JP2004318136A - ポリマー光学スイッチ及びポリマー光学スイッチの製造方法。 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリマーを使用してエネルギー効率が改善された液体金属光学スイッチ（ポリマー光学スイッチ）を提供する。
【解決手段】ポリマー光学スイッチはチャネル支持板（１０２）と、内面と外面とを有するスイッチ基板（１２０）と、前記チャネル支持板（１０２）と前記スイッチ基板（１２０）との間に配置されたポリマー層（１０４）と、前記ポリマー層（１０４）中に形成されたスイッチング・チャネル（１０６）と、前記スイッチ基板（１２０）の前記内面上に形成され、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に包含される液体金属スイッチと、前記スイッチング・チャネル（１０６）を通過する第１の光学経路とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は光学スイッチング用の超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関するものであり、より具体的にはポリマーを使用した液体金属光学スイッチ（以下「ポリマー光学スイッチ」とも称する。）に関する。

気体の加熱を利用して気圧変化を作ることにより、チャネル中に閉じ込めた液体金属の液滴間に（光学経路を遮断しないように）ギャップを作り、また、これらの液滴を（光学経路を遮断するように）移動させてコンタクト間を濡らすことによりスイッチを作動させる液体金属スイッチはこれまでにも考案されている。チャネル構造を製造する為に用いられる現在の方法は、サンドブラスト法を使用してチャネルを形成することから、その分解能及び精度に限界があった。加えて、現在、ヒーター抵抗器はセラミック基板上に形成されている為、熱がセラミック基板へと失われ、エネルギー効率が悪いものである。

したがって、本発明の目的は、ポリマーを使用してエネルギー効率が改善された液体金属光学スイッチ（以下「ポリマー光学スイッチ」とも称する。）を提供することである。

本発明は、スイッチング・チャネルがポリマー層中に形成されたポリマー光学スイッチに関する。チャネルの形成は、レーザーアブレーション或いはフォトイメージング等のマイクロマシン技術により形成することが出来る。液体金属スイッチは、スイッチング・チャネル中に含まれている。液体金属スイッチは、液体金属塊を用いてスイッチング・チャネルを通過する光学経路を遮断及び開通することにより作動する。スイッチング・チャネル中のコンタクト・パッドは液体金属に濡れる性質を持っており、スイッチのラッチング機構を提供するものである。ポリマー層は２つの透明スイッチ基板間に設けることが出来る。

新規性を持つと考えられる本発明の特徴は、具体的に請求項に記載した。しかしながら本発明自体は、添付図を参照しつつ特定の実施例を説明する以下の本発明の詳細な説明を読むことにより、その目的及び利点と共に構成及び作動方法を理解することが出来る。

本発明は多くの異なる形態の実施例に適用することが可能であるが、本願においては図に示した１つ以上の特定の実施例に沿って説明する。しかしながら、本開示はあくまでも本発明の原理の一例にしか過ぎず、本発明を図示及び説明する特定の実施例に制約する意図はない。以下の説明においては、同様の符号は複数の図にわたり、同一、同様又は対応する部分を示す為に用いられている。

本発明の一側面は、光学液体金属スイッチにおけるチャネル構造を製作する為の、レーザーアブレーション或いはフォトイメージングといったマイクロマシン加工技術の利用方法である。この方法は、サンドブラスト法によるよりも良好な確度と分解能を提供するものである。一実施例においては、チャネル層はＫａｐｔｏｎ（カプトン）（商標；ポリイミドのシート形態のもの）又は他の好適なポリマーフィルムにレーザーアブレーション法により必要なチャネル造作を形成することで作られる。その後チャネル層は、Ｃｙｔｏｐ（サイトップ；商標）又はカプトンＫＪ（商標；接着特性を持つ熱可塑性ポリイミド）のような好適な接着剤を用いてスイッチ基板へと接着される。カプトンは水蒸気に対する透湿性を持っている。完成した組み立て部品から水蒸気を除去する必要がある場合、組み立て部品を気密封止するか、或いは不浸水性の支持板に重ねてはんだによりスイッチ基板へと封止することにより「自己パッケージング」させることが出来る。この支持板は、例えば金属、ガラス、シリコン或いはセラミックとすることが出来る。上部及び下部支持板をガラス又は石英等の透明材料で作ることにより、これらを通じて光信号の伝送を可能とすることが出来る。

更なる実施例においては、支持板上に好適な液体ポリマー（スピンオン・ポリイミド等）を塗布して硬化させ、その後レーザーアブレーションにより所望のチャネル構造を作ることによりポリマー・チャネル層を製作することが出来る。代わりに、材料がフォトイメージング可能なものである場合、材料を硬化させる前に必要な造作を露光及び現像することによりチャネル構造を作ることが出来る。完成したチャネル層はスピンコート又はスプレイコート法により形成された後にフォトイメージング又はレーザーアブレーションされた接着剤の層を含むものであっても良い。Ｃｙｔｏｐは前者の方法により、カプトンＫＪ（ＫＪ）は後者の方法により処理することが出来る。

また、抵抗器から基板への熱の逸失は出来る限り避けることが望ましい。これは、抵抗器を設ける前に、スイッチ基板の表面にポケットを設け、これらをポリイミド等の低熱伝導性ポリマーで満たすことにより可能となる。抵抗器への駆動信号は、例えばスイッチ基板を貫通するバイア又はスイッチ基板上面又は中を通るトレースにより伝えることが出来る。

更に他の実施例においては、スイッチ基板に低熱伝導率と高温耐性を持つポリイミド等のポリマーを用いることにより抵抗器から基板への熱の逸失を小さくすることが出来る。抵抗器は、所望に応じてポリイミド上へと直接的に、或いは中間層上に設けることが出来る。ヒーター領域の下及び付近のポリイミドを薄くすることにより、ヒーター領域の熱伝導率及び熱容量を小さくすることが出来る。しかしながらこの手法においては、機密性が求められる場合に別個のパッケージを必要とするという欠点がある。

図１は自己パッケージングされた本発明の一実施例に基づくポリマー使用の液体金属光学スイッチ（ポリマー光学スイッチ）の断面図（図４の線１−１に沿った断面図）である。図１に示したスイッチは最終組み立て工程前の、２つの部品として描かれている。上部部品は、ポリマー層１０４を覆う透明チャネル支持板１０２を含んでいる。他の実施例においては、導波路を含む不透明基板を使用することが可能である。透明チャネル支持板１０２は、例えばガラス又は石英から作ることが出来る。ポリマーは、例えば不活性プラスチックで高温耐性を持つポリイミドとすることが出来る。スイッチング・チャネル１０６はポリマー層中に形成される。光ファイバ１０８は光学コネクタ１１０により透明チャネル支持板１０２へと結合される。接着剤の層である接着剤層１１２はポリマー層１０４の下側を覆っている。接着剤は、例えばＣｙｔｏｐ又はＫＪとすることが出来る。接着剤は代わりに下部部品の透明スイッチ基板１２０の上面に塗布しても良い。本実施例においては、接着剤層は約７μｍ厚である。上部はんだリング１１４は透明チャネル支持板１０２の下面外周及びポリマー層１０４の側面に取り付けられる。上部はんだリング１１４は溶融はんだに濡れる性質を持っている。

図１に示したスイッチの下部部品は、透明スイッチ基板１２０を含んでいる。基板は例えばガラス又は石英から作ることが出来る。光ファイバ１２２は光学コネクタ１２４により透明スイッチ基板１２０へと結合している。下部はんだリング１２６は透明スイッチ基板１２０の内面の外周に設けられている。下部はんだリングは溶解はんだ１２８に濡れる性質を持つ。符号１３０に示したような濡れ性コンタクト・パッドもまた、透明スイッチ基板１２０の内面上に形成されており、上下２つの部品が組み立てられた場合にスイッチの上部部品中にあるチャネル１０６と位置が合うことになる。濡れ性コンタクト・パッド１３０は水銀等の液体金属に濡れる性質を持っているが、この液体金属はスイッチ中のラッチング機構を提供する為に用いられるものである。本実施例においては、このコンタクトは約８００ｎｍ厚である。電気コネクタ３０６及び３３０は、駆動信号をヒーターへと供給するものであるが、ヒーターについては図３を参照しつつ後述する。

図２は、組み立てられた上記スイッチの断面図である。接着剤層１１２はポリマー層１０４を透明スイッチ基板１２０へと接着しており、スイッチ中に空洞１０６が作られている。コンタクト・パッド１３０は空洞１０６の一方の側に配置されている。はんだ１２８は表面張力により引っ張られて上部はんだリング１１４と下部はんだリング１２６間のギャップを埋めている。これによりスイッチ内部に高い信頼性を持つ機密封止が提供されることになる。充分なはんだが設けられている限りにおいては、はんだに濡れる性質を持つはんだリングにより、封止が確実に完全なものとなるのである。

図３は本発明によるポリマー光学スイッチの他の断面図（図４の線３−３に沿った断面図）である。上部部品中のポリマー層１０４はヒーター空洞３０２を含んでいる。抵抗器等のヒーター３０４は透明スイッチ基板１２０の内面上に配置されており、このヒーター空洞３０２に整列している。２つの部品が組み立てられた場合、ヒーターはヒーター空洞の内部に配置されることになる。導電体３０６及び３０８はヒーターへの電気接続を提供する。動作中は、ヒーターに電圧が印加され、ヒーター空洞中にある気体が加熱され、気体の圧力及び体積が増大する。随意選択により、光学コネクタ３１２を通じて第２の光ファイバ３１０を透明チャネル支持板１０２に結合することが出来る。対応する光ファイバ３１４は光学コネクタ３１６を通じて透明スイッチ基板１２０へと結合されており、従って光ファイバ３１０及び３１４は光学的に整列される。絶縁層３１８及び３２０は、導電体３０６及び３０８とはんだリング１２６間の電気的絶縁を提供している。これらの層は、例えばスピンオン・ガラス、或いはＳｉＮｘ又はＳｉＯ２のような薄膜パッシベーション層とすることが出来る。これらの層は、はんだリング間のはんだ接合形成を妨げないように充分薄くすることが望ましい。ポリマー層３２２（ポリイミド層等）はヒーター３０４を透明スイッチ基板１２０から分離している。

図４は透明チャネル支持板１０２の下面（内面）を示す図である。上部はんだリング１１４は透明チャネル支持板１０２の内面の外周に設けられている。チャネル４０２はポリマー層１０４中にある。この図においては、接着剤１１２は図示していない。チャネル中にあるのは、ヒーター空洞３０２及び３０４と、スイッチング・チャネル１０６である。スイッチング・チャネル１０６中には、３つのコンタクト・パッド４０６、１１６及び４０８がある。コンタクト・パッドの表面は液体金属に対する濡れ性を持つ。線１−１に沿う上部部品の断面は図１に示す。線３−３に沿う断面を９０度回転させたものが図３に示されている。線５−５に沿う断面を９０度回転させたものが図５に示されている。

図５は、組み立てられたポリマー光学スイッチを図４における線５−５に沿って切断した断面を９０度回転させて示している。図は、スイッチング・チャネル１０６を長手方向に切断したものを示している。スイッチング・チャネル１０６中には上部コンタクト・パッド４０６、１１６及び４０８と下部コンタクト・パッド５０２、１３０及び５０４がある。上部及び下部コンタクト・パッドはそれぞれがコンタクト・リングを形成するように結合させることが出来る。スイッチング・チャネル中に更にあるのは、２つの液体金属塊５０６及び５０８として示した液体金属塊である。液体金属塊は液体金属の表面張力によってコンタクト・パッドと接触して支持されている。濡れる性質のコンタクト・パッド及び液体金属の表面張力により、スイッチのラッチング機構が提供されている。図５に示したように液体金属が分布している場合、光ファイバ１０８及び１２２間の光学経路は液体金属により遮断されているが、一方で光ファイバ３１０及び３１４間の経路は開放されている。ヒーター（図３における３０４）に電圧が印加されると、ヒーター空洞（図３における３０２）中の気圧が上昇する。ヒーター空洞はスイッチング・チャネルと結合している為、図５におけるスイッチング・チャネルの右端における気圧もまた上昇することになる。上昇した気圧は表面張力を上回り、コンタクト・パッド４０８及び５０４間、及びコンタクト・パッド１１６及び１３０間の液体金属結合を壊す。液体金属の一部はスイッチング・チャネルに沿って移動し、液体金属塊５０８へと合体する。このように、光学経路は光ファイバ１０８及び１２２間において開放される一方、光ファイバ３１０及び３１４間の経路は液体金属により遮断される。この結果得られたスイッチの状態を図６に示す。電圧がヒーター空洞４０４（図４）中の対応するヒーターに印加された場合、スイッチの状態は逆転することになる。

図７はスイッチの下部部分の内面（例えば透明スイッチ基板１２０の上面）を示すものである。下部はんだリング１２６は透明スイッチ基板１２０の外周を覆っている。はんだ自体は図示していない。ヒーター３０４は、スイッチが組み立てられた場合にヒーター空洞３０２（図３及び図４に図示）と整列するように基板上に配置されている。ヒーター７０２は、スイッチが組み立てられた場合にヒーター空洞４０４（図４に図示）と整列するように基板上に配置されている。電気接続３０６及び３０８はヒーター３０４から基板端部まで延びており、これにより電圧をヒーター３２２へと印加することが出来るようになっている。電気接続３０８及び３０６はヒーター３０４から基板端部まで延びており、これにより電圧をヒーター３０４へと印加することが出来るようになっている。かわりに、スイッチ基板中のバイアに導電体を通すことも出来る。絶縁層３１８及び３２０ははんだリング１２６からの電気接続を絶縁する。対応する接続及び絶縁層が、第２のヒーター７０２を基板端部まで接続する為に用いられる。コンタクト・パッド５０２、１３０及び５０４は、スイッチング・チャネル中の液体金属に対して濡れる性質の表面を持っている。線１−１に沿う断面は、図１における下部部品として示されている。線３−３に沿う断面は、（９０度回転させて）図３に示されている。線５−５に沿う断面は、（９０度回転させて）図５に示されている。

図８は、透明チャネル支持板１０２の外面（上面）を示す図である。該支持板に取り付けられているのは、光ファイバ３１０及び１０８を該支持板へ結合するための光学コネクタ３１２及び１１０である。

本発明を特定の実施例に沿って説明してきたが、上述の説明に照らして多数の代替、変更、入れ替え及び改変が可能であることは、当業者であれば明らかである。従って、本発明はそのような代替、変更、入れ替え及び改変形態を全て請求項の範囲に入るものとして包含することを意図したものである。なお、本発明の実施態様の一部を下記して本発明の実施の参考に供する。なお、本発明の理解を容易にするために実施例での参照番号を付記した。

（実施態様１）：チャネル支持板（１０２）と、内面と外面とを有するスイッチ基板（１２０）と、前記チャネル支持板（１０２）と前記スイッチ基板（１２０）との間に配置されたポリマー層（１０４）と、前記ポリマー層（１０４）中に形成されたスイッチング・チャネル（１０６）と、前記スイッチ基板（１２０）の前記内面上に形成され、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に包含される液体金属スイッチと、前記スイッチング・チャネル（１０６）を通過する第１の光学経路とを具備するポリマー光学スイッチ。

（実施態様２）：前記チャネル支持板（１０２）及び前記スイッチ基板（１２０）が透明であって、前記チャネル支持板（１０２）の前記外面に結合された第１の光学コネクタ（１１０）と、そして前記スイッチ基板（１２０）の前記外面に結合された第２の光学コネクタ（１２４）を更に具備し、前記第２の光学コネクタ（１２４）が前記第１の光学コネクタ（１１０）と光学的に整列され、前記スイッチング・チャネル（１０６）を通過する前記第１の光学経路が形成されることを特徴とする実施態様１に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様３）：前記チャネル支持板（１０２）と前記スイッチ基板（１２０）との間に気密封止を更に具備し、前記気密封止、前記チャネル支持板（１０２）及び前記スイッチ基板が前記ポリマー層（１０４）を閉じ込めるとともに、前記機密封止が、溶融はんだに濡れかつ前記チャネル支持板（１０２）の内面の外周に設けられて前記ポリマー層（１０４）を取り囲む第１のはんだリング（１１４）と、溶融はんだに濡れ、前記スイッチ基板（１２０）の前記内面の外周に設けられた第２のはんだリング（１２６）と、前記第１、第２のはんだリング（１１４、１２６）を接続するはんだ接合（１２８）とを具備することを特徴とする実施態様１に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様４）：前記液体金属スイッチが、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に配置され、液体金属に濡れる表面を持つ第１の外側コンタクト・パッド（４０６）と、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に配置され、液体金属に対して濡れる表面を持つ第２の外側コンタクト・パッド（４０８）と、前記第１、第２の外側コンタクト・パッド（４０６、４０８）の間で前記スイッチング・チャネル（１０６）中に配置され、液体金属に対して濡れる表面を持つ中間コンタクト・パッド（１１６）と、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に含まれ、前記第１の外側コンタクト・パッド（４０６）と濡れ接触する第１の液体金属塊（５０８）と、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に含まれ、前記第２の外側コンタクト・パッド（４０８）と濡れ接触する第２の液体金属塊（５０６）と、前記スイッチング・チャネル（１０６）中に含まれ、前記中間コンタクト・パッド（１１６）と濡れ接触する第３の液体金属塊とを備え、前記第３の金属塊が第１の液体金属塊（５０８）或いは第２の液体金属塊（５０６）のいずれかと合体し、前記第１の光学経路が前記第１、第３の液体金属塊の間にあって、前記第１、第３の液体金属塊の合体に応じて遮断されることを特徴とする実施態様１に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様５）：前記液体金属スイッチが、前記ポリマー層（１０４）中に形成され、前記スイッチング・チャネル（１０６）に結合する第１のヒーター空洞（４０４）と、前記ポリマー層（１０４）中に形成され、前記スイッチング・チャネル（１０６）に結合する第２のヒーター空洞（３０２）と、前記第１のヒーター空洞（４０４）中に配置され、前記第１のヒーター空洞中の流体を加熱するように構成された第１のヒーター（７０２）と、前記第２のヒーター空洞（３０２）中に配置され、前記第２のヒーター空洞中の流体を加熱するように構成された第２のヒーター（３０４）とを更に具備し、前記第１のヒーター（７０２）の作動により、前記第３の液体金属塊が前記第１の液体金属塊（５０８）へ合体し、前記第２のヒーター（３０４）の作動により、前記第３の液体金属塊が前記第２の液体金属塊（５０６）へ合体することを特徴とする実施態様４に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様６）：前記スイッチ基板（１２０）の前記内面上に形成され、前記第１のヒーター（３０４）に電気的に接続された第１の電気接続（３０６、３０８）と、前記スイッチ基板（１２０）の前記内面上に形成され、前記第２のヒーター（７０２）に電気的に接続された第２の電気接続とを更に具備する実施態様５に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様７）：前記第１のヒーター（３０４）及び前記第２のヒーター（７０２）の少なくとも一方が、低熱伝導率を持つパッド（３２２）により前記スイッチ基板（１２０）から分離されていることを特徴とする実施態様５に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様８）：前記第１、第２の外側コンタクト・パッド（４０６、４０８）及び前記中間コンタクト・パッド（１１６）の少なくとも１つが、前記スイッチング・チャネル（１０６）の側壁に取り付けられたコンタクト・リングを具備することを特徴とする実施態様４に記載のポリマー光学スイッチ。

（実施態様９）：ポリマー光学スイッチの製造方法であって、複数のコンタクト・パッド（４０６、４０８、１１６）をスイッチ基板（１２０）上に形成するステップと、前記スイッチ基板（１２０）上にヒーター（３０４）を形成するステップと、ポリマー層（１０４）中に、スイッチング・チャネル（１０６）及び前記スイッチング・チャネル（１０６）に結合するヒーター空洞（３０２）を有するチャネル構造（４０６）を形成するステップと、前記複数のコンタクト・パッドの少なくとも１つの上に液体金属塊（５０６、５０８）を配置するステップと、前記ヒーター（３０４）が前記ヒーター空洞（３０２）へと入り、前記複数のコンタクト・パッド（４０６、４０８、１１６）が前記スイッチング・チャネル（１０６）へと入るように、前記スイッチ基板（１２０）を前記ポリマー層（１０４）に取り付けるステップとを有するポリマー光学スイッチの製造方法。

（実施態様１０）：前記ポリマー層（１０４）が、チャネル支持板（１０２）上に形成され、更に、溶融はんだに濡れる第１のはんだリング（１１４）を前記チャネル支持板（１０２）の内面の外周に取り付けるステップと、溶融はんだに濡れる第２のはんだリング（１２６）を前記スイッチ基板の内面の外周に取り付けるステップと、前記第１、第２のはんだリング（１１４、１２６）をはんだ付けすることにより前記ポリマー層（１０４）の周囲に封止（１２８）を形成するステップとを更に有する実施態様９に記載のポリマー光学スイッチの製造方法。

本発明の特定の実施例に基づく、ポリマーを使用した自己パッケージ型液体金属光学スイッチの断面図であり、図４、図７の線１−１に沿った断面を含む断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくスイッチの組み立て後の断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくポリマーを使用した液体金属光学スイッチの他の断面図であり、図４、図７の線３−３に沿った断面を含む断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくチャネル支持板の内面の図である。 第１のスイッチ状態にある組み立て後のポリマー使用光学スイッチの断面図であり、図４、図７の線５−５に沿った断面を含む断面図である。 第２のスイッチ状態にある組み立て後のポリマー使用光学スイッチの断面図である。 本発明の特定の実施例に基づくスイッチ基板の内面の図である。 本発明の特定の実施例に基づくチャネル支持板の外面の図である。

符号の説明

１０２ チャネル支持板
１０４ ポリマー層
１０６ スイッチング・チャネル
１１０ 第１の光学コネクタ
１１４ 第１のはんだリング
１１６ 中間コンタクト・パッド
１２ スイッチ基板
１２４ 第２の光学コネクタ
１２６ 第２のはんだリング
１２８ はんだ接合
３０２ 第２のヒーター空洞
３０４ 第２のヒーター
３０６、３０８ 第１の電気接続
３２２ 低熱伝導率パッド
４０４ 第１のヒーター空洞
４０６ 第１の外側コンタクト・パッド
４０８ 第２の外側コンタクト・パッド
５０６ 第２の液体金属塊
５０８ 第１の液体金属塊
７０２ 第１のヒーター

Claims (1)

1. チャネル支持板と、
   内面と外面とを有するスイッチ基板と、
   前記チャネル支持板と前記スイッチ基板との間に配置されたポリマー層と、
   前記ポリマー層中に形成されたスイッチング・チャネルと、
   前記スイッチ基板の前記内面上に形成され、前記スイッチング・チャネル中に包含される液体金属スイッチと、
   前記スイッチング・チャネルを通過する第１の光学経路と
   を具備するポリマー光学スイッチ。

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