JP2002221680A - 熱光学スイッチング素子及び光線スイッチング方法 - Google Patents

熱光学スイッチング素子及び光線スイッチング方法

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JP2002221680A JP2001385561A JP2001385561A JP2002221680A JP 2002221680 A JP2002221680 A JP 2002221680A JP 2001385561 A JP2001385561 A JP 2001385561A JP 2001385561 A JP2001385561 A JP 2001385561A JP 2002221680 A JP2002221680 A JP 2002221680A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性の高い熱光学スイッチング素子及び光
線スイッチング方法を提供する。 【解決手段】 第１及び第２のチャンバ６１，６２で構
成されるスイッチング管路６０と、第１のチャンバ６１
にインタフェースしている複数の光チャネル２１〜２４
と、スイッチング管路６０内に配置され、光チャネルに
整合した屈折率を有する作動流体４１と、作動流体４１
と実質的に混和し得ない物質から成り、スイッチング管
路６０内に配置されかつ作動流体４１とは異なる屈折率
を有する光路変更液体４２と、スイッチング管路６０に
液通状態で接続されて、光路変更液体４２を第１及び第
２のチャンバ６１，６２間において移動させる熱式圧力
発生装置（３１，３２，７１，７２）とをそれぞれ備
え、熱光学スイッチング素子の状態が、スイッチング管
路６０における光路変更液体４２の位置によって決めら
れるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般にマイクロス
イッチに関し、より詳細には、光学的双安定液体マイク
ロスイッチに関する。また、本発明は、特に、熱によっ
て誘導した圧力パルスによって動作する双安定光スイッ
チ素子としての熱光学スイッチング素子及び光線スイッ
チング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】電話及びデータ通信においては、光ファ
イバーが電線に取って代わりつつある。その理由は、光
ファイバーは、提供する帯域幅が非常に高く、無線周波
数のノイズの影響を受けず、電磁波障害をほとんど発生
しないからである。光ファイバーのコストが下がるにつ
れて、光ファイバーの使用は、光信号経路の相互接続の
構成を動的に再設定する切り替えが必要なアプリケーシ
ョンへと拡張している。
【０００３】光スイッチングの既知の方法には、複数の
光導波路のセグメント又はチャネルが交差する間隙にお
いて液体の存在又は不存在を熱によって制御することを
含むものがある。この方法は、例えば熱によって作動す
る複数の流体光スイッチを有する導波路基板と、導波路
基板に隣接して配置されたヒータ基板とを含む光スイッ
チング回路において実施することができる。ヒータ基板
は、例えば駆動気泡を形成して流体を導波路基板の間隙
に出入りさせ、間隙が流体の存在又は不存在の機能とし
て光を透過又は反射することによって、光スイッチを熱
によって選択的に作動させるヒータ抵抗器のアレイを含
んでいる。
【０００４】この既知の方法を考察すると、信頼性を維
持するためには、低レベルの一定のパワー又は気泡の状
態を頻繁にリセットすることがどうしても必要である。
また、「気泡のピンニング（bubble pinning）」（気泡
がつぶれないようにすること）を繰り返すためには、頻
繁に監視して基板温度を能動的に制御する必要がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】現在、信頼性の高い光
スイッチが必要とされている。従って、本発明の目的
は、信頼性の高い熱光学スイッチング素子及び光線スイ
ッチング方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１のチャン
バとこの第１のチャンバに相互接続された第２のチャン
バとで構成されるスイッチング管路と、このスイッチン
グ管路内に配置された作動流体と、この作動流体と混和
し得ない物質から成る、スイッチング管路内に配置され
た光路変更スイッチング液体と、この光路変更スイッチ
ング液体を第１のチャンバと第２のチャンバとの間を移
動するように仕向けるための熱式圧力発生装置と、スイ
ッチング管路の第１のチャンバにインタフェース（接面
もしくは面交差）している複数の光チャネルとをそれぞ
れ含む熱光学スイッチ（熱光学スイッチング素子）に向
けられている。このような構造の熱光学スイッチの場
合、熱光学スイッチの状態は、スイッチング管路におけ
る光路変更スイッチング液体の位置によって決まる。
【０００７】当業者であれば、以下の詳細な説明を図面
と共に読めば、本発明の利点及び特徴を容易に理解しよ
う。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下の詳細な説明及び図面のいく
つかにおいて、同じ要素は同じ参照符号にて識別するこ
ととする。
【０００９】図１は、本発明による、熱圧パルス（熱に
より発生される圧力パルス）によって作動する液体光ス
イッチの主要構成要素の概略断面図である。この光スイ
ッチは、具体例として、クロスチャネルスイッチアレイ
の要素として開示されている。光スイッチは、一般に、
光導波路プレートもしくは光チャネルプレート２０と、
ヒータ基板３０と、ヒータ基板３０と下部カバー５０と
の間にある流体槽４０とを含んでいる。光チャネルプレ
ート２０には、スイッチング管路もしくはチャネル６０
が形成されており、このスイッチングチャネル６０は、
スイッチチャンバ（第１のチャンバ）６１と保持チャン
バ（第２のチャンバ）６２とを含んでいる。スイッチチ
ャンバ６１及び保持チャンバ６２は、流量制限オリフィ
スもしくは液圧緩衝器６３を介して流体的に相互接続さ
れている。
【００１０】光チャネルプレート２０には、スイッチチ
ャンバ６１に隣接して第１の圧力発生チャンバ７１が形
成されている。この第１の圧力発生チャンバ７１は、流
量制限オリフィス７３を介してスイッチチャンバ６１に
液通している。また、光チャネルプレート２０には、第
２のチャンバである保持チャンバ６２に隣接して第２の
圧力発生チャンバ７２が形成されている。この第２の圧
力発生チャンバ７２は、流量制限オリフィス７４を介し
て保持チャンバ６２に液通している。第１の圧力発生チ
ャンバ７１は、さらに、流体槽４０へと延びる流体供給
路７５に液通しており、第２の圧力発生チャンバ７２
は、さらに、流体槽４０へと延びる流体供給貫通穴７６
に液通している。
【００１１】ヒータ基板３０には、第１の圧力発生チャ
ンバ７１に隣接して第１のヒータ抵抗器３１が配置され
ており、ヒータ基板３０には、また、第２の圧力発生チ
ャンバ７２に隣接して第２のヒータ抵抗器３２が配置さ
れている。例として、ヒータ基板３０は、熱インクジェ
ットの薄膜集積回路装置（アクティブ又はパッシブ）を
含んでいる。また、上述の第１及び第２のヒータ抵抗器
３１，３２は、例えば、集積回路抵抗器から成るもので
ある。
【００１２】図２及び図３に示すように、光チャネルプ
レート２０に形成される第１の光チャネル（すなわちセ
グメント）２１及び第２の光チャネル（すなわちセグメ
ント）２２は、互いに同一の平面上にあり、スイッチチ
ャンバ６１に隣接する領域において交差し、さらに、ス
イッチチャンバ６１の壁の一部である表面２５において
スイッチチャンバ６１にインタフェース（接面もしくは
面交差）している。スイッチチャンバ６１が、第１及び
第２の光チャネル２１，２２に整合した屈折率ではない
屈曲率を有する光路変更スイッチング液体（光路変更流
体）４２をその内部に包含している場合には、第１及び
第２の光チャネル２１，２２のうちの一方の光チャネル
の中を伝わる光がスイッチチャネル６１の内部において
反射して第１及び第２の光チャネル２１，２２のうちの
他方の光チャネルに入るように、第１の光チャネル２１
と第２の光チャネル２２との間の角度Ａ、並びに、イン
タフェース表面すなわちスイッチチャンバ６１の壁２５
の角度がそれぞれ選択される。実際には、光路変更スイ
ッチング液体がスイッチチャンバ６１内にある場合に内
部反射を行うインタフェース表面２５において、スイッ
チチャンバ６１が第１の光チャネル２１と第２の光チャ
ネル２２とに対して交差している。内部反射光線の所望
の偏光によって決まるが、角度（挟角；included angl
e）Ａは、図３に概略的に示すように、９０度より大き
くてもよい。
【００１３】光チャネルプレート２０に形成されかつ第
１の光チャネル２１と同一の直線上にあるように形成さ
れた第３の光チャネル２３は、スイッチチャンバ６１に
インタフェースしており、光チャネルプレート２０に形
成されかつ第２の光チャネル２２と同一の直線上にある
ように形成された第４の光チャネル２４は、スイッチチ
ャンバ６１にインタフェースしている。このようにし
て、第１の光チャネル２１と第３の光チャネル２３との
間の光路は、スイッチチャンバ６１内の流体の屈折率に
よって制御され、第２の光チャネル２２と第４の光チャ
ネル２４との間の光路もこれと同様である。
【００１４】例として、各光チャネル２１，２２，２
３，２４は、光導波路もしくは光ファイバーを含んでい
る。
【００１５】流体槽４０、スイッチングチャネル６０、
第１及び第２の注入チャンバ７１，７２、及び流体供給
路７５，７６には、光チャネルに整合した屈折率の熱に
より気化可能な作動流体４１が配置されている。スイッ
チングチャネル６０内には、作動流体４１と実質的に混
和し得ない液体であってかつ光チャネルに整合した屈折
率でない屈折率を有する一塊の光路変更スイッチング液
体４２が、スイッチチャンバ６１又は保持チャンバ６２
の一方のみを満たすのに十分な量だけ配置されている。
言い換えれば、光路変更スイッチング液体４２は、光チ
ャネルに整合した作動流体４１の屈折率とは異なる屈折
率を有している。光路変更スイッチング液体４２は、液
体金属を含む、光の方向を変えることができる液体を含
んでいてもよい。
【００１６】作動中には、ヒータ抵抗器３１，３２は、
個々に通電される。これに伴い、関連する圧力発生チャ
ンバ（７１，７２）内に配置された作動流体４１の一部
が急速に気化されて、駆動気泡（drive bubble）が形成
される。この駆動気泡によって、作動流体４１は、気泡
が形成された圧力発生チャンバから、これに隣接するス
イッチング管路６０のチャンバ（６１，６２）内に移動
する。このような隣接するチャンバ（６１，６２）内に
一塊の光路変更スイッチング液体４２がある場合には、
この一塊の光路変更スイッチング液体４２は、スイッチ
ング管路の他方のチャンバに押し込まれる。従って、一
塊の光路変更スイッチング液体４２は、スイッチチャン
バ６１と保持チャンバ６２との間を移動することがで
き、スイッチの状態は、スイッチング管路６０内におけ
る一塊の光路変更スイッチング液体４２の位置によって
規定される。
【００１７】実際には、第１のヒータ抵抗器３１，それ
に関連する圧力発生チャンバ７１，及び圧力発生チャン
バ７１内の作動流体４１は、第１の圧力パルス発生装置
を構成しており、第２のヒータ抵抗器３２，それに関連
する圧力発生チャンバ７２，及び圧力発生チャンバ７２
内の作動流体は、第２の圧力パルス発生装置を構成して
いる。これらの圧力パルス発生装置は、熱により誘導さ
れた圧力パルスを発生し、このようなパルスによって、
一塊の光路変更スイッチング液体４２が移動して、スイ
ッチの状態を制御する。
【００１８】一塊の光路変更スイッチング液体４２がス
イッチチャンバ６１内にある場合には、スイッチが第１
の状態にあると考えることができ、第１及び第２の光チ
ャネル２１，２２のうちの何れか一方の光チャネルの中
をスイッチチャンバ６１に向かって伝わる光は、インタ
フェース２５において内部反射して、第１及び第２の光
チャネル２１，２２のうちの他方の光チャネルに入る。
スイッチチャンバ６１が、屈折率が整合した作動流体４
１のみを含む場合には、スイッチが第２の状態にあり、
第１及び第３の光チャネル２１，２３のうちの何れか一
方の光チャネルの中をスイッチチャンバ６１に向かって
伝わる光は、スイッチチャンバ６１を通って他方の光チ
ャネルに入り、また、第２及び第４の光チャネル２２，
２４のうちの何れか一方の光チャネルの中をスイッチチ
ャンバ６１に向かって伝わる光は、スイッチチャンバ６
１を通って他方の光チャネルに入る。言い換えれば、チ
ャンバ６１内に光路変更スイッチング液体４２が存在し
なければ、第１のチャネル２１と第３のチャネル２３と
は自由に連絡（通信）し、第２のチャネル２２と第４の
チャネル２４とは自由に連絡する。第１のチャネル２１
と第３のチャネル２３との間の連絡は、第２のチャネル
２２と第４のチャネル２４との間の連絡とは独立したも
のである。
【００１９】例としては、屈折率が整合した作動流体４
１は、メタピロール，混合アルコール，グリコールとア
ルコールとの混合物，及び前記のものと水との混合物か
ら成る。
【００２０】光路変更スイッチング液体４２は、より詳
細には作動流体４１と混和せず、円滑なインタフェース
を有しかつ屈折率が作動流体４１とは十分に異なってい
て、光の方向の必要な変更を行うことができるような液
体であれば、どのような液体であってもよい。この液体
４２としては、例えば、水銀，ガリウム／インジウム混
合物等の低温合金，ポリシリコーンの液体，及びハロゲ
ン化炭化水素の液体が含まれる。ハロゲン化炭化水素の
液体の具体例としては、ブロモホルム，クロロホルム，
及びポリフッ素化ポリエーテル系のいかなる物質も含ま
れる。
【００２１】以上において、気泡についてのメンテナン
スを長期間にわたり行う必要がなく、かつ、状態を定期
的にリセットする必要がないような、信頼性が高く安定
した熱気泡光スイッチを開示した。
【００２２】以上を要約すると、次の通りである。光チ
ャネル２１，２２，２３，２４を介する光の伝送を制御
するための熱光学スイッチング素子は、スイッチング管
路６０を備えており、このスイッチング管路６０内に
は、光チャネルに整合された屈折率を有する作動流体４
１と、作動流体４１とは実質的に混和し得ない物質であ
ってかつ光チャネルに整合された屈折率とは異なる屈折
率を有する或る量の光路変更物体（すなわち光路変更ス
イッチング液体４２）を含んでいる。マイクロヒータ
（ヒータ抵抗器３１，３２）は、２つのスイッチ状態の
間において光路変更物質を移動させるために、作動液体
４１内に圧力パルスを発生する。
【００２３】上記の記載の記載により本発明の具体的な
実施形態を説明しかつ例示したが、特許請求の範囲によ
って規定される本発明の範囲及び精神から逸脱すること
なく、当業者によって、その様々な変形及び変更を行う
ことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱光学スイッチの断面図である。
【図２】図１の熱光学スイッチの具体的な一実施形態を
示す平面図である。
【図３】図１の熱光学スイッチの他の実施形態を示す平
面図である。
【符号の説明】
２０ 光チャネルプレート（光導波路プレート） ２１ 第１の光チャネル ２２ 第２の光チャネル ２３ 第３の光チャネル ２４ 第４の光チャネル ３１ 第１のヒータ抵抗器 ３２ 第２のヒータ抵抗器 ４１ 作動流体 ４２ 光路変更スイッチング液体（光路変更物質） ６０ スイッチング管路 ６１ 第１のチャンバ（スイッチチャンバ） ６２ 第２のチャンバ（保持チャンバ） ７１ 第１の圧力発生チャンバ ７２ 第２の圧力発生チャンバ
フロントページの続き (72)発明者 アルフレッド・パン アメリカ合衆国カリフォルニア州94087, サニーベール，ケンナード・ウェイ 1676 Ｆターム(参考） 2H041 AA15 AB32 AC02 AC07 AZ01 AZ05 AZ08

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】（ａ） 第１のチャンバと、前記第１のチ
    ャンバに相互接続された第２のチャンバとで構成される
    スイッチング管路と、（ｂ） 前記スイッチング管路の
    第１のチャンバにインタフェースしている複数の光チャ
    ネルと、（ｃ） 前記スイッチング管路内に配置され、
    前記光チャネルに整合した屈折率を有する作動流体と、
    （ｄ） 前記作動流体と実質的に混和し得ない物質から
    成り、前記スイッチング管路内に配置されかつ前記作動
    流体とは異なる屈折率を有する光路変更液体と、（ｅ）
    前記スイッチング管路に液通状態で接続されて、前記
    光路変更液体を前記第１のチャンバと前記第２のチャン
    バとの間において移動させる熱式圧力発生装置と、をそ
    れぞれ備え、熱光学スイッチング素子の状態が、前記ス
    イッチング管路における前記光路変更液体の位置によっ
    て決められるようにしたこと、を特徴とする熱光学スイ
    ッチング素子。
  2. 【請求項２】 前記熱式圧力発生装置は、（ｆ） 前記
    第１のチャンバに液通状態で接続されて、前記光路変更
    液体を前記第１のチャンバから前記第２のチャンバに移
    動させるように仕向ける第１の熱式圧力発生機構と、
    （ｇ） 前記第２のチャンバに液通状態で接続されて、
    前記光路変更液体を前記第２のチャンバから前記第１の
    チャンバに移動させるように仕向ける第２の熱式圧力発
    生機構と、をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１に
    記載の熱光学スイッチング素子。
  3. 【請求項３】 前記第１の熱式圧力発生機構は、前記作
    動流体の一部を選択的に気化して駆動気泡を形成すると
    共に、前記第２の熱式圧力発生機構は、前記作動流体の
    一部を選択的に気化して駆動気泡を形成することを特徴
    とする請求項２に記載の熱光学スイッチング素子。
  4. 【請求項４】 前記第１の熱式圧力発生機構は、第１の
    ヒータ抵抗器及び第１の圧力発生チャンバを含むと共
    に、前記第２の熱式圧力発生機構は、第２のヒータ抵抗
    器及び第２の圧力発生チャンバを含むことを特徴とする
    請求項１に記載の熱光学スイッチング素子。
  5. 【請求項５】 前記第１のヒータ抵抗器及び前記第２の
    ヒータ抵抗器は、集積回路抵抗器から成ることを特徴と
    する請求項４に記載の熱光学スイッチング素子。
  6. 【請求項６】 前記スイッチング管路，前記第１の熱式
    圧力発生機構，及び前記第２の熱式圧力発生機構は、光
    導波路プレート内に形成されていることを特徴とする請
    求項４に記載の熱光学スイッチング素子。
  7. 【請求項７】 前記作動流体は、（ａ）メタピロール、
    （ｂ）混合アルコール、及び（ｃ）グリコールとアルコ
    ールとの混合物、のうちの少なくとも１つを含むことを
    特徴とする請求項４に記載の熱光学スイッチング素子。
  8. 【請求項８】 前記作動流体は、さらに水を含むことを
    特徴とする請求項７に記載の熱光学スイッチング素子。
  9. 【請求項９】 前記光路変更液体は、水銀を含むことを
    特徴とする請求項４に記載の熱光学スイッチング素子。
  10. 【請求項１０】 前記光路変更液体は、低温液体合金を
    含むことを特徴とする請求項４に記載の熱光学スイッチ
    ング素子。
  11. 【請求項１１】 前記光路変更液体は、ポリシリコーン
    の液体を含むことを特徴とする請求項４に記載の熱光学
    スイッチング素子。
  12. 【請求項１２】 前記光路変更液体は、ハロゲン化炭化
    水素の液体を含むことを特徴とする請求項４記載の熱光
    学スイッチング素子。
  13. 【請求項１３】 前記光路変更液体は、（ａ）ブロモホ
    ルム、（ｂ）クロロホルム、及び（ｃ）ポリフッ素化ポ
    リエーテルの液体、のうちの１つを含むことを特徴とす
    る請求項４に記載の熱光学スイッチング素子。
  14. 【請求項１４】（Ａ） 作動流体内に圧力発生気泡を選
    択的に形成して、第１の流体チャンバと第２の流体チャ
    ンバとの間において一塊のスイッチング液体を移動する
    ステップと、（Ｂ） 第１の光チャネル内の光線を前記
    第１の流体チャンバに結合するステップと、（Ｃ） 前
    記一塊のスイッチング液体が前記第１の流体チャンバ内
    にある場合には、前記光線の反射したものを、第２の光
    チャネルに結合するステップと、（Ｄ） 前記一塊のス
    イッチング液体が前記第２の流体チャンバ内にある場合
    には、前記光線の透過したものを、第３の光チャネルに
    結合するステップとをそれぞれ含むことを特徴とする光
    線スイッチング方法。
  15. 【請求項１５】 前記圧力発生気泡を選択的に形成する
    ステップは、前記作動流体を選択的に加熱して圧力発生
    気泡を形成するステップを含むことを特徴とする請求項
    １４に記載の光線スイッチング方法。
JP2001385561A 2001-01-05 2001-12-19 熱光学スイッチング素子及び光線スイッチング方法 Expired - Fee Related JP3619492B2 (ja)

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