DE60216163T2

DE60216163T2 - Bistabiler optischer Schalter unter Verwendung thermisch induzierter Druckimpulse

Info

Publication number: DE60216163T2
Application number: DE60216163T
Authority: DE
Inventors: Paul H. Monmouth McClelland; Alfred Sunnyvale Pan
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2001-01-05
Filing date: 2002-01-02
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-01-03
Also published as: DE60216163D1; EP1221633A3; CA2355786C; JP3619492B2; EP1221633A2; CA2355786A1; US20020090165A1; ATE346321T1; EP1221633B1; JP2002221680A; US6470106B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Das Offenbarte bezieht sich allgemein auf Mikroschalter, und insbesondere auf einen optischen bistabilen Flüssigkeits-Mikroschalter.
Optische Fasern ersetzen leitfähige Drähte bei der Telefon- und Datenkommunikation, da optische Fasern eine äußerst hohe Bandbreite liefern, immun gegenüber Funkfrequenzrauschen sind und beinahe keine elektromagnetische Störung erzeugen. Da sich die Kosten optischer Fasern verringern, weitet sich die Verwendung optischer Fasern auf Anwendungen aus, die Schalten erfordern, um die Verbindung optischer Signalwege dynamisch neu zu konfigurieren.
Ein bekannter Lösungsansatz für optisches Schalten umfasst das thermische Steuern des Vorliegens oder der Abwesenheit einer Flüssigkeit in einem Zwischenraum, an dem sich eine Mehrzahl von optischen Wellenleitersegmenten oder -kanälen schneiden. Dieser Lösungsansatz kann beispielsweise in einer optischen Schaltung implementiert werden, die ein Wellenleitersubstrat umfasst, das eine Mehrzahl von thermisch betätigten optischen Fluidschaltern aufweist, und ein Heizsubstrat, das benachbart zu dem Wellenleitersubstrat angeordnet ist. Das Heizsubstrat umfasst ein Array von Heizwiderständen, die die optischen Schalter selektiv thermisch betätigen, beispielsweise durch Bilden von Antriebsblasen, um Fluid zu bewegen, damit sich dasselbe in und aus den Zwischenräumen in dem Wellenleitersubstrat bewegt, das Licht überträgt oder reflektiert, als eine Funktion des Vorliegens oder der Abwesenheit von Fluid.
Überlegungen zu diesem bekannten Lösungsansatz umfassen den Bedarf an einer konstanten Leistung mit geringem Pegel oder ein regelmäßiges Neueinstellen der Blasenzustände, um Zuverlässigkeit beizubehalten. Außerdem erfordert ständig wiederkehrendes „Blasen-Feststecken" (Versagen der Blase, zusammenzufallen) eine fortlaufende Überwachung und aktive Steuerung der Substrattemperatur.
Die EP 1 014 140 offenbart einen Kapillarfluidschalter, der eine Kapillare umfasst, die mit einem ersten Fluid gefüllt ist, in das eine durch eine Wand begrenzte Blase eines zweiten Fluids eingefügt wird, um ein erstes Schaltereignis zu erreichen. Die Kapillargeometrie und -benetzungseigenschaften liefern eine druckbezogene asymmetrische Energiepotentialverteilung zum Steuern des Flusses der Blase.
Die EP 0 813 088 , US 4789228 und US 4245886 beschreiben verwandte Fluidschalter.
Entsprechend besteht ein Bedarf an einem zuverlässigen optischen Schalter.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein thermisches optisches Schaltelement und ein Verfahren zum Schalten eines Lichtstrahls, wie es in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung werden für Fachleute auf diesem Gebiet ohne Weiteres offensichtlich von der folgenden detaillierten Beschreibung, wenn dieselbe in Verbindung mit den Zeichnungen gelesen wird.
1 ist eine Querschnittsaufrissansicht eines thermischen optischen Schalters gemäß der Erfindung.
2 ist eine Draufsicht einer spezifischen Implementierung des thermischen optischen Schalters von 1.
3 ist eine Draufsicht einer weiteren Implementierung des thermischen optischen Schalters von 1.
Detaillierte Beschreibung der Offenbarung
Bei der folgenden detaillierten Beschreibung und bei den mehreren Figuren der Zeichnungen sind gleiche Element mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
1 ist eine schematische Querschnittsansicht der Hauptkomponenten eines durch thermischen Druckpuls betriebenen optischen Flüssigkeitsschalters gemäß der Erfindung, der durch spezifisches Beispiel als Element eines Kreuzkanalschaltarrays offenbart ist. Der optische Schalter umfasst allgemein ein Wellenleiter oder eine Optischer-Kanal-Platte 20, ein Heizsubstrat 30 und ein Fluidreservoir 40 zwischen dem Heizsubstrat 30 und einer unteren Abdeckung 50. Eine Schaltleitung oder ein Schaltkanal 60 ist in der Optischer-Kanal-Platte 20 gebildet, und besteht aus einer Schaltkammer 61 und einer Haltekammer 62, die durch eine Flussbegrenzungsöffnung oder einen hydraulischen Dämpfer 63 fluidisch verbunden sind.
Eine erste Druckerzeugungskammer 71, die in der Optischer-Kanal-Platte 20 benachbart zu der Schaltkammer 61 gebildet ist, ist fluidisch gekoppelt mit der Schaltkammer 61 über eine Flussbegrenzungsöffnung 73, und eine zweite Druckkammer 72, die an der Optischer-Kanal-Platte 20 benachbart zu der zweiten Schaltkammer 62 gebildet ist, ist mit der Haltekammer 62 über eine Flussbegrenzungsöffnung 74 fluidisch gekoppelt. Die erste Druckerzeugungskammer 71 ist ferner mit einem Fluidzuführdurchgangsloch 75 fluidisch gekoppelt, das sich zu dem Fluidreservoir 40 erstreckt, während die zweite Druckerzeugungskammer 42 ferner mit einem Fluidzuführdurchgangsloch 76 fluidisch gekoppelt ist, das sich zu dem Fluidreservoir 40 erstreckt.
Ein erster Heizwiderstand 31 ist in dem Heizsubstrat 30 benachbart zu der ersten Druckerzeugungskammer 71 angeordnet, während ein zweiter Heizwiderstand 32 in dem Heizsubstrat 20 benachbart zu der zweiten Druckerzeugungskammer 72 angeordnet ist. Als darstellendes Beispiel umfasst das Heizsubstrat 20 eine thermische integrierte Tintenstrahl-Dünnfilm-Schaltungsvorrichtung (aktiv oder passiv).
Mit Bezugnahme auf 2 und 3 sind ein erster optischer Kanal (oder Segment) 21 und ein zweiter optischer Kanal (oder Segment) 22, die in der Optischer-Kanal-Platte 20 gebildet sind, koplanar und schneiden sich in einer Region benachbart zu der Schaltkammer 61 und bilden ferner eine Grenzfläche zu der Schaltkammer 61 an einer Oberfläche 25, die ein Abschnitt einer Wand der Schaltkammer 71 ist. Der eingeschlossene Winkel A zwischen dem ersten optischen Kanal und dem zweiten optischen Kanal 22, und der Winkel der Grenzflächenoberfläche 25 sind ausgewählt, so dass Licht, das in einem der ersten oder zweiten optischen Kanäle 21, 22 verläuft, innen in den anderen der ersten und zweiten optischen Kanäle reflektiert wird, wenn die Schaltkammer 61 eine Licht umleitende Flüssigkeit 42 enthält, deren Brechungsindex nicht mit den optischen Kanälen 21, 22 übereinstimmt. Effektiv schneidet die Schaltkammer 61 den ersten und den zweiten optischen Kanal an einer Grenzfläche, die eine innere Reflexion liefert, wenn die Licht umleitende Schaltflüssigkeit in der Schaltkammer ist. Abhängig von der gewünschten Polarisierung des innen reflektierten Strahls kann der eingeschlossene Winkel größer sein als 90 Grad, wie es in 3 schematisch dargestellt ist.
Ein dritter optischer Kanal 23, der in der Optischer-Kanal-Platte 20 gebildet ist und kollinear ist mit dem optischen Kanal 21, bildet eine Grenzfläche mit der Schaltkammer 61, und ein vierter optischer Kanal 24, der in der Optischer-Kanal-Platte 20 gebildet ist und kollinear ist mit dem zweiten optischen Kanal 22 bildet eine Grenzfläche mit der Schaltkammer 61. Auf diese Weise wird der Lichtweg zwischen dem ersten optischen Kanal 21 und dem dritten optischen Kanal 23 durch den Brechungsindex des Fluids in der Schaltkammer gesteuert, genauso wie der Lichtweg zwischen dem zweiten optischen Kanal 22 und dem vierten optischen Kanal 24.
Durch darstellende Beispiele umfassen die optischen Kanäle optische Wellenleiter oder optische Fasern.
Ein thermisch verdampfbares Arbeitsfluid 41, dessen Brechungsindex mit den optischen Kanälen übereinstimmt, ist in dem Fluidreservoir 40, dem Schaltkanal 60, der ersten und zweiten Injektionskammer 71, 72 und den Zuführdurchgangslöchern 75, 76 angeordnet. Eine Lichtmasse umleitende Schaltflüssigkeit 42, die im Wesentlichen unmischbar ist mit dem Arbeitsfluid 41 und deren Brechungsindex nicht mit den optischen Kanälen übereinstimmt, ist in dem Schaltkanal 60 in einer Menge angeordnet, die ausreicht, um nur entweder die Schaltkammer 61 oder die Haltekammer 62 zu füllen. Anders ausgedrückt, die Licht umleitende Schaltflüssigkeit 42 hat einen Brechungsindex, der sich von dem Brechungsindex des indexangepassten Arbeitsfluids 41 unterscheidet. Die Licht umleitende Flüssigkeit 42 kann eine Flüssigkeit umfassen, die Licht umleiten kann, einschließlich eines flüssigen Metalls.
Beim Betrieb werden die Heizwiderstände 31, 32 einzeln mit Energie versorgt, um schnell einen Teil des Arbeitsfluids 41 zu verdampfen, das in der zugeordneten Druckerzeugungskammer 71, 72 angeordnet ist, um eine Antriebsblase zu bilden. Die Antriebsblase bewirkt, dass sich das Ar beitsfluid von der Druckerzeugungskammer, in der die Blase gebildet wurde, in die benachbarte Kammer 61, 62 der Schaltleitung 60 bewegt. Falls die Masse der Licht umleitenden Schaltflüssigkeit 42 in einer solchen benachbarten Kammer ist, wird die Masse der Licht umleitenden Schaltflüssigkeit 42 in die andere Kammer der Schaltleitung gedrückt. Somit kann die Masse der Licht umleitenden Schaltflüssigkeit 42 zwischen der Schaltkammer 61 und der Schaltkammer 62 bewegt werden, und der Zustand des Schalters wird durch die Position der Masse der Licht umleitenden Schaltflüssigkeit 42 in der Schaltleitung definiert.
Effektiv bilden der erste Heizwiderstand 21, seine zugeordnete Druckerzeugungskammer 71 und das Arbeitsfluid in der Druckerzeugungskammer 71 einen ersten Druckpulsgenerator, während der zweite Heizwiderstand 22, seine zugeordnete Druckerzeugungskammer 72 und das Arbeitsfluid in der Druckerzeugungskammer 72 einen zweiten Druckpulsgenerator bilden. Diese Pulsgeneratoren erzeugen thermisch induzierte Druckpulse, die die Masse der Licht umleitenden Schaltflüssigkeit 42 bewegen, um den Zustand des Schalters zu steuern.
Wenn die Masse der Licht umleitenden Flüssigkeit 42 in der Schaltkammer 61 ist, kann der Schalter als in einem ersten Zustand angesehen werden, und Licht, das entweder in dem ersten oder dem zweiten optischen Kanal 21, 22 zu der Schaltkammer 61 verläuft, wird innen reflektiert an der Grenzfläche 25 in den anderen der ersten und zweiten optischen Schalter 21, 22. Wenn die Schaltkammer 61 nur ein Brechungsindex-übereinstimmendes Arbeitsfluid enthält, ist der Schalter in einem zweiten Zustand, wobei Licht, das entweder in dem ersten oder dem dritten optischen Kanal 21, 23 zu der Schaltkammer 61 hin verläuft, durch die Schaltkammer 61 in den anderen optischen Kanal verläuft, und Licht, das entweder in dem zweiten oder vierten 22, 24 optischen Kanal zu der Schaltkammer 61 hin verläuft, durch die Schaltkammer 61 in den anderen optischen Kanal ver läuft. Anders ausgedrückt, bei Abwesenheit der Licht umleitenden Flüssigkeit in der Kammer 61 kommunizieren der ersten und der dritte Kanal 21, 23 frei, und der zweite und vierte Kanal 22, 24 kommunizieren frei. Die Kommunikation zwischen dem ersten und dritten Kanal 21, 23 ist unabhängig von der Kommunikation zwischen dem zweiten und vierten Kanal 22, 24.
Beispielsweise umfasst das Brechungsindex-übereinstimmende Arbeitsfluid Metapyrrole, gemischte Alkohole, Mischungen aus Glycolen und Alkoholen, und Mischungen aus den vorhergehenden und Wasser.
Die Licht umleitende Flüssigkeit umfasst insbesondere jede Flüssigkeit, die unmischbar ist mit dem Arbeitsfluid, eine glatte Grenzfläche aufweist und ausreichend unterschiedlich ist im Brechungsindex, um die notwendige Umleitung von Licht zu bewirken, einschließlich beispielsweise Quecksilber; eine Tieftemperaturmetalllegierung, wie z. B. eine Gallium/Indiummischung; Polysiliziumflüssigkeiten; und halogenierte Kohlenwasserstoffflüssigkeiten. Spezifische Beispiele von halogenierten Kohlenwasserstoffflüssigkeiten umfassen Bromoform, Chloroform und alle der Familie von polyfluorierten Polyethern.
Das Vorhergehende war in der Offenbarung eines zuverlässig und stabilen Thermische-Blase-Optikschalters, der keine langfristige Blasenwartung oder regelmäßige Neueinstellung des Zustands erfordert.
Obwohl das Vorhergehende eine Beschreibung und Darstellung spezifischer Ausführungsbeispiele der Erfindung war, können verschiedene Modifikationen und Änderungen durch Fachleute auf diesem Gebiet durchgeführt werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Ein thermisches optisches Schaltelement, das folgende Merkmale umfasst: eine Schaltleitung (60), die aus einer ersten Kammer (61) und einer zweiten Kammer (62) besteht, die mit der ersten Kammer verbunden ist; eine Mehrzahl von optischen Kanälen (21, 22, 23, 24), die mit der ersten Kammer der Schaltleitung eine Schnittstelle bilden; ein Arbeitsfluid (41), das in der Leitung angeordnet ist und einen Brechungsindex aufweist, der mit den optischen Kanälen übereinstimmt; eine Licht umleitende Flüssigkeit (42), die nicht mischbar ist mit dem Arbeitsfluid und in der Leitung angeordnet ist, wobei die Licht umleitende Flüssigkeit einen anderen Brechungsindex aufweist als das Arbeitsfluid; eine Thermischer-Druck-Generatorstruktur (31, 32, 71, 72), die mit der Schaltleitung fluidisch verbunden ist, um zu bewirken, dass sich die Licht umleitende Flüssigkeit zwischen der ersten Kammer und der zweiten Kammer bewegt, wobei die Thermischer-Druck-Generatorstruktur folgende Merkmale umfasst: einen ersten Thermischer-Druck-Generator (31, 71), der mit der ersten Kammer fluidisch verbunden ist, zum selektiven Verdampfen eines Teils des Arbeitsfluids, um eine Antriebsblase zu bilden, um zu bewirken, dass sich die Licht umlei tende Flüssigkeit von der ersten Kammer zu der zweiten Kammer bewegt; und einen zweiten Thermischer-Druck-Generator (32, 72), der mit der zweiten Kammer fluidisch verbunden ist, zum selektiven Verdampfen eines Teils des Arbeitsfluids, um eine Antriebsblase zu bilden, um zu bewirken, dass sich die Licht umleitende Flüssigkeit von der zweiten Kammer zu der ersten Kammer bewegt; und wobei ein Zustand des thermischen optischen Schaltelements bestimmt wird durch eine Position der Licht umleitenden Flüssigkeit in der Leitung, so dass, wenn die Licht umleitende Flüssigkeit in der ersten Kammer ist, Licht von einem ersten der Mehrzahl von optischen Kanälen zu einem zweiten der Mehrzahl von optischen Kanälen reflektiert wird, und wenn die Licht umleitende Flüssigkeit in der zweiten Kammer ist, Licht von dem ersten optischen Kanal zu einem dritten der Mehrzahl von optischen Kanälen übertragen wird.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 1, bei dem der erste Thermischer-Druck-Generator einen ersten Heizwiderstand und eine erste Druckerzeugungskammer umfasst, und wobei der zweite Thermischer-Druck-Generator einen zweiten Heizwiderstand und eine zweite Druckerzeugungskammer umfasst.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem der erste Heizwiderstand und der zweite Heizwiderstand integrierte Schaltungswiderstände umfassen.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Schaltleitung, die erste Heizkammer und die zweite Heizkammer in einer optischen Wellenleiterplatte (20) gebildet sind.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem das Arbeitsfluid zumindest eines der folgenden umfasst: (a) Meta-Pyrrol, (b) gemischte Alkohole und (c) eine Mischung aus Glykolen und Alkoholen.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 5, bei dem das Arbeitsfluid ferner Wasser umfasst.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Licht umleitende Flüssigkeit Quecksilber umfasst.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Licht umleitende Flüssigkeit eine Tieftemperatur-Flüssigmetalllegierung umfasst.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Licht umleitende Flüssigkeit eine Polysiliziumflüssigkeit umfasst.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Licht umleitende Flüssigkeit eine halogenierte Kohlenwasserstoffflüssigkeit umfasst.
Das thermische optische Schaltelement gemäß Anspruch 2, bei dem die Licht umleitende Flüssigkeit eines der folgenden umfasst: (a) Bromoform, (b) Chloroform und (c) eine Polyfluorpolyetherflüssigkeit.
Ein Verfahren zum Schalten eines Lichtstrahls, das folgende Schritte umfasst: selektives Bilden von Druck erzeugenden Blasen in einem Arbeitsfluid (41) durch selektives Verdampfen eines Teils des Arbeitsfluids (41) mit einem ersten oder zweiten Thermischer-Druck-Generator (31, 32; 71, 72), um eine Masse von Licht umleitender Flüssigkeit (42) zwischen einer ersten Fluidkammer (61) und einer zweiten Fluidkammer (62) zu bewegen; Koppeln eines Lichtstrahls in einem ersten optischen Kanal mit der ersten Fluidkammer; Koppeln einer reflektierten Version des Lichtstrahls mit einem zweiten optischen Kanal, falls die Masse von Licht umleitender Flüssigkeit in der ersten Fluidkammer ist; und Koppeln einer übertragenen Version des Lichtstrahls mit einem dritten optischen Kanal, falls die Masse von Licht umleitender Flüssigkeit in der zweiten Fluidkammer ist.