JP3619492B2 - 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

Description

【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 ａｎｇｌｅ）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２１，２２，２３，２４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４１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６１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４１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４１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

Claims (14)

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であって、前記第１のチャンバに結合されて、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、前記第２のチャンバに結合されて、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. 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１に記載の熱光学スイッチング素子。
3. 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。
4. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
5. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
6. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
7. 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６に記載の熱光学スイッチング素子。
8. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
9. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
10. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
11. 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３記載の熱光学スイッチング素子。
12. 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３に記載の熱光学スイッチング素子。
13. （Ａ） 作動流体の中に入れられた一塊のスイッチング液体を互いに異なる２つの方向に移動させる第１及び第２の熱式圧力発生機構を選択的に作動することにより、前記第１及び第２の熱式圧力発生機構の選択的な作動に基づいて、前記作動流体を加熱して前記作動液体内に圧力発生気泡を形成し、これに応じて第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。
14. 前記第１の熱式圧力発生機構は、前記一塊のスイッチング液体を前記第１の流体チャンバに移動させるために前記作動流体の一部を選択的に気化して第１の気泡を形成し、前記第２の熱式圧力発生機構は、前記一塊のスイッチング液体を前記第２の流体チャンバに移動させるために前記作動流体の一部を選択的に気化して第２の気泡を形成することを特徴とする請求項１３に記載の光線スイッチング方法。

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