansicht des Grabenbereiches des optischen
Schalters gemäß einem
weiteren Beispiel.
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9 ist
eine seitliche Schnittansicht des Grabenbereiches des optischen
Schalters gemäß noch einem
weiteren Beispiel.
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10 ist
eine seitliche Schnittansicht des Grabenbereiches des optischen
Schalters mit einem wasserabweisenden Film auf den Wänden des
Grabens.
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11 ist
eine seitliche Schnittansicht des Grabenbereiches des optischen
Schalters gemäß noch einem
weiteren Beispiel.
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12 ist
eine Draufsicht des Beispiels von 11.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Es
wird auf 2 und 3 Bezug
genommen. Sie zeigen einen optischen Schalter 40, der viele
der Merkmale aufweist, die unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
wurden. Der optische Schalter weist vier Wellenleiterabschnitte
auf, welche im Weiteren als erster und zweiter Eingangswellenleiter 42 und 44 und
erster und zweiter Ausgangswellenleiter 46 und 48 bezeichnet
werden. Obwohl es aus den vereinfachten Zeichnungen nicht offensichtlich
ist, sind die Wellenleiter auf die herkömmliche Weise durch Einschließen von
Kernmaterial in einer oberen und einer unteren Mantelschicht ausgebildet,
so daß Licht
entlang des Kernmaterials geleitet wird.
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Jeder
der Wellenleiter 42, 44, 46 und 48 hat ein
Ende, welches einen Flüssigkeit
enthaltenden Graben 50 kreuzt. Der optische Schalter 40 ist
in einem reflektiven Zustand dargestellt, da sich eine Blase 52 in
dem Bereich des Grabens befindet, an welchen die Wellenleiter anstoßen. Die
optische Kopplung zwischen den Wellenleitern ist von den an diesem
Kreuzungspunkt lokalisierten optischen Merkmalen abhängig. Wenn
sich die Blase 52 in der in 2 dargestellten
Position befindet, trifft ein entlang des Wellenleiters 42 übertragenes
Eingangssignal an der Seitenwand des Grabens auf eine Nichtübereinstimmung
der Brechungsindizes. Infolgedessen wird das optische Signal in
den zweiten Ausgangswellenleiter 48 reflektiert. Um ein
bestmögliches
Betriebsverhalten des optischen Schalters 40 zu erzielen, wenn
sich der Schalter im reflektiven Zustand befindet, sollte der Einfallswinkel
der Wellenleiter 42, 44, 46 und 48 an
den Seitenwänden
des Grabens 50 größer als
der kritische Winkel sein, der für
die totale innere Reflexion (TIR) erforderlich ist. Die Flüssigkeit innerhalb
des Grabens 50 weist jedoch einen Brechungsindex auf, welcher
genügend
nahe beim Brechungsindex des bei der Herstellung der Wellenleiter verwendeten
Kernmaterials liegt, so daß sich
optische Signale frei zwischen den Wellenleitern und der Flüssigkeit
innerhalb des Grabens ausbreiten. Somit wird, wenn der Blase 52 ermöglicht wird
zu kondensieren und die Flüssigkeit
innerhalb des Kreuzungsbereiches fließt, der erste Eingangsleiter 42 mit
dem ersten Ausgangswellenleiter 46 gekoppelt, während der
zweite Eingangswellenleiter 44 mit dem zweiten Ausgangswellenleiter 48 gekoppelt
wird.
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Wie
zuvor beschrieben, wird das Betriebsverhalten des optischen Schalters 40 von
der Position der Blase 52 relativ zu den Graben-Wellenleiter-Grenzflächen beeinflusst.
Wenn die Oberfläche der
Blase 52 an der Seitenwand des Grabens die seitlichen Ausdehnungen
der optischen Felder der sich kreuzenden Wellenleiter vollständig einschließt, so hat
die Reflexion ein stabiles Maximum erreicht. Jede Verkleinerung
unter diese volle seitliche Ausdehnung der optischen Felder bewirkt
dann jedoch eine gewisse optische Dämpfung. Außerdem werden, wenn die Blase
in ihrer Position instabil ist, die Reflexionseigenschaften des
Schalters ebenfalls instabil. In 2 und 3 wurden
Oberflächenmerkmale
in den Schalter integriert, um die Blase und das Schaltverhalten
des Schalters zu stabilisieren. Andere Typen von Oberflächenmerkmalen
werden unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren beschrieben.
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Wie
in 3 am besten zu erkennen ist, ist der optische
Schalter 40 aus einem Wellenleitersubstrat 54 und
einem Heizvorrichtungssubstrat 56 hergestellt. Die zwei
Substrate sind miteinander verbunden, sind jedoch entlang des dem
Graben 50 benachbarten Bereiches in einem Abstand voneinander angeordnet.
Infolgedessen ist ein Abstand 58 zwischen den zwei Substraten 54 und 56 ausgebildet. Ein
Vorteil dieses Abstands ist, daß er
eine Anpassung an eventuelle Volumenausdehnungen ermöglicht,
die durch die Bildung einer Blase und das Kollabieren einer Blase
verursacht werden. Obwohl es wünschenswert
ist, eine Anpassung an Volumenänderungen
zu ermöglichen,
sollte sich die Anpassung jedoch nicht nachteilig auf die Stabilität der Blase auswirken.
Bei der Ausführungsform
von 2 und 3 sind erhöhte Barrieren 60, 62, 64 und 66 an den
verschiedenen Seiten einer Mikroheizvorrichtung 68 zum
Ausbilden der Blase 52 ausgebildet. Die seitlichen Barrieren 60 und 62 sind
innerhalb des Abstands 58 neben dem Graben 50 angeordnet.
Somit steuern die längeren
zwei Barrieren die seitliche Ausdehnung der Blase 52 in
den benachbarten Abstand 58 hinein. Eine "longitudinale Steuerung" der Blase wird durch
die Endbarrieren 64 und 66 gewährleistet. Obwohl diese Barrieren
als innerhalb des Grabens 50 enthalten dargestellt sind,
können
sich, wenn der Graben so ausgebildet ist, daß er nur geringfügig größer als
die Länge
der Blase ist, die Endbarrieren 64 und 66 auch
innerhalb des benachbarten Abstands befinden.
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Die
Barrieren 60, 62, 64 und 66 können gebildet
werden, indem eine dielektrische Schicht auf dem Heizvorrichtungssubstrat 56 abgeschieden
oder gezogen wird. Es können
fotolithografische Verfahren angewendet werden, jedoch können auch
andere herkömmliche
Methoden benutzt werden. Da die Abmessungen der Barrieren nicht
kritisch sind, sind großzügige Fertigungstoleranzen
akzeptabel. Ein mögliches
Material für
die Herstellung der Barrieren ist Siliziumdioxid, dieses kann jedoch
durch andere Materialien ersetzt werden.
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Es
existiert eine Anzahl von möglichen
Alternativen zu den dargestellten Barrieren 60, 62, 64 und 66 von 2 und 3.
Zum Beispiel können
die Barrieren, anstatt daß sie
auf dem Heizvorrichtungssubstrat 56 ausgebildet werden,
auf dem Wellenleitersubstrat 54 ausgebildet werden. Als
eine andere Alternative kann die Dicke der Barrieren erhöht werden,
so daß sie
beide Substrate 54 und 56 berühren, derart, daß die Barrieren
(durch physisches Blockieren) die seitliche Ausdehnung der Blase 52 verhindern,
anstatt daß sie
lediglich (durch Änderungen
der Oberflächenenergie)
die seitliche Ausdehnung der Blase in den benachbarten Abstand 58 hinein
verringern. Als eine weitere Variante können die Barrieren in Abschnitte
aufgeteilt werden. Dies ist in 4 dargestellt,
welche drei Abschnitte 70, 72 und 74 auf
jeder der einander gegenüberliegenden
langen Seiten der Mikroheizvorrichtung vorsieht, um die seitliche Ausdehnung
der Blase zu steuern, und zwei Abschnitte 76 und 78 auf
den kürzeren
Seiten der Heizvorrichtung vorsieht, um die Ausdehnung der Blase
in Längsrichtung
zu steuern.
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5 zeigt
ein anderes Beispiel, wie die Blasenstabilität, das Betriebsverhalten und
die Temperaturbeständigkeit
innerhalb eines optischen Schalters gewährleistet werden können. Bei
dieser Vorgehensweise werden die absichtlichen Veränderungen
der Oberflächentopographie
als Oberflächenänderungen entlang
einer Ziel-Grenzlinie des Kontakts zwischen der Blase 52 und
der Struktur des optischen Schalters implementiert. Es wird als
vorteilhaft angesehen, die Oberflächenänderungen an den Rändern der
Mikroheizvorrichtung 68 oder wenigstens in der Nähe der Ränder der
Mikroheizvorrichtung auszubilden. Die Oberflächenänderungen können jedoch entlang der Ziel-Grenzlinie
des Kontakts der Blase mit den Wänden
vorhanden sein, welche die Enden der Wellenleiter enthalten, oder
entlang der Ziel-Grenzlinie des Kontakts der Blase mit der oberen
Wand des Wellenleitersubstrats. Die Änderung der Oberflächentopographie "heftet" die Blase entlang
der Ziel-Grenzlinie an. In 5 sind die
Oberflächenmerkmale
als lokale Vertiefungen 80 und 82 innerhalb einer
dielektrischen Schicht 84 dargestellt. Die dielektrische
Schicht kann von einem Typ sein, der oft verwendet wird, um die
metallische Mikroheizvorrichtung vor Chemikalien der Immersionsflüssigkeit zu
schützen.
Die lokal begrenzten Vertiefungen können isotrope oder anisotrope
Grübchen
sein, die unter Anwendung herkömmlicher
fotolithografischer Verfahren gebildet wurden, da die Geometrie
der Vertiefungen keine große
Bedeutung hat.
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In 6 sind
die Vertiefungen durch erhöhte Bereiche 86 und 88 ersetzt.
Die erhöhten
Bereiche haben dieselbe Funktionsweise wie die lokal begrenzten
Vertiefungen 80 und 82 von 5. Um eine seitliche
Ausbreitung der Blase 52 zu verhindern, sollte das zur
Bildung der erhöhten
Bereiche verwendete Material eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Die fotolithografische
Strukturierung eines dielektrischen Materials erhöht die Kosten
und die Komplexität
des Prozesses zur Herstellung eines optischen Schalters nur sehr
geringfügig.
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Selbst
wenn sich die Blase 52 seitlich in den Abstand 58 zwischen
den zwei Substraten 54 und 56 hinein "ausbeult", befindet sich die
Blase in einer geeigneten Position an der Seitenwand des Grabens 50 an
der Grenzfläche
zwischen dem Graben und den Wellenleitern (welche in 5 oder 6 nicht
dargestellt sind). Die Vertiefungen 80 und 82 oder
die erhöhten
Bereiche 86 und 88 können sich um die gesamte Mikroheizvorrichtung 68 herum
erstrecken, wodurch sie für
Stabilität
in Längsrichtung
ebenso wie für
Querstabilität
sorgen.
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Es
wird nun auf 7 Bezug genommen; sie zeigt
ein anderes Beispiel in einer Draufsicht, es sind jedoch nur der
erste Eingangswellenleiter 42 und der zweite Eingangswellenleiter 48 dargestellt.
In diesem Beispiel sind die absichtlich veränderten Oberflächenmerkmale
mit einem Dielektrikum gefüllte
Hohlräume 90 und 92 innerhalb
der Oberfläche
des Heizvor richtungssubstrats. Die mit einem Dielektrikum gefüllten Hohlräume gewährleisten
eine zusätzliche Wärmeisolation,
wodurch sie die Abgabe von Wärme in
das Heizvorrichtungssubstrat verringern. Infolgedessen wird die
Zufuhr von Wärme
zu der Blase wesentlich verbessert. Ein abrupter Übergang
bei den Wärmeleitungsbedingungen
liefert die gewünschten Ergebnisse,
so daß die
Ausbildung von im Wesentlichen senkrechten Hohlraumwänden vorteilhaft
ist. Eine mögliche
Vorgehensweise zur Ausbildung von Hohlräumen mit im Wesentlichen senkrechten
Wänden
wird als der Bosch-Prozess bezeichnet, bei welchem Vakuum- und Plasmaätzverfahren
(Trockenätzverfahren)
angewendet werden. Aufgrund der abrupten Übergänge bei der Thermodynamik,
die durch die vertikalen Wände
der Hohlräume
gewährleistet
werden, wird die Zugabe des dielektrischen Füllmaterials weniger wichtig.
Demzufolge können die
Bereiche 90 und 92 bei manchen Ausführungsformen
leere Hollräume
sein.
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In
der Draufsicht von 7 sind die mit einem Dielektrikum
gefüllten
Hohlräume
als zwei dielektrische Bereiche 90 und 92 dargestellt,
welche der Krümmung
eines leitfähigen
Pfades 94 entlang des Heizvorrichtungssubstrats folgen.
Der leitfähige
Pfad 94 ist eine Trasse, über welche die Mikroheizvorrichtung 68 mit
Aktorstrom versorgt wird. Der leitfähige Pfad ist eine herkömmliche
Komponente eines Heizvorrichtungssubstrats eines optischen Schalters.
Die Mikroheizvorrichtung 68 ist mit dem darunter befindlichen
leitfähigen
Pfad 94 verbunden, so daß die Heizvorrichtung auf der
Basis der Zuführung
von Strom über
den leitfähigen
Pfad ein- und ausgeschaltet
werden kann.
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Das
Heizvorrichtungssubstrat kann aus Silizium hergestellt sein, welches
durch Ätzen
strukturiert wird, um die mit Dielektrikum gefüllten (oder manchmal hohlen)
Bereiche 90 und 92 aufzunehmen. Das dielektrische
Material weist im Vergleich zum Material des Substrats eine niedrige
Wärmeleitfähigkeit
auf. Demzufolge ist es weniger wahrscheinlich, daß die Wärme von
der Mikroheizvorrichtung in einem Muster ausgestrahlt wird, welches
bewirkt, daß sich
die Blase seitlich in den Abstand von Substrat zu Substrat hinein
ausdehnt. Das dielektrische Material kann Siliziumdioxid sein, oder
irgendein anderes Material, welches nichtleitend ist und welches eine
wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeit
aufweist als das Material des Substrats.
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Ein
anderes Beispiel ist in 8 dargestellt. In diesem Beispiel
sind neben dem Hauptgraben 50 Hilfsgräben 96 und 98 ausgebildet.
Die Ränder
der Hilfsgräben
verändern
das Oberflächen-Energiegleichgewicht,
so daß die
seitliche Ausdehnung der Blase 52 verhindert wird. Außerdem stellen
die Hilfsgräben,
da die Hilfsgräben 96 und 98 mit
der Immersionsflüssigkeit
gefüllt
sind, wenn sich der Schalter in seinem transmissiven Zustand befindet,
und da die Immersionsflüssigkeit
eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit
aufweist als das Material des Substrats (z.B. Siliziumdioxid oder
Silizium), eine Barriere für
Wärmeverluste
aus dem geheizten Wellenleiter-Kreuzungspunkt des optischen Schalters
dar. Daher können
die Hilfsgräben
helfen, die Größe und Position der
thermisch erzeugten und aufrechterhaltenen Blase 52 beizubehalten.
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Die
Hilfsgräben 96 und 98 sind
als innerhalb einer dielektrischen Schicht 100 auf der
Oberfläche des
Wellenleitersubstrats 54 ausgebildet dargestellt. Die Hilfsgräben können jedoch
auch im Substratmaterial selbst ausgebildet sein. Als Ersatz für die Hilfsgräben 96 und 98 im
Wellenleitersubstrat 54 oder zusätzlich zu ihnen können Hilfsgräben im Heizvorrichtungssubstrat 56 ausgebildet
sein. Ein Vorteil der Ausbildung der Hilfsgräben innerhalb des Heizvorrichtungssubstrats
ist, daß die
Gräben
näher zu
den seitlichen Rändern
des Hauptgrabens 50 ausgerichtet ausgebildet werden können.
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In
dem Beispiel von 9 liefern hinzugefügte Schichten 102 und 104 auf
den Oberflächen des
Wellenleitersubstrats 54 und des Heizvorrichtungssubstrats 56 die
gewünschten
Oberflächenmerkmale
innerhalb des Abstands Substrat-Substrat 58. Die Schichten 102 und 104 sind
dazu bestimmt, eine Ziel-Oberflächenbenetzbarkeit
innerhalb des Abstands zu gewährleisten.
Die Benetzbarkeit beeinflusst die Kapillarkräfte an der Grenzfläche der
Blase mit der Flüssigkeit
innerhalb des Abstands. Somit ist der Einfallswinkel zwischen der
Blase und jeder Schicht besser vorhersagbar und stabil. Wie in 9 dargestellt,
weisen die Ausbauchungen in den Abstand 58 hinein einen
Einfallswinkel 58 auf, welcher sich wesentlich von der
Ausbauchung der restlichen Immersionsflüssigkeit innerhalb der Oberseite
des Grabens 50 unterscheidet. Die Kapillarwirkung induziert
Kräfte,
die auf die Flüssigkeit
innerhalb des Abstands 58 einwirken, so daß diese
entlang der Oberflächen
der hinzugefügten
Schichten 102 und 104 zu den Enden der Schichten "kriecht".
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In
einem Beispiel sind die hinzugefügten Schichten 102 und 104 auf
den zwei Substraten 54 und 56 so strukturiert,
daß sie
sich nur in dem Bereich in der Nähe
des Grabens 50 befinden. Die Auswahl der Schicht sollte
so erfolgen, daß sie
von Natur aus eine andere Benetzbarkeit durch die Flüssigkeit gewährleistet
als die darunter liegende Schicht. In 9 können die
darunter liegenden Schichten Siliziumdioxidschichten 106 und 108 sein,
und die hinzugefügte
Schicht kann Gold sein. Andererseits können die "hinzugefügten" Schichten auch Behandlungen des Siliziumdioxidmaterials
sein. Zum Beispiel können,
wenn die Substrate 54 und 56 Silica-Substrate sind, die
Siliziumoxid-Filme aufweisen, Unterschiede in der Benetzbarkeit
durch den selektiven Selbstaufbau von organischen funktionalisierten
Orthosilikaten oder Chlorosilanen auf der Siliziumoxid-Oberfläche hervorgerufen
werden. Eine spezielle Untergruppe, mit welcher angestrebte Benetzbarkeitseigenschaften
erreicht werden können,
ist fluoriertes langkettiges Kohlenwasserstoff-Chlorosilan. Für die Ausführungsform,
in welcher die hinzugefügte
Schicht Gold ist, kann ein selektiver Selbstaufbau von Alkanthiolen auf
der Goldoberfläche
die angestrebten Benetzbarkeitseigenschaften gewährleisten. Eine spezifische akzeptable
Untergruppe ist fluoriertes langkettiges Alkanthiol. Optional enthält die Immersionsflüssigkeit einen
Zusatz, welcher den Brechungsindex des Fluids nicht wesentlich beeinflusst,
jedoch die Wahrscheinlichkeit verringert, daß das Fluid die Schichten angreift.
Als ein anderes mögliches
Schichtmaterial kann die hinzugefügte Schicht ein Polymer sein,
wie etwa ein fluoriertes Polymer.
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Es
wird nun auf 10 Bezug genommen; zusätzlich zu
den hinzugefügten
Schichten 102 und 104 oder anstelle derselben
kann der Graben 50 mit einem wasserabweisenden Film 110 beschichtet werden,
um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß ein Flüssigkeitsrückstand entlang des optischen Fensters
verbleibt, das von der Grenzfläche
des Grabens 50 und einem der Wellenleiter gebildet wird.
Der Flüssigkeitsrückstand
könnte
das Betriebsverhalten des optischen Schalters nachteilig beeinflussen,
da dessen Indexanpassungs-Eigenschaften ermöglichen, daß ein Eingangssignal ein kurzes
Stück in
den die Blase enthaltenden Graben eintritt, welcher dazu bestimmt
ist, eine totale innere Reflexion zu gewährleisten. Die Form des Rückstandes
beeinflusst dann die hervorgerufene Reflexion an der Grenzfläche des Rückstandes
und der Blase. Der wasserabweisende Film 110 verringert
die Wahrscheinlichkeit eines Rückstandes
entlang des optischen Fensters. Der Film kann von einem Polymer
gebildet werden, wie etwa einem fluorierten Polymer (z.B. PTFE).
Ein Zusatz kann der Immersionsflüssigkeit
zugegeben werden, um die weitere Entnetzung zu fördern.
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Obwohl
der wasserabweisende Film 110 von 10 als
ohne irgendeines der zuvor beschriebenen Verfahren zur Steuerung
der Ausdehnung der Blase innerhalb des Abstandes Substrat-Substrat 58 verwendet
dargestellt ist, wird der Film vorzugsweise zusammen mit wenigstens
einer der anderen Verfahrensweisen angewendet. Zum Beispiel können die hinzugefügten Schichten 102 und 104 aus
demselben Material hergestellt werden wie der wasserabweisende Film 110.
Jedoch werden die Schichten 102 und 104 vorzugsweise
separat hergestellt, so daß die
Schichten und der Film einzeln maßgeschneidert werden können, um
die jeweiligen Ziele zu erreichen. In ähnlicher Weise können die
verschiedenen Vorgehensweisen zum "Anheften" der Blase kombiniert werden. Beispielsweise
kann die Verwendung der Schichten 102 und 104,
um die Kapillarkräfte
zu verstärken,
mit der Vorgehensweise von 5 kombiniert
werden, bei der lokale Vertiefungen 80 und 82 an
den oder in der Nähe
der Ränder
der Mikroheizvorrichtung 68 ausgebildet werden, um die Steuerung
der Blase zu gewährleisten.
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Eine
andere beispielhafte Vorgehensweise, um eine Stabilität der Blase
zu gewährleisten,
ist in 11 und 12 dargestellt.
Es wird eine dünne Schicht 114 gebildet,
die Kapillaröffnungen 118 und Kühlrippen 116 enthält. Diese
Schicht ist als durch eine dielektrische Schicht 112 von
der Mikroheizvorrichtung 68 getrennt dargestellt, doch
es sind auch andere Anordnungen möglich. Die dünne Schicht kann
ein Drahtgeflecht, Sintermetall oder eine andere poröse dünne Schicht
sein, welche so gestaltet ist, daß sie Fluid durch Kapillarkräfte zur
Mikroheizvorrichtung hin anzieht. Damit wird beabsichtigt, den Teil des
Heizvorrichtungsbereiches zu vergrößern, welcher feucht ist, um
dadurch die Fähigkeit
der Mikroheizvorrichtung zu erhöhen,
für die
erforderliche Verdampfung zu sorgen. Bei der herkömmlichen
Struktur ist die Verdampfung auf die Ränder des Heizvorrichtungsbereiches
begrenzt, nachdem sich die Blase zu bilden beginnt. Die Stabilität der Blase
wird erhöht,
indem die Flüssigkeit
zu dem Heizvorrichtungsbereich hin gesogen wird, um eine Verdampfung
auf einer größeren Fläche zu bewirken.
Die Kühlrippen 116 fördern die
Wärmeableitung,
wenn die Mikroheizvorrichtung ausgeschaltet ist.
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Als
eine Option kann die dünne
Schicht 114, welche so gestaltet ist, daß sie Kapillarkräfte hervorruft,
aus Gold hergestellt werden. Die Goldschicht kann durch Galvanisieren
auf die dielektrische Schicht 112 aufgebracht und danach
unter Anwendung herkömmlicher
fotolithografischer Verfahren geätzt
werden. Es können
jedoch auch andere Materialien und andere Vorgehensweisen zur Abscheidung
und Strukturierung angewendet werden.