JP2004318149A

JP2004318149A - 長手方向光学ラッチングリレー

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Publication number: JP2004318149A
Application number: JP2004116949A
Authority: JP
Inventors: Marvin Glenn Wong; マーヴィン　グレン　ウォン; Arthur Fong; フォンアーサー
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2004-04-12
Publication date: 2004-11-11
Also published as: DE10359507A1; GB0407182D0; US6903490B2; GB2400683B; US20040201322A1; TWI291707B; TW200421380A; GB2400683A

Abstract

【課題】可動式固体ミラーや、液体中の気泡を用いず、ラッチ可能な光学リレーを実現する。
【解決手段】光学リレーは光路１０３、１０６の交差部に位置する透明ミラーハウジング１０８を含む。圧電素子の作用により、透明ミラーハウジング１０８を貫通するチャネル中で液体金属塊１１０が紙面垂直方向に移動する。液体金属塊１１０の透明ミラーハウジング１０８内の位置に応じて光路が切り替えられる。液体金属塊１１０が透明ミラーハウジング１０８中にある場合、光路１０３から入射する光信号は液体金属塊１１０の反射面で反射されて光路１０６に導かれ、ない場合においては、光信号は透明ハウジング１０８を通過して光路１０４に導かれる。チャネル中の濡れ性の表面部分１１２が表面張力の作用によって液体金属塊１１０を保持することによりラッチング作用が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明は光学スイッチングリレーの分野に関するものであり、より具体的には液体金属による圧電駆動式の光学リレーアレイに関する。

光信号を用いた通信システムには、光学スイッチ及びルータの使用が不可欠である。初期の光学スイッチング手法は、光信号を電気信号へと変換し、電気スイッチ又はルータを使用した後に再度変換して光信号へと戻すというものであった。より近年においては、光信号のスイッチング又はルーティングを制御する為に電気制御信号を用いた光学リレーが使用されている。光学リレーは通常、可動式固体ミラーを用いることにより、或いは液体中に気泡を発生させることにより光学信号をスイッチングするものである。気泡式スイッチはラッチしないのに対して、可動式ミラーは静電ラッチング機構を使用する場合がある。圧電ラッチングリレーは、ラッチを生じる為に圧電材料中の残留電荷を使用する、或いはラッチング機構を含むスイッチ接触を作動させるものである。

本発明の課題は、可動式固体ミラーや、液体中の気泡を用いず、ラッチ可能な光学リレーを提供することにある。

本発明は、スイッチング機構及びラッチング機構として水銀等の液体金属を用いた光学リレーアレイに関する。より具体的には、本発明は１つ以上のアレイ素子を有する圧電式光学リレーアレイに関する。一アレイ素子は２つの光路の交差部に位置する透明ミラーハウジングを含む。圧電素子の作用により、透明ミラーハウジングを通るチャネル中で液体金属塊が移動する。液体金属塊の表面は反射面を形成している。液体金属塊の透明ミラーハウジングへの入出に応じて２つの光路のいずれかが選択される。液体金属塊が透明ミラーハウジング中にある場合、入射する光信号は液体金属の反射面から反射されることになり、ない場合においては、光信号は透明ハウジングを通過することになる。チャネル中の濡れ性の表面部分がラッチング機構を提供するものである。

本発明の新規性を持つものと考えられる特徴は請求項に具体的に記載した。しかしながら本発明自体はその利用形態及び更なる目的及び利点と共に、特定の実施例を説明する以下の詳細説明を、添付図を参照しつつ読むことにより、より深く理解することが出来る。

本発明は多くの異なる形態に適用することが可能ではあるが、以下においては１つ以上の特定の実施例として図示し、詳細を説明するものである。これは本開示が本発明の原理の一例にしかすぎず、本発明を図示及び説明する特定の実施例に限定するものではないことを前提とするものである。以下の説明においては、複数の図を通じて同一、同様又は対応する部分に同様の符号がつけられている。

本発明は、水銀等の液体金属手段によりラッチする光学リレーに関する。少量の液体金属が表面を濡らした場合、液体金属はその表面張力により、その表面上に保持される傾向を持つ。本発明の光学リレーにおいては、ひとかたまりの液体金属（以下、本明細書中では、ひとかたまりの液体金属を「液体金属塊」と称する）が光路を遮断するように、或いは遮断しないように用いられるものである。表面張力は、液体金属塊の位置を維持する為のラッチング機構として利用される。

圧電材料及び磁歪材料（以下これらを総称して、「圧電」材料と称する）は、電界又は磁界が印加された場合に変形するものである。

光学リレーは、伸長モード（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｍｏｄｅ）の圧電素子の軸方向変位（長手方向の変位）により液体金属塊を転移させ、これにより圧電素子又は基板上の少なくとも１つの接触パッドと、少なくとも１つの他の固定パッドとの間を濡らすことにより光路を遮断するように作動するものである。液体金属塊の配置を変化させる同じ動きにより、固定接触パッドとこれに近い圧電素子又は基板上の接触パッドとの間において、光路の遮断を解除することが出来る。この圧電素子の動きは高速であり、これにより液体金属塊に伝達された勢いが、作動する圧電素子付近の１つ又は複数の接触パッドとの接触を維持しようとする表面張力を克服することになる。スイッチは、表面張力と、接触パッドを濡らす液体金属とによりラッチする。液体金属塊は光路空洞中の濡れ性を持つ金属素子を濡らすことが出来、これにより光信号を異なる方向へと向けることが出来るミラー効果を生じさせるものである。

一実施例においては、スイッチは、小型に作るためにマイクロマシン技術を用いて作成される。本実施例においては、スイッチング時間は短い（比較として、圧電作動方のインクジェットプリントヘッドの噴射周期は数ｋＨｚであり、本発明の流体力学はインクジェットプリントヘッドよりも大幅に単純である）。唯一の発熱要素は、圧電素子及びスイッチの導体を流れる制御及び電流通過だけである為、生じる熱は小さい。マイクロマシン加工による本発明の光学リレーは、複数の層から構成される。

図１は、本発明の一実施例に基づく光学リレー１００の側面図である。図１を見ると、リレーは上部回路層２０２、上部圧電層２０４、上部シールベルト層２０６、上部光学層１０２、中間シールベルト層２１０、下部光学層２１２、下部シールベルト層２１４、下部圧電層２１６及び下部回路層２１８を含んでいる。線３−３の部分については、図３を参照しつつ以下に説明する。図２は、光学リレー１００の上面図である。線４−４の部分については、図４を参照しつつ後に説明する。

図３は、本発明の一実施例に基づく光学リレー１００の光学層を線３−３に沿って切断した場合の断面図である。図３を見ると、層１０２は第一の入力光路、即ち導波路１０３と第一の出力光路、即ち導波路１０４を含んでいる。これらの光路は、この層を貫通して直接光路を形成するように光学的にアライメントされている。第二の出力光路、即ち導波路１０６は上記直接光路と交わっている。作動時においては、（図の左から）光信号が光路１０３へと入り、直接的に（直進して）光路１０４を通じてリレーから出、或いは偏向されて光路１０６を通じてリレーから出る。透明な空洞チューブ１０８が光路１０４及び１０６の交差部に配置されている。透明な空洞チューブ１０８は、透明ミラーハウジングとも呼ばれる。チューブの軸は層１０２に対して実質的に垂直である。三角形以外の断面を持つ他のチューブを使用することも出来るが、チューブの一面は、平坦で、光路１０４及び光路１０６間の角度を二等分する面に対して垂直となる角度でなければならない。図３においては、光路は直角に配置されている為、この面は４５？の角度に配置される。本発明から離れることなく他の角度を採用することも可能である。液体金属塊１１０は透明チューブ１０８を通るチャネル中に配置されており、チャネルの軸に沿って自由に滑動することが可能である。液体金属の表面張力により、液体金属は単一の塊に維持される傾向がある。透明チューブの光学層を通る部分において、透明チューブの角に濡れ性の金属１１２が充填されている。液体金属をチューブの両隅にある濡れ性金属へと引き寄せる表面張力により、液体金属は透明チューブの面（４５°の面）を横切る方向に引っ張られることになる。この結果、液体金属の表面は平坦となり、高い反射性を持つことになる。光路１０３に入る光信号は、液体金属１０８の表面で反射して、光路１０６を通じてリレーから出る。液体金属塊１１０が光信号の光路外に移動した場合、光信号は透明チューブを透過して光路１０４を経てリレーから出ることになる。作動時においては、液体金属塊１１０は透明チューブ内をチャネルの軸に沿って移動する。チャネル中から排気された気体は通気孔１１６を通じてチャネルの一方の端部から他方の端部へと流れることが可能である。オプションとして、第二の入力光路１０７を設けることにより、複数の光学リレーをアレイ状に結合することも出来る。

図４は、図２の線４−４に沿った断面図である。光学リレー１００はマイクロマシン加工により形成することが出来る複数の層から構成されている。上部回路層２０２は導電性バイアと電気相互接続パッド２２２を含んでいる。スペーサー層（上部圧電層）２０４は圧電素子２２０を含んでいる。圧電素子２２０は、透明チューブ（ミラーハウジング）１０８の軸と平行に伸長モードで動くように構成されている。電気駆動信号は導電性バイアと相互接続パッド２２２を通じて圧電素子２２０へと供給される。上部シールベルト層２０６は透明チューブ１０８の上方の端部を支持している。この層中において、透明チューブ１０８の内側は濡れ性金属１１４により覆われている。この濡れ性金属は、シールベルト（接点）を形成するように透明チューブの内側面の全てを覆っていることが望ましい。他の実施例においては、透明チューブはシールベルト層までは延びておらず、濡れ性金属はこの層の基板に塗布される。更に他の実施例においては、濡れ性金属は圧電素子の表面に塗布される。液体金属塊が図４に示したように透明チューブの上部にある場合、液体金属１１０は上部シールベルト層２０６及び下方のシールベルト層（中間シールベルト層）２１０中に設けられたシールベルト間の空間を埋めることになる。すると表面張力が液体金属塊を所定位置に維持することになり、透明チューブ内に延在するチャネル内でこの液体金属塊が移動することが防止される。濡れ性の表面部分と液体金属とにより、リレーにラッチング機構が提供されるのである。通気孔（図３における１１６）はシールベルト層２０６に開けられている。第一の光学層（上部光学層）１０２は光路を含んでおり、この層を透明チューブ１０８が貫通している。中間シールベルト層２１０は透明チューブ１０８の中間部分を支持する。この層においても、透明チューブの内側は濡れ性金属のシールベルト１１４により覆われており、更なるラッチング機構が提供されている。スペーサー層（下部光学層）２１２はオプションとして更なる光路を含むものであっても良い。下部シールベルト層２１４は上部シールベルト層と同様に機能するものである。液体金属塊１１０が透明チューブ１０８の下の端部へと移動した場合、下部シールベルト層は、下部のシールベルト（濡れ性金属）１１４により更に別のラッチング機構を提供する。下部スペーサー層（下部圧電層）２１６及び下部回路層２１８は、それぞれに対応する上部の層２０４及び２０２と同じ機能を持つ。

図５は、光学リレー素子の直交格子を含む光学リレーアレイの光学層を示すものである。図５の実施例においては９個の素子を示したが、他のアレイサイズを採用することも可能である。光学リレーアレイは３つの入力光路１０３及び３つの第一の出力光路１０４を持ち、これらが相俟ってこの層を貫通する３つの直接光路を形成している。更に、これら３つの直接光路に交わる３つの第二の出力光路１０６も設けられている。透明ミラーハウジング１０８は９個の交差部の各々に配置されている。一実施例においては、透明ミラーハウジングは三角形の断面を持っている。液体金属１１２は、透明ミラーハウジング１０８の平坦面の両側２つの隅を満たしている。各ミラーハウジングの近傍には、光学層１０２を貫通して圧力逃がし孔１１６設けられている。入力光路１０３の１つに入る入力光信号は、液体金属塊を入力光路及び出力光路の交差部に配置することにより、第二の出力光路１０６の１つへとルーティングすることが出来る。濡れ接触した金属塊の反射面が光信号を第二の光路に沿って偏向する。逆に液体金属塊が存在しない場合は、入力された光信号は透明ミラーハウジング１０８を通過して対応する第一の出力光路１０４からリレーを出ることになる。

図６は、光学リレーアレイの上部シールベルト層２０６の一実施例を示した概略図である。層は、液体金属塊を通すことが出来る９個の三角形穴４０２のアレイを含む。各穴は濡れ性の金属シールベルト（接点）１１４で内側を覆われている。オプションとして、図４に示されるように透明ミラーハウジングがシールベルト層を貫通するものであっても良く、この場合においては、濡れ性金属が透明ミラーハウジングの内側を覆うことになる。再度図６を参照するが、各穴４０２はチャネル４０４により圧力逃がし孔１１６と連通している。チャネル４０４により、三角形穴と圧力逃がし孔との間で気体の流れが可能となる。中間シールベルト層２１０は同様の構造を持つが、チャネル４０４は含まない。下部シールベルト層２１４もまた同様の構造を持つが、チャネルは層の下面に設けられている。線１０−１０の部分については、後に図１０を参照しつつ説明する。

図７は光学リレーアレイの上部回路層２０２を示す図である。リレーからアレイの圧電素子を制御する電気信号への接続を助ける為に導電体２２２の相互接続パッドがこの層の上部に設けられている。図７における線８−８に沿った断面図を図８に示した。これは、導電体が回路層中のバイアをどのように通って圧電素子２２０へと結合しているかを示すものである。導電体は圧電素子の上面及び底面に結合しており、圧電素子を通じて電位を供給するように作動する。下部回路層２１８も同様の構成を持つ。

光学リレーアレイのスペーサー層の一実施例を図９に示した。スペーサー層２０４は、液体金属塊を通すことが出来る穴７０２のアレイを含んでいる。これらの穴は他の層の対応する穴と位置合わせされており、これによりチャネルが形成される。このチャネルにより、液体金属塊に各層を通過させることによる直接光路の遮断及び遮断解除が可能となる。

光学リレーアレイを斜めに切断した場合の断面図を図１０に示した。図６において切断線１０−１０に示した部分の断面図は、圧力逃がし孔１１６を通じて垂直に切断した場合のものであり、圧力逃がし孔がどのように透明ミラーハウジング１０８の内部に開放されている（連通している）かを示している。光学層１０２中の開口８０２及びこの層の他の対応する開口は、対応する入力光路及び出力光路の交差部にある。開口８０４は、スペーサー層（光学層）２１２中のオプションの下部光路における対応する交差部にある。理解を容易にする為に、図１０においては液体金属塊及び導電体はいずれも図示していない。圧力逃がし孔１１６により、液体金属塊のチューブ中での移動に伴い、気体が空洞チューブ（透明ミラーハウジング）１０８の一端から他方の端部へと通過することが出来るようになっている。圧力逃がし孔１１６は更に、気体が圧力逃がし孔から押し出される際に液体金属塊の動きを抑制させる（ダンパの）作用も提供する。

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、本発明は例として次の態様を含む。（）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］複数の入力光路（１０３）と、
前記複数の入力光路（１０３）に対して光学的にアライメントされることにより複数の直接光路を形成する複数の第一の出力光路（１０４）と、
複数の交差部において前記複数の入力光路に交わる複数の第二の出力光路（１０６）と、
を具備した圧電式光学ラッチングリレーアレイであって、前記複数の交差部の各々において、各アレイを構成する要素が、
透明ミラーハウジング（１０８）と、
前記透明ミラーハウジング（１０８）中に形成されるチャネル内で移動可能に配置され、反射面を有する液体金属塊（１１０）と、
前記液体金属塊（１１０）を前記チャネル中で移動させて前記複数の直接光路のうちの一つの直接光路を遮断することにより、前記複数の入力光路のうちの一つの入力光路から前記複数の第二の出力光路のうちの一つの第二の出力光路へと反射光路を形成させるように作動する第一の圧電アクチュエータ（２２０）と、
前記液体金属塊（１１０）を前記チャネル中で移動させてこれを前記複数の直接光学光路のうちの一つの直接光路から排除するように作動する第二の圧電アクチュエータ（２２４）と、
を備えることを特徴とする圧電式光学ラッチングリレーアレイ。
［２］前記アレイを構成する素子が更に、前記透明ミラーハウジング（１０８）内部の一部に塗布された、液体金属に対して濡れ性を持つ金属コーティング（１１４）を含むことを特徴とする上記［１］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［３］前記透明ミラーハウジング（１０８）が三角形のチューブであり、前記透明ミラーハウジングの二つの隅に塗布された金属コーティング（１１２）をさらに含み、前記金属コーティングにより、前記液体金属塊（１１０）の平坦面上の反射面を形成しやすくしたことを特徴とする上記［１］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［４］前記第一の圧電素子（２２０）が前記液体金属塊（１１０）の第一の端部に対して衝撃力を与えることにより前記液体金属塊を第一の方向へと動かすように作動可能であり、前記第二の圧電素子（２２４）が前記液体金属塊（１１０）の第二の端部に対して衝撃力を与えることにより前記液体金属塊を第二の方向へと動かすように作動可能であることを特徴とする上記［１］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［５］前記アレイを構成する素子が、
前記チャネルの両端部に通じ、これらを接続する通気孔（１１６）を更に具備し、
前記通気孔（１１６）が、前記液体金属塊（１１０）が移動した場合に前記チャネル内の圧力を逃がすように構成されていることを特徴とする上記［１］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［６］前記通気孔（１１６）が、前記液体金属塊（１１０）の動きをダンピングさせるような大きさ及び配置に設けられていることを特徴とする上記［５］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［７］前記各アレイを構成する各素子の前記第一の圧電素子（２２０）を含む上部スペーサー層（２０４）と、
前記複数の入力光路（１０３）、前記複数の第一の出力光路（１０４）及び前記複数の第二の出力光路（１０６）を具備する上部光路層（１０２）と、
中間のスペーサー層（２１２）と、そして
前記各アレイを構成する各素子の前記第二の圧電素子（２２４）を含む下部スペーサー層（２１６）と、
を更に備えることを特徴とする上記［１］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［８］前記上部スペーサー層（２０４）と前記上部光路層（１０２）との間にあり、上部濡れ性金属接点（１１４）を有する上部シールベルト層（２０６）と、
前記上部光路層（１０２）と前記中間スペーサー層（２１２）との間にあり、中間濡れ性金属接点（１１４）を有する中間シールベルト層（２１０）と、
前記中間スペーサー層（２１２）と前記下部スペーサー層（２１６）との間にあり、下部濡れ性金属接点（１１４）を有する下部シールベルト層（２１４）とを更に具備し、
第一の位置においては、前記液体金属塊（１１０）が前記上部及び中間シールベルト層中の前記濡れ性金属接点（１１４）と濡れ接触し、
第二の位置においては、前記液体金属塊（１１０）が前記中間及び下部シールベルト層中の前記濡れ性金属接点（１１４）と濡れ接触する、
ことを特徴とする上記［７］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［９］前記上部スペーサー層（２０４）の上に配置された上部回路層（２０２）と、
前記下部スペーサー層（２１６）の下に配置された下部回路層（２１８）と、
前記上部回路層（２０２）を通過し、第一の相互接続パッド対において末端をなす第一の電気接続対（２２２）と、そして
前記下部回路層（２１８）を通過し、第二の相互接続パッド対において末端をなす第二の電気接続対（２２６）と、
を更に具備したことを特徴とする上記［７］に記載の圧電式光学リレーアレイ。
［１０］第一の圧電素子（２２０）及び第二の圧電素子（２２４）により移動させることが可能な液体金属塊（１１０）を有する圧電式光学リレーにおいて直接光路及び反射光路の選択をする為の方法であって、
入力光信号を前記圧電式光学リレーの入力光導波路（１０３）へと結合することであって、前記入力光導波路が第一の出力光導波路（１０４）と光学的にアライメントされており、これにより直接光路が形成されている、結合することと、
前記直接光路が選択された場合においては、前記第一の圧電素子（２２０）へと電気インパルスを印加することにより前記液体金属塊（１１０）を前記直接光路から外れるように移動させ、これにより前記入力光導波路（１０３）を第一の出力光導波路（１０４）へ光学的に結合するようにすることと、
前記反射光路が選択された場合においては、前記第二の圧電素子（２２４）へと電気インパルスを印加することにより前記液体金属塊（１１０）を前記直接光路中へと移動させ、これにより前記入力光信号が前記液体金属塊（１１０）の表面で反射されて第二の出力光導波路（１０６）へと入り、前記反射光路が完成されるようにすることと、
を有することを特徴とする方法。

本発明の特定の実施例に対応する光学リレーの側面図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーの上面図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーの光学層の断面図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーの断面図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーアレイの光学層の部分図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーアレイのシールベルト層の上面図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーアレイの上部回路層を示す図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーアレイの上部回路層を示す断面図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーアレイのスペーサー層（圧電層）を示す図である。本発明の特定の実施例に対応する光学リレーの他の断面図である。

符号の説明

１０２光学層
１０３第一の入力光路（導波路）
１０４第一の出力光路（導波路）
１０６第二の出力光路（導波路）
１０８透明ミラーハウジング（空洞チューブ）
１１０液体金属塊
１１２透明ミラーハウジングの両隅に塗布された濡れ性金属
１１４透明ミラーハウジング内部の一部分に塗布された金属（接点）
１１６通気孔（圧力逃がし孔）
２０２回路層
２０４スペーサー層（圧電層）
２０６シールベルト層
２１２スペーサー層
２１４シールベルト層
２１６スペーサー層
２１８下部回路層
２２０第一の圧電アクチュエータ
２２２第一の電気接続対
２２４第二の圧電アクチュエータ
２２６第二の電気接続対

Claims

複数の入力光路（１０３）と、
前記複数の入力光路（１０３）に対して光学的にアライメントされることにより複数の直接光路を形成する複数の第一の出力光路（１０４）と、
複数の交差部において前記複数の入力光路に交わる複数の第二の出力光路（１０６）と、
を具備した圧電式光学ラッチングリレーアレイであって、前記複数の交差部の各々において、各アレイを構成する要素が、
透明ミラーハウジング（１０８）と、
前記透明ミラーハウジング（１０８）中に形成されるチャネル内で移動可能に配置され、反射面を有する液体金属塊（１１０）と、
前記液体金属塊（１１０）を前記チャネル中で移動させて前記複数の直接光路のうちの一つの直接光路を遮断することにより、前記複数の入力光路のうちの一つの入力光路から前記複数の第二の出力光路のうちの一つの第二の出力光路へと反射光路を形成させるように作動する第一の圧電アクチュエータ（２２０）と、
前記液体金属塊（１１０）を前記チャネル中で移動させてこれを前記複数の直接光学光路のうちの一つの直接光路から排除するように作動する第二の圧電アクチュエータ（２２４）と、
を備えることを特徴とする圧電式光学ラッチングリレーアレイ。