JP4653895B2 - 一定の全電力を利用する熱起動光学スイッチに温度制御を施すためのシステム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、光学スイッチに関するものであり、とりわけ、熱起動光学スイッチに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ・テクノロジにおける絶え間のない革新は、遠隔通信及びデータ通信ネットワークにおける光ファイバの使用を増大させることになった。光ファイバの利用が増すにつれて、光学スイッチのような、これらの光ファイバを介したデータ伝送に役立つ、効率のよい周辺装置が必要になる。光学スイッチは、光ファイバを２以上の代わる光ファイバの１つに選択的に結合して、結合された２つの光ファイバが互いに通じるようにする働きをする。
【０００３】
光学スイッチによって実施される光ファイバの結合は、さまざまな技法によって実施可能である。問題となる技法の１つでは、マイクロミラーを利用して、入力光ファイバからの光信号を選択された出力光ファイバに選択的に経路指定する。マイクロミラー技法の最も単純な実施例では、入力光ファイバと２つの出力光ファイバの一方とのアライメントがとられて、マイクロミラーが、これら２つのアライメントのとれた光ファイバ間の光路内に位置しない場合には、これらアライメントのとれた２つの光ファイバが通信状態になる。しかし、マイクロミラーが、これら２つのアライメントのとれた光ファイバ間に位置する場合には、マイクロミラーによって、入力光ファイバからの光信号がもう一方の出力光ファイバに向けられる、すなわち、反射される。２つのアライメントのとれた光ファイバ間の光路内及び光路外へのマイクロミラーの位置決めは、マイクロミラーを所望の位置に機械的に変位させるマイクロ機械加工を施されたアクチュエータを利用して実施することが可能である。
【０００４】
問題となるもう１つの技法では、マイクロミラーの代わりに、熱で生じた気泡を利用して、入力ファイバからの光信号をターゲット出力光ファイバに選択的に経路指定する。この技法は、本発明の譲受人に譲渡されたＦｏｕｑｕｅｔ他に対する米国特許第５，６９９，４６２号に記載のある熱起動光学スイッチによって実施されている。図１及び２には、従来の熱起動光学スイッチ１０の概略が示されている。図１に示すように、光学スイッチには、導波路チップ１２、ヒータ・チップ１４、及び、金属基板１６が含まれている。導波路チップには、光信号を伝送するための媒体の働きをする、図２に示す平面導波路１８が含まれている。これらの導波路は、光路のマトリックスを形成している。光路２０、２２、２４、及び、２６は、光信号の横方向伝搬を促進し、光路２８、３０、３２、及び、３４は、光信号の縦方向伝搬を促進する。導波路チップには、光路の交差点に配置されたいくつかのトレンチ３６も含まれている。各トレンチは、光路２０から２６の１つからの入射光信号が、全内反射（ＴＩＲ）の臨界角を超える入射角でトレンチに入射するように配置されている。あるトレンチに、導波路の屈折率にほぼ整合する屈折率を備えた液体が充填されると、そのトレンチを横切って延びる横方向光路に沿って伝搬する光信号は、そのトレンチを透過する。一方、トレンチ内に気泡が形成されると、光信号は、トレンチの壁によって反射され、横方向光路から、トレンチの位置において横方向光路と交差する縦方向光路に送られる。
【０００５】
光学スイッチ１０のヒータ・チップ１４には、抵抗器のような加熱素子３８、、及び、トランジスタのような、個々の抵抗器にアドレス指定するための他の電気素子が含まれている。簡略化のため、図２には抵抗器だけしか示されていない。ヒータ・チップと導波路チップ１２は、ヒータ・チップの各抵抗器が、２つの光路が交差する導波路チップのトレンチ３６の下方に位置するようにアライメントがとられている。抵抗器によって、トレンチ内に気泡を生じさせる熱エネルギが得られる。従って、抵抗器を選択的に起動することによって、当初、横方向光路２０から２６を伝搬していた任意の光信号に経路変更を施して、縦方向光路２８から３４に送り込むことが可能になる。ヒータ・チップは、図１に示すように、光学スイッチの金属基板１６に取り付けられている。金属基板には、屈折率整合液体を貯えるリザーバ４０が含まれている。リザーバは、ヒータ・チップを通って延びる通路（不図示）によって導波路チップのトレンチに接続されている。
【０００６】
熱起動光学スイッチ１０の最適な一貫した性能が得られるようにするためには、ヒータ・チップ１４をほぼ一定した均一な温度に維持する必要がある。光信号を反射するために気泡を生じさせる、光路が交差する箇所すなわち交差点の温度が大きく変動すると、気泡の挙動に関する摂動だけでなく、光学損失及びクロストークも増大することになる。環境の変化は別にして、Ｎ×Ｍ（ここで、Ｎはかなり多い）の熱起動光学スイッチの正確で、精密な温度制御は、Ｎ個の抵抗器を同時に起動させることがあり得るので、困難である。従って、ヒータ・チップの全熱負荷は、各交差点において必要とされる電力のＮ倍も変化する可能性がある。
【０００７】
図１に示す能動温度制御装置４２を利用して、光学スイッチ１０内における温度揺動の制御を試みることが可能である。しかし、実装上の理由から、温度制御装置は、急激な熱負荷の変化が生じるヒータ・チップ１４からかなりの距離をあけて配置される。図１に示すように、温度制御装置は、光学スイッチの下方に配置される。従って、温度制御装置及びヒータ・チップは、金属基板１６によって離隔されている。これは、（ｉ）ヒータ・チップと温度制御装置との間に熱勾配が生じるということ、及び、（ｉｉ）スイッチの局部的温度変化が、発熱抵抗器と能動温度制御装置との間の熱伝導によって制限される時間に従うということを表している。温度揺動の振幅は、各抵抗器に必要な電力と、発熱抵抗器と温度制御装置との間における経路の熱抵抗によって決まる。従って、熱経路に沿った材料の熱拡散率が低い場合、温度制御装置の応答時間が遅くなる。結果として、抵抗器の電力要件を緩和すること、及び、発熱領域と熱除去領域との間における熱伝達を最大にする実装解決法を工夫することが、オン・チップ温度制御にとって有効になる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上のアプローチによって、熱起動光学スイッチのオン・チップ温度制御は改善されるが、温度制御をさらに改善することが所望される。従って、本発明の目的は、熱起動光学スイッチング素子及びスイッチング素子の温度制御を改善するための方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
光学スイッチング素子及びスイッチング素子に温度制御を施すための方法では、補償熱エネルギを利用して、一貫した動作温度を維持する。光学スイッチング素子は、素子内の光路に沿って効果的に生じさせられ、あるいは、操作される気泡を利用して、光信号の経路指定を行う熱起動光学スイッチとすることが可能である。気泡は、加熱素子（以下、スイッチング加熱素子）よって発生する熱エネルギによって形成される。補償熱エネルギは、少なくとも１つの補償加熱素子、または、光学スイッチング、すなわち、気泡形成に現在利用されていない少なくとも１つのスイッチング加熱素子によって発生することが可能である。補償熱エネルギは、加熱素子によって発生する全熱エネルギが一定になるように変化させられるので、結果として、一貫した動作温度が得られることになる。
【００１０】
光学スイッチング素子には、導波路チップ、ヒータ・チップ、金属基板、及び、制御装置が含まれている。導波路チップには、交差光路を形成するいくつかの導波路が含まれている。例えば、光学スイッチング素子は、Ｎ本の入力光路がＭ本の出力光路と交差するＮ×Ｍ個の光学スイッチング素子とすることが可能である。導波路チップには、気泡が形成されるトレンチも含まれている。各トレンチは、光路の交差点に配置されているので、トレンチ内に気泡が存在する場合、入力光路に沿った光信号は、交差点で出力光路に反射される。導波路チップは、シリカから構成することが可能である。ヒータ・チップには、例えば、抵抗器（以下、スイッチング抵抗器）のような幾つかのスイッチング加熱素子が含まれており、また、例えば、抵抗器（以下、補償抵抗器）のような１以上の補償加熱素子を含むことが可能である。これらのスイッチング抵抗器及び補償抵抗器は、制御装置によって制御される。制御装置には、これらの抵抗器に電力を選択的に供給する回路要素が含まれている。ヒータ・チップには、ヒータ・チップを通って延びる流体注入ホールも含まれている。これらの流体注入ホールによって、屈折率整合液体は、金属基板のリザーバからトレンチに供給される。
【００１１】
第１の実施態様の場合、ヒータ・チップには、Ｎ×Ｍ個のスイッチング抵抗器が含まれている。ヒータ・チップには、補償抵抗器の働きをするＮ個の追加抵抗器も含まれている。補償抵抗器は、熱発生源を拡散させ、局部温度勾配の確率を低下させるため、ヒータ・チップ全体に分散される。この実施態様の場合、制御装置は、スイッチング素子の光学スイッチング構成に関係なく、Ｎ個のスイッチング抵抗器および補償抵抗器の少なくとも一方を一貫して起動するように構成されている。補償抵抗器は、加熱素子によって発生する全熱エネルギが、さまざまなスイッチング構成に対して一定のままであるように、可変補償熱エネルギを発生する。
【００１２】
動作時、Ｘ個のスイッチング抵抗器は、制御装置によって選択的に起動させられ、現在の光学スイッチング構成に合わせて、反射が必要とされるトレンチ内に気泡が形成される。ここで、Ｘは、零以上Ｎ以下である。ＸがＮに等しい場合、起動させられたスイッチング抵抗器によって発生する熱エネルギは、所望の全熱エネルギである。この場合、補償抵抗器を起動する必要がない。しかし、ＸがＮ未満の場合、起動させられた抵抗器によって発生する熱エネルギは、所望の熱エネルギを下回ることになる。この場合、制御装置は、各補償抵抗器毎に、各スイッチング抵抗器に供給されるのと同じ電力を利用して、Ｎ−Ｘ個の補償抵抗器を起動する。すなわち、起動しているスイッチング抵抗器がない、スイッチング抵抗器の各列毎に、代わりに、補償抵抗器が起動させられる。Ｎ個の抵抗器が、任意のスイッチング構成に合わせて起動させられるので、加熱素子によって発生する全熱エネルギが一定になる。従って、スイッチング素子の動作温度は、より正確かつ容易に制御される。スイッチング抵抗器および補償抵抗器に供給される全電力が、各光学スイッチング構成について同じになる。
【００１３】
第２の実施態様の場合、ヒータ・チップには、やはり、Ｎ×Ｍ個のスイッチング抵抗器が含まれているが、補償抵抗器は含まれていない。この実施態様の場合、補償エネルギが、光学スイッチングのために起動させられているスイッチング抵抗器がない各列に沿ったスイッチング抵抗器によって発生する。これらの各列毎に、スイッチング条件を満たすのに必要とされる電力が、その列に沿った各抵抗器に分配される。従って、これらの列の１つにおける抵抗器によって発生する累積熱エネルギは、起動させられた単一抵抗器によって発生する熱エネルギに等しくなる。同時に、Ｎが十分に多ければ、各抵抗器毎に発生する電力は、少なく、気泡を熱的に活性化するしきい値未満になる。従って、加熱素子によって発生する全熱エネルギが、一貫した動作温度に等しい、さまざまなスイッチング構成に対する一定の値に維持される。やはり、スイッチング抵抗器に供給される全電力は、各光学スイッチング構成に関して同じままである。
【００１４】
第３の実施態様の場合、ヒータ・チップには、Ｎ×Ｍ個のスイッチング抵抗器と、単一の大形補償抵抗器が含まれている。この実施態様の場合、制御装置は、補償抵抗器に可変電力を供給して、補償熱エネルギを発生させるように構成されている。補償抵抗器に供給される電力量は、起動させられるスイッチング抵抗器によって生じる熱エネルギを決定する、すなわち、現在の光学スイッチング構成に合わせて起動させられるスイッチング抵抗器の数によって決まる。従って、加熱素子によって生じる全熱エネルギは、さまざまなスイッチング構成に対して一定のままであり、このため、一貫した動作温度が得られることになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に示す光学スイッチのような熱起動光学スイッチ内における短期の温度揺動は、主として、光信号の選択的経路指定のために気泡を形成する加熱素子の起動及び停止に起因するものであり、この場合、起動させられる加熱素子の数は、動作中、大幅に変動する可能性がある。Ｎ×Ｍの光学スイッチの場合、任意の瞬間に起動させることが可能な加熱素子の数は、スイッチの現在の光結合構成によって決まる、零以上Ｎ以下とすることが可能である。スイッチの入力光路に対応する加熱素子の各列毎に、１つの加熱素子だけしか起動させる必要がないので、Ｎは、任意の瞬間に起動させられる加熱素子の一般的な最大数である。任意の瞬間に起動させられる加熱素子によって光学スイッチ内に発生する全熱エネルギ量は、起動させられる加熱素子の数に、各加熱素子が気泡の形成に必要とする電力を掛けた値によって決まる。
【００１６】
本発明の基本概念は、一定の熱出力すなわち固定電力で熱起動光学スイッチを操作して、熱起動光学スイッチをほぼ一貫した動作温度に維持できるようにすることにある。Ｎ×Ｍのスイッチの場合、この固定電力は、加熱素子の起動に必要な電力のＮ倍になる。スイッチの光結合構成の大部分は、Ｎ個より少ない加熱素子の起動を必要とするので、これらの加熱素子によって利用される電力量は、固定電力より少なくなる。従って、起動させられた加熱素子によって発生する熱エネルギは、所望の温度より低い、光学チップの動作温度を生じることになる。しかし、所望の動作温度は、残りの電力、すなわち、固定電力から起動させられた加熱素子が利用する電力を引いた電力を、起動させられていない加熱素子、および、補償熱エネルギを発生するための他の発熱素子、の少なくとも一方に分配することによって得ることが可能である。次に、補償熱エネルギによって、スイッチの温度が所望の動作温度まで上昇する。こうして、光学スイッチを一貫した動作温度に維持することが可能になる。以下では、補償熱エネルギを発生して、一貫した動作温度を維持するというこの概念を利用した、本発明の３つの実施態様について述べることにする。
【００１７】
図３及び４を参照すると、本発明の第１の実施態様による熱起動光学スイッチ４６が示されている。光学スイッチには、導波路基板の一例である導波路チップ４８、ヒータ基板の一例であるヒータ・チップ５０、及び、金属基板５２が含まれている。導波路チップは、シリカから造られるのが望ましい。導波路チップには、図４に例示のように、交差光路５８、６０、６２、６４、６６、６８、７０、及び、７２を形成する、１６の平面導波路５４と２４の中間導波路５６が含まれている。光学スイッチは、４×４のスイッチとして示されているが、光学スイッチは、Ｎ×Ｍのスイッチとして構成することが可能である（ここで、Ｎ及びＭは整数である）。光学スイッチは、それぞれ、４つの光ファイバを含む、４つの組７４、７６、７８、及び、８０をなす光ファイバに取り付けられている。一般に、最も問題となる光学スイッチの働きは、光ファイバ７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ、及び、７６Ｄと光ファイバ７８Ａ、７８Ｂ、７８Ｃ、及び、７８Ｄの光結合を決定する働きである。残りの光ファイバは、ＡＤＤ／ＤＲＯＰ操作に利用することもできるし、あるいは、他のスイッチに接続して、より大規模なスイッチング・マトリックスを形成するために利用することも可能である。導波路チップには、屈折率整合液体を充填することができ、光路の各交差点における気泡の形成を可能にするトレンチ８２も含まれている。図１に関連して前述のように、導波路の光結合は、導波路交差点における屈折率整合液体または気泡の存在によって決まる。
【００１８】
光学スイッチ４６のヒータ・チップ５０には、シリコンから造ることが可能な基板上に形成された１６のスイッチング加熱素子８４と、４つの補償加熱素子８６が含まれている。両タイプの加熱素子とも、既定電圧または電流によって起動させられると、それぞれ同じ量の熱エネルギを発生するように設計された抵抗器である。スイッチング抵抗器は、導波路チップ４８のトレンチ８２内に気泡を形成するために利用され、一方、補償抵抗器は、可変補償熱エネルギを発生して、一貫した動作温度を維持するために利用される。以下では、補償抵抗器が温度制御に利用される方法について述べることにする。図４に例示のように、光路交差点においてトレンチに気泡を形成することができるように、各スイッチング加熱素子８４と光路交差点のアライメントがとられる。補償抵抗器８６は、ヒータ・チップ全体のさまざまな位置に配置される。補償抵抗器の正確な位置は、本発明にとって重要ではなく、均一な熱分散を促進することが望ましい。図４には、補償抵抗器が、ヒータ・チップ５０上において可能性のある補償抵抗器の分布の１つを例示するために示されている。ヒータ・チップには、さらに、電気を配する導体（不図示）と、スイッチング抵抗器及び補償抵抗器の選択的起動を可能にする、トランジスタのような他の電気コンポーネントが含まれている。ヒータ・チップには、ヒータ・チップを貫通するいくつかの流体供給ホール８８も含まれている。これらの流体供給ホールによって、屈折率整合液体が、金属基板５２に配置された屈折率整合液体のリザーバ９０から導波路チップのトレンチに供給される。
【００１９】
スイッチング抵抗器８４及び補償抵抗器８６を含むヒータ・チップ５０の電気コンポーネントは、制御回路要素の一例である制御装置９２に接続されている。制御装置には、ヒータ・チップの電気コンポーネントを駆動する回路要素が含まれている。制御装置は、電気リードによってヒータ・チップに接続された外部装置とすることが可能である。一方、制御装置は、ヒータ・チップ上に部分的または完全に製作することも可能である。制御装置は、１つ以上のスイッチング抵抗器８４を選択的に起動して、光学スイッチ４６が特定のスイッチング構成をなすようにする働きをする。さらに、制御装置は、起動させられるスイッチング抵抗器の数に従って、１つ以上の補償抵抗器８６を選択的に起動する。
【００２０】
光学スイッチ４６の金属基板５２には、屈折率整合液体のリザーバ９０が含まれている。金属基板は、能動温度制御装置４２によって、光学スイッチの温度を調整できるように、熱拡散率の高い材料から造られるのが望ましい。温度制御装置は、半導体熱電変換器とすることが可能である。温度制御装置は、光学スイッチに熱的に結合されている。
【００２１】
動作時、Ｘ個のスイッチング抵抗器８４が制御装置９２によって起動させられ、光学スイッチの現在のスイッチング構成に従って、選択されたトレンチ内に気泡が形成される。スイッチング抵抗器の起動には、既定量の電力Ｐを供給して、スイッチング抵抗器とアライメントのとれたトレンチ内に気泡を発生することが伴う。図３及び４の光学スイッチ４６の場合、光学スイッチによって、４つの入力光ファイバ７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ、及び、７６Ｄから出力光ファイバ７８Ａ、７８Ｂ、７８Ｃ、及び、７８Ｄに、光信号を選択的に経路指定することができるので、Ｘは、零以上４以下の整数である。ＸがＮに等しい場合、補償抵抗器８６は起動させられない。しかし、ＸがＮ未満の場合には、制御装置９２によって、Ｎ−Ｘ個の補償抵抗器も起動させられる。従って、起動させられるスイッチング抵抗器及び補償抵抗器の数は、スイッチ４６のスイッチング構成に関係なく、Ｎ個である。スイッチング構成に依り、起動させられるスイッチング抵抗器の数及び補償抵抗器の数は、それぞれ、変化する可能性があるが、スイッチング抵抗器および補償抵抗器の起動させられる抵抗器の総数は、同じままである。起動させられる抵抗器の総数が、さまざまな構成に対して同じであるので、起動させられる抵抗器によって発生する全熱エネルギが、可能性のある全てのスイッチング構成についてほぼ同じである。結果として、スイッチングおよび補償抵抗器に供給される全電力は一定である。従って、光学スイッチの動作温度は、一貫した温度に維持することが可能である。
【００２２】
１つ以上の補償抵抗器８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃ、及び、８６Ｄを起動して、補償熱エネルギを発生させる場合、選択される補償抵抗器は、透過モードにある光路に近接したものにすべきである。すなわち、補償抵抗器は、起動させられているスイッチング抵抗器８４がない、１つ以上の入力光路５８、６０、６２、及び、６４の近くで起動させられるので、光信号は、気泡によって反射されることなく、光ファイバ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃ、及び、８０Ｄに透過される。対照的に、入力光路５８、６０、６２、及び、６４が反射モードにある場合、その光路に沿ったスイッチング抵抗器の１つが起動させられて、気泡を形成し、その入力光路の光信号を出力光路６６、６８、７０、及び、７２の１つに反射する。一例を挙げると、光路５８が透過モードにある場合、補償抵抗器８６Ａを起動することが可能である。同様に、光路６０、６２、または、６４が、それぞれ、透過モードにある場合、補償抵抗器８６Ｂ、８６Ｃ、及び、８６Ｄを個別に起動することが可能である。こうして、補償抵抗器によって発生する補償熱エネルギは、導波路チップ４８上に局部的な加熱箇所が生じる確率を低下させるように、ヒータ・チップ５０上に分布させられる。
【００２３】
本発明の第２の実施態様による熱起動光学スイッチ９４を、図５に示す。熱起動光学スイッチ９４には、補償抵抗器８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃ、及び、８６Ｄを除く、図３及び４の熱起動光学スイッチ４６のコンポーネントが全て含まれている。さらに、光学スイッチ９４には、光学スイッチ４６の制御装置９２に取って代わる制御装置９６が含まれている。制御装置９６は制御装置９２と同様である。しかし、制御装置９６は、スイッチング機能に関して起動させられていないスイッチング抵抗器８４の一部を利用して、補償熱エネルギを生じさせるように構成されている。以下では、制御装置９４の働きについてさらに述べることにする。補償熱エネルギと、起動させられた抵抗器によって生じる熱エネルギとによって、光学スイッチ９４の一貫した動作温度の維持にとって望ましい全熱エネルギが得られることになる。
【００２４】
動作時、必要があれば、制御装置９６によって、Ｘ個のスイッチング抵抗器８４が選択的に起動させられ、光学スイッチの現在の光結合構成に合わせて起動させられた抵抗器とアライメントのとれたトレンチ内に気泡が形成される。ＸがＮ（例えば、７６Ａ、７６Ｂ、７６Ｃ、及び、７６Ｄのような、光学スイッチ９４に取り付けられた入力光ファイバの数）に等しい場合、起動させられたスイッチング抵抗器によって生じる熱エネルギは、所望の全熱エネルギである。従って、このスイッチング構成の場合、補償熱エネルギを発生する必要はない。しかし、ＸがＮより少ない場合、１つ以上の入力光路５８、６０、６２、及び、６４が透過モードにある。これらの光路のそれぞれについて、制御装置９６は、光路に沿ったスイッチング抵抗器の全ての間で電力Ｐを分配する。上述のように、Ｐは、対応するトレンチ８２内に気泡を生じさせるために、単一スイッチング抵抗器８４に供給される既定の電力量である。制御装置は、透過モードにある入力光路の各スイッチング抵抗器にＰ／Ｍに等しい電力を同時に給与するように構成することが可能である。あるいはまた、制御装置は、抵抗器に順次アドレス指定することによってその入力光路における各スイッチング抵抗器に電力Ｐを循環させるように構成することも可能である。各スイッチング抵抗器には、電力Ｐ未満の電力が供給されるので、これらのスイッチング抵抗器は、気泡を生じさせるのに十分な熱エネルギを発生しない。従って、光路の透過モードが損なわれることはない。
【００２５】
どのスイッチング構成においても、光学スイッチ９４のスイッチング抵抗器８４に供給される全電力は、電力ＰをＮ倍したものである。入力光路５８、６０、６２、及び、６４の全てが反射モードにある場合、各光路毎に１つずつ、Ｎ個のスイッチング抵抗器が起動させられることになる。従って、起動させられる抵抗器に供給される電力は、Ｐ×Ｎになる。しかし、１つ以上の光路が透過モードにある場合、電力Ｐは、それらの光路に沿った全ての抵抗器間において分配される。従って、スイッチング抵抗器に供給される全電力は、やはり、Ｐ×Ｎのままである。結果として、光学スイッチ９４内に発生する全熱エネルギは、光学スイッチのスイッチング構成に関係なく、一定になる。スイッチング構成が変化した場合、その構成について発生する全熱エネルギは、前の構成と同じになる。従って、発生する熱エネルギによって決まる光学スイッチの動作温度は、一貫したままである。
【００２６】
本発明の第３の実施態様による熱起動光学スイッチ９８を、図６に示す。この図には、導波路チップ４８を除去して、熱起動光学スイッチ９８が例示されている。図示されていないが、導波路チップには、上述の導波路、中間導波路、及び、トレンチが含まれている。やはり、ヒータ・チップに、金属基板にある屈折率整合液体のリザーバと導波路チップのトレンチを接続し、流体注入ホールが含まれていることも例示されていない。しかし、光学スイッチ９８のこれらの特徴は、先行実施態様の特徴と同じである。ヒータ・チップには、スイッチング抵抗器８４も含まれている。しかし、この実施態様の場合、ヒータ・チップには、さらに、大形の蛇行した補償抵抗器１００が含まれている。望ましい設計の場合、大形補償抵抗器は、ヒータ・チップ内において、スイッチング抵抗器が配置された表面の下方に製作される。補償抵抗器の材料及び形状は、所望の範囲の熱エネルギを発生し、発生した熱エネルギをヒータ・チップ全域にわたってできるだけ均一に拡散させるように選択することが可能である。ヒータ・チップの補償抵抗器及びスイッチング抵抗器は、制御装置１０２に電気的に接続されている。制御装置には、スイッチング抵抗器を選択的に駆動する回路要素が含まれている。さらに、制御装置の回路要素には、補償抵抗器が発生することになる、必要とされる補償エネルギによって決まる可変電力であって、補償抵抗器を選択的に起動するように構成されている。制御装置は、電気リードによってヒータ・チップに接続された外部装置とすることが可能である。しかし、制御装置は、ヒータ・チップ上に部分的または完全に製作することも可能である。
【００２７】
動作時、Ｘ個のスイッチング抵抗器８４は、制御装置１０２によって選択的に起動させられ、起動させられた抵抗器とアライメントのとれるトレンチ内に気泡が形成されて、光学スイッチ９８の現在のスイッチング構成が実現されることになる。ＸがＮに等しい場合、起動させられたスイッチング抵抗器によって生じる熱エネルギは、所望の全熱エネルギである。従って、補償熱エネルギを生じさせる必要はない。しかし、ＸがＮより少ない場合、起動させられた抵抗器によって生じる熱エネルギは、所望の熱エネルギ未満になる。この場合、制御装置は、所望の全熱エネルギと起動させられたスイッチング抵抗器によって生じる熱エネルギとの差に等しい補償熱エネルギを発生するため、補償抵抗器に電力を供給する。結果として、光学スイッチ９８内に生じる全熱エネルギは、光学スイッチのスイッチング構成に関係なく、一定になる。スイッチング抵抗器によって生じる熱エネルギは、さまざまなスイッチング構成に合わせて変化するので、補償抵抗器は、制御装置によって、結果として所望の全熱エネルギが得られることになる補償熱エネルギを発生するように駆動される。従って、光学スイッチ９８の動作温度は、一定のままである。補償抵抗器の設計は、スイッチング抵抗器及び補償抵抗器に供給される全電力が、光学スイッチのスイッチング構成に関係なく、必ず電力ＰのＮ倍に等しくなるように選択することが可能である。代替構成の場合、光学スイッチ９８に、所望の補償熱エネルギを発生するため、可変電力が供給される追加補償抵抗器を含むことが可能である。
【００２８】
図７の流れ図に関連して、本発明に従ってＮ×Ｍの熱起動光学スイッチに温度制御を施す方法について述べることにする。ステップ１０４において、光学スイッチを特定のスイッチング状態に構成するため、Ｘ個のスイッチング抵抗器に電力が選択的に供給される。ここで、Ｘは、零以上Ｎ以下である。結果として、これらのスイッチング抵抗器は、スイッチング熱エネルギを発生する。スイッチング熱エネルギは、起動させられたスイッチング抵抗器の数、及び、各スイッチング抵抗器に供給される電力によって決まる。望ましい方法の場合、スイッチング抵抗器には、光学スイッチの導波路チップにおける対応するトレンチ内に気泡を発生するため、既定の量の電力が供給される。従って、この望ましい方法の場合、スイッチング熱エネルギは、起動させられるスイッチング抵抗器の数によって決まるだけである。次に、ステップ１０６において、ＸがＮに等しいか否かの判定が行われる。ＸがＮに等しい場合、この方法は終了する。しかし、ＸがＮより少ない場合、この方法は、ステップ１０８に進む。ステップ１０８において、所望の全熱エネルギが得られるように、補償熱エネルギを発生させるが、全熱エネルギは、スイッチング熱エネルギと補償熱エネルギの和に等しい。スイッチング熱エネルギに従って、補償熱エネルギを変化させると、光学スイッチの現在の光学スイッチング構成に関係なく、所望の熱エネルギが得られることになる。全熱エネルギは、さまざまなスイッチング構成に対して一定のままであるため、光学スイッチの動作温度は、ほぼ一貫した温度に維持される。
【００２９】
第１の実施態様の場合、補償熱エネルギは、１つ以上の補償抵抗器によって発生する。この実施態様の場合、補償抵抗器は、スイッチング抵抗器と構造が同じである。補償抵抗器は、スイッチング動作に対する干渉を最小限に抑えるように配置されている。補償抵抗器は、スイッチング抵抗器及び補償抵抗器が形成される光学スイッチのヒータ・チップ全体に分散させるのが望ましい。Ｘ個のスイッチング抵抗器を起動させる場合、Ｎ−Ｘ個の補償抵抗器を起動させて、補償熱エネルギを発生することになるが、ここで、Ｎは、光学スイッチの入力光路数である。従って、光学スイッチのどのスイッチング構成についても、Ｎ個の抵抗器が起動させられる。従って、光学スイッチをほぼ一貫した動作温度に維持するため、さまざまなスイッチング構成に合わせて、所望の全熱エネルギを発生することになる。
【００３０】
第２の実施態様の場合、補償熱エネルギは、光学スイッチングに用いられていない１つ以上の抵抗器列、すなわち、透過モードにあるスイッチの入力光路に沿った全てのスイッチング抵抗器によって発生する。この実施態様の場合、各列毎に、電力Ｐがその列に供給される。電力Ｐは、スイッチング抵抗器が対応するトレンチ内に気泡を発生するために必要な電力である。その列が、光学スイッチングに用いられている場合、その列のスイッチング抵抗器の１つに、電力Ｐが供給され、そのスイッチング抵抗器を起動させる。しかし、その列が、光学スイッチングに用いられていない場合、電力Ｐは、その列の各スイッチング抵抗器に分配される。従って、各スイッチング抵抗器には、Ｐ／Ｍに等しい電力が供給される。これらのスイッチング抵抗器のそれぞれには、Ｐ未満の電力が供給されるので、これらの抵抗器が起動させられることはない、すなわち、対応するトレンチ内に気泡を形成することはない。結果として、起動させられる抵抗器、及び、Ｐ／Ｍの電力を供給される抵抗器によって発生する全熱エネルギは、さまざまな光学スイッチング構成に対して一定になる。従って、光学スイッチは、一貫した動作温度に維持されることになる。
【００３１】
第３の実施態様の場合、補償熱エネルギは、単一の大形抵抗器によって発生する。この実施態様の場合、単一補償抵抗器には、所望の全熱エネルギと起動させられたスイッチング抵抗器によって生じるスイッチング熱エネルギとの差に等しい熱エネルギを発生するため、可変電力が供給される。従って、光学スイッチのさまざまなスイッチング構成に合わせて、所望の全熱エネルギを発生することが可能であり、結果として、一貫した動作温度が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】先行技術による熱起動光学スイッチの断面図である。
【図２】図１の光学スイッチの平面図である。
【図３】本発明の第１の実施態様による熱起動光学スイッチの断面図である。
【図４】図３の熱起動光学スイッチの平面図である。
【図５】本発明の第２の実施態様による熱起動光学スイッチの平面図である。
【図６】本発明の第３の実施態様による熱起動光学スイッチの平面図である。
【図７】本発明による熱起動光学スイッチに温度制御を施す方法の流れ図である。
【符号の説明】
請求項に該当符号なし。

Claims (12)

1. 複数の加熱素子を有する熱起動光学スイッチに温度制御を提供する方法であって、
   前記加熱素子のうちの複数の第１の加熱素子に電力を選択的に提供して、複数の光路を画定する光学スイッチング構成内において、前記熱起動光学スイッチを構成し、ここで、前記電力が提供された時には、前記第１の加熱素子が、スイッチング熱エネルギーを生成し、及び、
   前記スイッチング熱エネルギーがターゲットエネルギーレベル未満の時には、前記第１の加熱素子を除く前記複数の加熱素子のうちの少なくとも１つの他の加熱素子に、電力を、前記光学スイッチング構成に影響を及ぼすことなく提供することによって、補償熱エネルギーを生成し、ここで、該補償熱エネルギーを生成することは、前記光学スイッチング構成における選択とは無関係に、一定の全熱エネルギーを生成するために、前記スイッチング熱エネルギーに基づいて前記補償熱エネルギーのレベルが定められることを含む
   ことを含み、
   前記補償熱エネルギーを生成することが、
   （ａ）少なくとも１つの補償加熱素子に対して前記電力を提供するステップであって、該補償加熱素子が、前記光路を画定することに関するスイッチング機能を実施する機能から分離されていることからなる、ステップ
   か、或いは、
   （ｂ）前記スイッチング機能を実施するために必要とされる所定の電力量よりも少ない電力量において、前記少なくとも１つの他の加熱素子に対して前記電力を提供するステップ
   のうちのいずれか一方のステップを含み、
   前記一定の全熱エネルギーを生成することにより、前記熱起動光学スイッチが一貫した動作温度に維持される結果となり、及び、
   前記スイッチング熱エネルギーは、前記スイッチング機能を実施する前記加熱素子によって生じる熱エネルギーであり、前記補償熱エネルギーは、前記ステップ（ａ）か又は（ｂ）によって電力が提供された前記補償加熱素子か又は前記少なくとも１つの他の加熱素子によって生じる熱エネルギーであり、前記全エネルギーは、前記スイッチング熱エネルギーと前記補償熱エネルギーとを合計した熱エネルギーであることからなる、方法。
2. 前記少なくとも１つの補償加熱素子に対して前記電力を提供する前記ステップ（ａ）が、可変量の電力を１つの前記補償加熱素子に対して提供して前記補償熱エネルギーを生成することを含み、前記補償加熱素子が、前記補償熱エネルギーを提供するための専用のものとなっており、及び、前記光路を確立することからは切り離されている状態になっており、前記可変量の電力が、前記生成されるスイッチング熱エネルギーに依存していることからなる、請求項１に記載の方法。
3. 発生した熱エネルギーを均一に拡散させるために、前記１つの前記補償加熱素子は、前記複数の加熱素子の間を蛇行するように配置されていることからなる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の加熱素子に前記電力を前記選択的に提供することが、第１の加熱素子の各々に所定量の電力を提供することを含み、
   前記少なくとも１つの補償加熱素子に対して前記電力を提供する前記ステップ（ａ）が、前記補償加熱素子の各々に前記所定量の電力を提供することを含み、及び、
   前記第１の加熱素子の各々が、スイッチング加熱素子であり、及び、前記補償加熱素子の各々が、前記補償熱エネルギーを生成するための専用のものであることからなる、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の加熱素子の各々に電力を提供することは、Ｘ個のスイッチング加熱素子に前記電力を提供することであり、ここで、Ｘは整数であり、及び、
   各々の補償加熱素子に対して電力を提供する前記ステップ（ａ）は、Ｎ−Ｘ個の補償加熱素子に前記電力を提供することであり、ここで、Ｎは、零よりも大きい数であることからなる、請求項４に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つの他の加熱素子に対して前記電力を提供する前記ステップ（ｂ）は、各々の選択された加熱素子に、前記所定の電力量よりも少ない前記電力量が提供されることとなるように、選択された加熱素子に対して前記電力を提供することを含むことからなる、請求項１に記載の方法。
7. 光学スイッチングシステムであって、
   光学スイッチング構成によって画定される複数のデータ光路を有する導波路基板であって、各データ光路が、ギャップによって離隔された第１の導波路及び第２の導波路を含むことからなる、導波路基板と、
   複数の加熱素子を有するヒータ基板と、
   前記ヒータ基板の前記加熱素子に動作可能に関連付けられて、前記第１及び第２の導波路内の前記加熱素子に電力を提供する制御回路構成であって、スイッチング熱エネルギーを結果として生成する所望の光学スイッチング構成を実現するために、前記電力を少なくとも１つの加熱素子に選択的に提供するよう構成されており、且つ、前記スイッチング熱エネルギーが、ターゲットエネルギーレベル未満の時には、熱補償を提供して、一定の全熱エネルギーを生成するよう更に構成されていることからなる、制御回路構成
   とを備え、
   前記所望の光学スイッチング構成を実現することからは切り離された手法において、前記制御回路構成が、
   （ａ）少なくとも１つの補償加熱素子に対して電力を提供する手段であって、該補償加熱素子が、前記データ光路を画定することに関するスイッチング機能を実施する機能から分離されていることからなる、手段
   か、或いは、
   （ｂ）前記所望の光学スイッチング構成を実現するために使用される前記加熱素子とは別の少なくとも１つの前記加熱素子に対して、低減されたレベルの電力を提供する手段であって、ここで、前記低減されたレベルは、前記スイッチング機能を実施するために必要とされる所定の電力量よりも少ない電力量であることからなる、手段
   のうちのいずれか一方の手段により、前記熱補償を確立するよう構成されており、
   前記一定の全熱エネルギーを生成することにより、前記光学スイッチングシステムが一貫した動作温度に維持される結果となり、
   前記スイッチング熱エネルギーは、前記スイッチング機能を実施する前記加熱素子によって生じる熱エネルギーであり、前記補償熱エネルギーは、前記ステップ（ａ）か又は（ｂ）によって電力が提供された前記補償加熱素子か又は前記別の少なくとも１つの前記加熱素子によって生じる熱エネルギーであり、前記全エネルギーは、前記スイッチング熱エネルギーと前記補償熱エネルギーとを合計した熱エネルギーであることからなる、光学スイッチングシステム。
8. 前記ヒータ基板が、１つの前記補償加熱素子を含み、該１つの前記補償加熱素子は、前記熱補償を提供するための専用のものとなっており、及び、
   前記制御回路構成は、前記補償加熱素子に可変量の電力を提供するよう構成されており、前記可変量の電力が提供された時には、補償熱エネルギーを生成するように、前記補償加熱素子が設計されていることからなる、請求項７に記載の光学スイッチングシステム。
9. 発生した熱エネルギーを均一に拡散させるために、前記１つの前記補償加熱素子は、前記複数の加熱素子の間を蛇行するように配置されていることからなる、請求項８に記載の光学スイッチングシステム。
10. 前記補償加熱素子が、前記ヒータ基板の表面の下方に配置されている、請求項８に記載の光学スイッチングシステム。
11. 前記ヒータ基板が、複数の前記補償加熱素子を含み、該複数の前記補償加熱素子は、前記熱補償を提供するための専用のものとなっており、及び、
    前記制御回路構成は、補償熱エネルギーを生成するために、選択された数の前記補償加熱素子に前記電力を選択的に提供するよう構成されており、前記選択される数は、前記ターゲットエネルギーレベルを達成するために必要とされる前記熱補償に依存していることからなる、請求項７に記載の光学スイッチングシステム。
12. 前記ヒータ基板が、Ｎ×Ｍ個のスイッチング加熱素子を含み、ここで、ＮとＭとが整数であり、及び、
    前記制御回路構成は、補償熱エネルギーを生成するために、選択されたスイッチング加熱素子に、前記低減されたレベルの電力を提供して、前記熱補償を提供するよう構成されていることからなる、請求項７に記載の光学スイッチングシステム。

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