JP2004318143A - 光スイッチの構造 - Google Patents

Abstract

【課題】光スイッチのための方法および構造を提供すること。
【解決手段】チャネルは固体材料内にハウジングされる。チャネルに接続する接点は、さらに、固体材料に接続する。一方で、複数の圧電素子がチャンバに接続し、さらにスラグに接続する。光導波路は、チャネルに接続する。光導波路は、チャネルに接続する。接点は、複数の液体金属の小塊に接続し、一つまたは複数の液体金属の小塊は、スラグに接続する。一つまたは複数の圧電素子は、作動させられ、スラグとチャネル内で動かす。スラグの動きは、一つまたは複数の光導波路を遮断したり遮断を解除したりするように動作可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は一般に電子デバイスとシステムの分野に関し、より具体的には、光スイッチング技術に関する。

リレーまたはスイッチは光信号を第１の状態から第２の状態に変えるために使用することができる。一般に２つ以上の状態がありうる。小さな幾何形状のスイッチまたは小さな領域内に多数のスイッチを必要とする用途では、マイクロエレクトロニクス製造技術を使用して設置面積が小さなスイッチを作成することができる。半導体スイッチは、産業用機器、通信機器、インクジェットプリンタなどのエレクトロメカニカル装置の制御など種々の用途に使用することができる。

スイッチング用途では、圧電技術を使用してスイッチを作動させることができる。圧電材料はいくつかの独特な特徴を有する。圧電材料は加えられた電圧に応答して拡大または収縮するように作成できる。これは間接圧電効果として知られている。拡大または縮小の量、拡大または縮小から生成される力、連続的な縮小の間の時間は、特定の用途で圧電材料を選択する際に影響を与える重要な材料特性である。圧電材料は直接圧電効果も示す。直接圧電効果では、加えられた力に応答して電場が生成される。圧電材料に接点が正しく結合されていると、この電場を電圧に変えることができる。間接圧電効果はスイッチ素子内の接点を作成または切断するのに有用であり、直接圧電効果は加えられた力に応答してスイッチング信号を生成するのに有用である。
米国特許第６，３２３，４４７号明細書 米国特許第６，３７３，３５６号明細書 米国特許第６，５１２，３２２号明細書 米国特許第６，５１５，４０４号明細書 特開平９−１６１６４０号公報 特開昭３６−１８５７５号公報 特開昭４７−２１６４５号公報 Marvin Glenn Wong, “A Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch”, May 2, 2002, patent application (pending), 12 pages of specification, 5 pages of claims, 1 page of abstract, and 10 sheets of drawings(Fig.1-10) Jonathan Simon, "A Liquid-Filled Microrelay With A Moving Mercury Microdrop" (Sept, 1997) Journal of Microelectromechinical Systems, Vol. 6, No.3 PP 208-216

光スイッチのための構造を提供することを目的とする。

光スイッチの方法と構造を開示する。本発明の構造によれば、複数の光導波路に結合されるチャネルを固体材料の中に配置する。チャネル内接点を固体材料に結合し、チャネルに結合した圧電素子をスラグに結合する。チャネル内の液体金属はスラグに結合し接点に結合する。本発明の方法によれば、圧電素子を作動させ、スラグをチャネル内で移動させる。スラグの動きにより１つまたは複数の光導波路を遮断しまた遮断を解除する。

本発明の新規と考えられる特徴を、付随する請求項の特徴と共に述べる。しかし本発明の構成と動作方法および本発明の目的と利点に関して、本発明を詳細に説明する以下の記述を付随する図面と共に参照することによって、本発明自体を最良に理解することができるであろう。以下の説明は本発明の所定の例としての実施形態を示すものである。

本発明は多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、次に図面を示して１つまたは複数の具体的な実施形態を詳細に説明する。しかし、本開示は本発明の原理を例示するものにすぎず、本発明を図示され説明された特定の実施形態に限定する意図はないことを理解されたい。次の説明では、いくつかの図面の中で同じ部分、または、同様な部分、対応する部分を説明するために同様な参照番号を使用する。

液体金属スイッチは複数の層を使用したものとして表すことができ、この複数の層は液体金属スイッチを製造する間に作成された層を表す。

次に図１を参照すると、本発明の所定の実施形態によるスラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５の側面図１００が示されている。スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５は上のキャップ層１１０、バイア層１２０、圧電層１３０、ウェットパッド基板層１４０、光導波路１５０を備える。本発明の所定の実施形態では、キャップ層１１０はバイア層１２０に結合し、バイア層１２０は圧電層１３０に結合し、圧電層１３０はウェットパッド基板層１４０に結合し、複数の光導波路１５０はバイア層１２０と圧電層１３０のうち１つまたは複数に結合する。ウェットパッド基板層１４０はさらに、複数の回路トレースを備えていてもよいが、図１ではこの複数の回路トレースは示さないことに注意されたい。また、図１に示された層のうち１つまたは複数は、本発明の精神と範囲から離れることなく組み合わせることができる。本発明の所定の実施形態では、キャップ層１１０、バイア層１２０、圧電層１３０、ウェットパッド基板層１４０は、ガラス、セラミック、複合材料、セラミックでコーティングされた材料のうち１つまたは複数で作成することができる。

次に図２を参照すると、本発明の所定の実施形態によるスラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５の端面断面図２００が示されている。端面断面図２００は、圧電素子２１０から加えられた力によってチャネル２３０内のスラグ２２０がどのように動くかを示す。圧電素子２１０は圧電層１３０に結合し、スラグ２２０は圧電素子２１０に結合し、圧電素子２１０は液体金属２２５に結合し複数の接点２１５のうち１つまたは複数に結合する。水銀、またはガリウム合金などの液体金属２２５は摩擦低減用潤滑剤として作用する。複数の接点をウェットパッド基板層１４０に結合する。本発明の所定の実施形態では、スラグ２２０を複数の接点２１５のうち２つに結合する。スラグ２２０は固体または中空であり、金属化合物、セラミック、またはプラスチックなどの濡らすことのできる（湿潤）材料で作成してもよい。液体金属２２５をスラグ２２０と複数の接点２１５に結合する。本発明の所定の実施形態では、スラグ２２０と複数の接点２１５は濡らすことができる。チャネル２３０はさらに、複数の接点２１５、スラグ２２０、圧電素子２１０が占めていないチャネル２３０の部分を満たすように動作可能な不活性ガスを含む。

本発明の所定の実施形態では、チャネル２３０は圧電層１３０内に配置し、チャネル層２３０はさらにバイア層１２０とウェットパッド基板層１４０に結合する。複数の光導波路１５０を、チャネル２３０の長手軸に対して垂直である軸に沿ったチャネル２３０に結合する。圧電素子２１０は、圧電素子の伸張する方向がスラグ２２０の長手軸と並ぶような方向を向いている。複数のバイア２０５はさらにチャネル２３０に結合し、この複数のバイア２０５はバイア層１２０内に配置する。本発明の所定の実施形態では、複数のバイアは対応する複数の圧電素子２１０のすぐ上のバイア層１２０の中で方向づけられている。複数のバイア２０５はさらに上部チャネル２３５に結合する。上部チャネル２３５はチャネル２３０の不活性ガスの圧力を等しくするように動作可能である。本発明の所定の実施形態では、上部チャネル２３５はキャップ層１１０内に配置する。

次に図３を参照すると、本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５の側面断面図３００が示されている。図３の側面断面図３００は、端面断面図２００に対して９０度回転した向きを有する。複数の光導波路１５０はさらに封止剤３１０に結合し、封止剤はさらに圧電層１３０に結合する。本発明の所定の実施形態では、封止剤３１０はＵＶ硬化性エポキシまたはアクリルなどの不活性の機械的に安定したすぐに固定する接着剤を含む。

つぎに図４を参照すると、本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５の圧電基盤層１３０のキャップ層１１０とバイア層１２０を除去した上面図４００が示されている。上面図４００は、複数の光導波路１５０のうち１つの光導波路が複数の接点２１５のうち２つの接点の間を通過するように、複数の光導波路１５０が複数の接点２１５に対して配置されることを示す。図４には２つの光導波路と３つの接点だけしか示していないが、本発明の精神と範囲から離れることなく、スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５内に存在する光導波路と接点はこれより多くても少なくてもよいことを理解されたい。図４には示していないが、当業者であれば、複数の圧電素子２１０を対応する複数の作動側接点に結合し、複数の作動側接点は複数の圧電素子２１０の作動を制御するように動作可能であることが明らかであろう。

図４はさらに上面図４００の側面図４１０を示す。側面図４１０は、封止剤３１０と複数の光導波路１５０がどのように圧電層１３０に結合するかを示す。本発明の所定の実施形態では、封止剤３１０と複数の光導波路１５０は圧電層１３０のＶ字形の溝の中に配置する。

次に図５を参照すると、本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５のウェットパッド基板層１４０の上面図５００が示されている。図５は、複数の接点２１５のウェットパッド基板層１４０に対する結合の可能な配置を示す。複数の接点２１５は四角形として示されているが、本発明の精神と範囲から離れることなく他の幾何形状を使用できることに注意されたい。本発明の所定の実施形態では、複数の接点２１５はウェットパッド基板層１４０に対して等しい間隔で配置される。

次に図６を参照すると、本発明の所定の実施形態によるスラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５の圧電層１３０の上面図６００が示されている。上面図６００は圧電層１３０に対するチャネル２３０と複数の圧電素子２１０の向きを示す。本発明の所定の実施形態では、上面図６００を使用して圧電層１３０を見たときに、チャネル２３０は圧電層１３０の中に中心を有する。図６には上面図６００の断面図６１０も示す。断面図６１０はさらに、圧電層１３０に対するチャネル２３０の配置を示す。

次に図７を参照すると、本発明の所定の実施形態によるスラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５のバイア層１２０の上面図７００が示されている。上面図７００はバイア層１２０の形状に対する、複数のバイア２０５の位置を示す。図７では複数のバイア２０５は円形の断面を有するように表されているが、本発明の精神と範囲から離れることなく、たとえば四角の断面など他のタイプの断面の幾何形状も可能であることに注意されたい。

次に図８を参照すると、本発明の所定の実施形態によるスラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５のキャップ層１１０の上面図８００が示されている。上面図８００はキャップ層１１０に対する上部チャネル２３５の方向を示す。本発明の所定の実施形態では、キャップ層１１０はチャネル２３５の長軸と短軸に沿って、キャップ層１１０の中が中心となっている。

本発明の所定の実施形態では、スラグ２２０に対して複数の圧電素子２１０のうち１つまたは複数が作用することによっておきるスラグ２２０の動きを使用して、液体金属２２５とスラグ２２０を複数の接点２１５のうち第１の２つの接点から、複数の接点２１５のうち第２の２つの接点に駆動し、これによって、複数の光導波路１５０の１つまたは複数の光導波路を遮断し、または遮断を解除し、また、スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５の状態を変える。本発明の所定の実施形態では、スラグ２２０が動いていない間は、スラグ２２０は複数の接点２１５のうち２つの接点に結合する。スラグ２２０は１つまたは複数の光導波路１５０の遮断を補助する。スラグ支援式の長手型の液体金属光スイッチ１０５は複数の接点２１５のうち１つまたは複数の接点を濡らすことと、液体金属２２５を安定した位置で保持する液体金属２２５の表面張力によってラッチする。スラグ２２０は濡らすことができるので、液体金属２２５の表面張力と複数の接点２１５のうち１つまたは複数に対するスラグ２２０の結合により、安定した位置に維持される。本発明の所定の実施形態では、複数の光導波路１５０の信号経路の光学的な透明さを保存するために、複数の光導波路１５０は液体金属２２５で濡らすことのできない面を有する。

複数のバイア２０５は、スラグ２２０と液体金属２２５が第１の２つの接点から第２の２つの接点に移動するときにチャネル２３０内の不活性ガスの圧力の増大が等しくなるような方向を向く。例として再び図２を参照すると、圧電素子が作動するとスラグ２２０は強制的に動かされる。スラグ２２０と液体金属２２５の動きにより図２のチャネル２３０の左側の圧力が増大する。圧力は、複数のバイア２０５と上部チャネル２３５によりチャネル２３０の右側と等しくなる。本発明の所定の実施形態では、スラグ２２０と液体金属２２５は、不活性ガスが上部チャネル２３５を通過しない限り、チャネル２３０の底面、スラグ２２０、液体金属２２５、チャネル２３０の上部の間に空隙が存在せず、実質的な量の不活性ガスがチャネル２３０の左側からチャネル２３０の右側に通過することを防ぐように存在する。

液体金属２２５はチャネル２３０内に含まれ、本発明の所定の実施形態では、複数の接点２１５に結合する。本発明の所定の実施形態では、スラグ２２０はスラグ２２０を複数の接点２１５のうち２つの接点に結合するように動作可能な長さを有する。スラグ２２０は、複数の接点２１５とスラグ２２０の間の表面張力によって、複数の接点２１５のうち２つの接点にラッチされる。液体金属２２５は複数の接点を濡らし、表面張力によってその場に保持されているので、ラッチは安定した構成である。スラグ２２０は濡らすことができ、本発明の所定の実施形態では、液体金属２２５とスラグ２２０は、液体金属２２５だけよりも実質的により容易にチャネル２３０の中で移動することができる。

本発明を特定の実施形態に関して説明したが、当業者であれば上記の説明に照らして多くの代替例、修正例、置き換え例、変形例が明らかであろう。したがって、本発明は、このような代替例、修正例、変形例も付随する請求項の範囲内に包含することを目的とするものである。

本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式の長手型液体金属光スイッチの側面図。 本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式の長手型液体金属光スイッチの端面の断面図。 本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式長手型液体金属光スイッチの側面の断面図。 本発明の所定の実施形態による、キャップ層とバイア層を除去したスラグ支援式長手型液体金属光スイッチの圧電基板層の上面図。 本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式長手型液体金属光スイッチの基板層の上面図。 本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式長手型液体金属光スイッチの圧電層の上面図。 本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式長手型液体金属光スイッチのバイア層の上面図。 本発明の所定の実施形態による、スラグ支援式長手型液体金属光スイッチのキャップ層の上面図。

Claims (10)

1. 光スイッチ用の構造であって、
   固体材料内に配置されたチャネルと、
   前記チャネル内の複数の接点であって、前記固体材料に結合する複数の接点と、
   複数の液体金属の小球であって、前記複数の接点に結合された液体金属の小球と、
   前記複数の液体金属の小球のうち１つまたは複数に結合し、前記複数の接点のうち１つまたは複数に結合するスラグと、
   前記チャネルに結合し、前記スラグに結合するように動作可能な複数の圧電素子と、
   前記チャネルに結合する複数の光導波路であって、前記スラグによって遮断されるかまたは遮断を解除されるように動作可能である複数の光導波路と、
   を備える光スイッチの構造。
2. 前記チャネルはさらに１つまたは複数のバイアに結合し、前記１つまたは複数のバイアは前記チャネルを上側のチャネルに結合するように動作可能である請求項１に記載の光スイッチの構造。
3. 前記１つまたは複数のバイアと前記上側のチャネルは、前記チャネル内の不活性ガスの圧力を等しくするように動作可能である請求項２に記載の光スイッチの構造。
4. 光スイッチの構造であって、
   バイア層であって、１つまたは複数のバイアを備えるバイア層と、
   前記バイア層に結合する圧電層であって、該圧電層は前記１つまたは複数のバイアに結合し、前記チャネルは複数の接点、濡らすことのできるスラグ、複数の圧電素子、複数の液体金属の小球を含み、さらに結合し、
   前記圧電層に結合するウェットパッド基板層であって、複数の接点に結合するウェットパッド基板層と、
   前記圧電層に結合する複数の光導波路と、
   を備える光スイッチの構造。
5. 前記複数の光導波路は前記チャネルに結合し、前記濡らすことのできるスラグの動きによって遮断されたりまたは遮断を解除されたりするように動作可能である請求項４に記載の構造。
6. 前記キャップ層、バイア層、圧電層、およびウェットパッド基板層は、ガラス、セラミック、複合材料、およびセラミックでコーティングされた材料のうち１つまたは複数からなる請求項４に記載の構造。
7. 液体金属スイッチを使用して１つまたは複数の光信号をスイッチングする方法であって、
   １つまたは複数の圧電素子を作動させるステップと、
   前記１つまたは複数の圧電素子を作動させることによりチャネル内に配置されたスラグを動かすステップと、
   前記スラグの動きにより１つまたは複数の光導波路を遮断するかまたは遮断を解除するステップと、
   を有する方法。
8. 前記移動の前に、前記スラグを前記チャネルの１つまたは複数の接点に結合し、前記結合は前記スラグに結合する液体金属と前記１つまたは複数の接点に結合する液体金属の間の表面張力によって促進される請求項７に記載の方法。
9. 前記スラグを前記１つまたは複数の接点に結合することは、前記液体金属と前記接点の間の表面張力によって維持される請求項８に記載の方法。
10. 前記スラグを移動させる前に、前記圧電素子を作動させることにより、前記スラグと、前記チャネルの第１と第２の接点の間の液体金属の接続を切断する請求項７に記載の方法。
    

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