(57)【要約】【課題】ガスの加圧によって作動する光リレーと、この光リレーのスイッチング方法を提供すること。【解決手段】リレーハウジング（100）に形成されたスイッチングチャネル（128）内において液体金属の小滴（148）を移動させ、これを使用してスイッチングチャネル（128）を通過する光の経路（110,112,140,144）を遮断又は開通させる。ヒーターチャンバ（116）内のガスを加圧して、スイッチングチャネル（128）内に圧力変化を生成することにより、液体金属の小滴（148）を移動させる。この液体金属の小滴（148）は、スイッチングチャネル（128）内の湿潤可能な金属接触パッド（134,１５４，156）に付着してラッチメカニズムを提供する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチングチャネルを格納するリレーハウジングと、
前記スイッチングチャネル内に配置され、それぞれが、液体金属が湿潤可能な表面を有する第１及び第２接触パッドと、
前記第１及び第２接触パッド間の前記スイッチングチャネル内に配置され、液体金属が湿潤可能な表面を有する第３接触パッドと、
前記第１接触パッドと湿潤接触状態にある第１液体金属小滴と、
前記第２接触パッドと湿潤接触状態にある第２液体金属小滴と、
前記第３接触パッドと湿潤接触状態にあり、前記スイッチングチャネル内において移動して、前記第１液体金属小滴及び前記第２液体金属小滴の中の１つと合体するべく適合された第３液体金属小滴と、
前記第１及び第３液体金属小滴間の前記スイッチングチャネルを通過する第１光経路と、
第１ヒーターであって、
第１作動ガスを格納する第１ヒーターチャンバと、
前記第１ヒーターチャンバを前記第１及び第３接触パッド間の前記スイッチングチャネルに結合する第１ガスダクトと、
前記第１作動ガスの圧力を増大させ、これにより、前記第１及び第３液体金属小滴を分離させ、かつ、前記第２及び第３液体金属小滴を合体させるべく動作可能な第１ヒーター抵抗体と、
を備える第１ヒーターと、
第２ヒーターであって、
第２作動ガスを格納する第２ヒーターチャンバと、
前記第２ヒーターチャンバを前記第２及び第３接触パッド間の前記スイッチングチャネルに結合する第２ガスダクトと、
前記第２作動ガスの圧力を増大させ、これにより、前記第２及び第３液体金属小滴を分離させ、かつ、前記第１及び第３液体金属小滴を合体させるべく動作可能な第２ヒーター抵抗体と、
を備える第２ヒーターと、
を具備し、
前記第１光経路は、前記第１及び第３液体金属小滴が合体した場合に遮断され、前記第１及び第３液体金属小滴が分離した場合に開通する、ことを特徴とする光リレー。
【請求項２】
前記第１光経路が、
前記スイッチングチャネル内に光を伝送するべく構成された第１光導波路と、
前記第１光導波路と光学的にアライメントされ、前記第１及び第３液体金属小滴が分離した場合に、前記第１光導波路から光を受光するべく構成された第２光導波路と、
を有する、ことを特徴とする請求項１記載の光リレー。
【請求項３】
前記第２及び第３液体金属小滴間を通過する第２光経路を更に有する、ことを特徴とする請求項１記載の光リレー。
【請求項４】
前記第１ヒーター抵抗体と湿潤接触状態にあり、前記第１ヒーター抵抗体にエネルギーが供給された場合に、相変化するべく適合された第１相変化液体と、
前記第２ヒーター抵抗体と湿潤接触状態にあり、前記第２ヒーター抵抗体にエネルギーが供給された場合に、相変化するべく適合された第２相変化液体と、
を更に有する、ことを特徴とする請求項１記載の光リレー。
【請求項５】
前記第１ヒーターチャンバ及び前記第２ヒーターチャンバ内に開口する圧力調整通路を更に有する請求項４記載の光リレー。
【請求項６】
スイッチングチャネル内で移動可能な第１液体金属小滴を有する光リレー内の第１光経路をスイッチングする方法であって、
第１入力光信号を前記光リレーの第１入力光導波路に結合するステップであって、前記第１入力光導波路は、第１出力光導波路と光学的にアライメントされて前記第１光経路を形成しているステップと、
前記第１光経路を開通させる場合に、
前記第１液体金属小滴を前記第１光経路外に移動させ、これにより、前記第１入力光導波路を前記第１出力光導波路に光学的に結合するステップと、
前記第１光経路を遮断する場合に、
前記第１液体金属小滴を前記第１光経路内に移動させ、これにより、前記第１入力光導波路を前記第１出力光導波路から光学的に切り離すステップと、
を有し、
前記第１液体金属小滴を移動させるステップは、前記スイッチングチャネル内の作動ガスを加圧して、前記第１液体金属小滴の両端に圧力差を生成するステップを有する、ことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記第１液体金属小滴は、第２接触パッドと第３接触パッド間の前記スイッチングチャネル内に位置する第１接触パッドと湿潤接触状態にあり、
前記第１液体金属小滴を前記光経路内に移動させるステップにより、前記第１液体金属小滴は、前記第２接触パッドと湿潤接触状態にある第２液体金属小滴と合体し、
前記第１液体金属小滴を前記光経路外に移動させるステップにより、前記第１液体金属小滴は、前記第３接触パッドと湿潤接触状態にある第３液体金属小滴と合体する、ことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記第１光経路は、前記第１接触パッド及び前記第２接触パッド間を通過しており、
第２入力光信号を前記光リレーの第２入力光導波路に結合するステップであって、前記第２入力光導波路は、第２出力光導波路と光学的にアライメントされて、前記第１接触パッド及び前記第３接触パッド間の前記スイッチングチャネルを通過する第２光経路を形成し、前記第２光経路は、前記第１光経路が開通した場合に遮断され、前記第２光経路は、前記第１光経路が遮断された場合に開通するステップを更に有する、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記スイッチングチャネル内の前記作動ガスを加圧するステップは、
前記光経路を開通させる場合に、
第１ガスダクトによって前記スイッチングチャネルに結合された第１ヒーターチャンバ内の第１ヒーター抵抗体にエネルギーを供給し、前記第１及び第２接触パッド間の前記スイッチングチャネル内の前記作動ガスの圧力を増大させるステップと、
前記光経路を遮断する場合に、
第２ガスダクトによって前記スイッチングチャネルに結合された第２ヒーターチャンバ内の第２ヒーター抵抗体にエネルギーを供給し、前記第１及び第３接触パッド間の前記スイッチングチャネル内の前記作動ガスの圧力を増大させるステップと、
を有する、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記スイッチングチャネル内の前記作動ガスを加圧するステップは、
前記光経路を開通させる場合に、
第１ガスダクトによって前記スイッチングチャネルに結合された第１ヒーターチャンバ内の第１相変化液体を加熱して前記第１相変化液体を気化させ、これにより、前記第１及び第２接触パッド間の前記スイッチングチャネル内の前記作動ガスの圧力を増大させるステップと、
前記光経路を遮断する場合には、
第２ガスダクトによって前記スイッチングチャネルに結合された第２ヒーターチャンバ内の第２相変化液体を加熱して前記第２相変化液体を気化させ、これにより、前記第１及び第３接触パッド間の前記スイッチングチャネル内の前記作動ガスの圧力を増大させるステップと、
を有する、ことを特徴とする請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スイッチングリレーの分野に関し、更に詳しくは、ガスの加圧によって作動し、液体の表面張力によってラッチする光リレーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光信号を使用する通信システムは、光スイッチ及びルーターの使用を必要とする。光スイッチングに対する初期のアプローチ法の１つは、光信号を電気信号に変換し、電気的スイッチ又はルーターを使用した後に、光信号に戻すというものであったが、最近では、電気的制御信号を使用し、光信号のスイッチングやルーティングを制御する光リレーが使用されるようになっている。光リレーは、通常、固体の可動ミラーにより（或いは、気泡の生成による空洞内の屈折率の変化を使用し）、光信号をスイッチングしている。可動ミラーの場合には、静電気によるラッチメカニズムを使用することができるが、バブルスイッチの場合には、ラッチできない。圧電ラッチリレーの場合には、圧電材料内の残留電荷を使用してラッチするか、或いはラッチメカニズムを含むスイッチ接点を作動させている。
【０００３】
電気的リレーの場合には、液体金属も使用されている。静電気力、熱膨張／収縮による可変形状、及び圧力勾配を含む様々な技法により、液体金属の小滴を移動させることができる。容積が縮小すれば、液体金属の表面張力は、その他の力（例：物体力（慣性））よりも優勢になる。この結果、微小電気機械（ＭＥＭ）システムの中には、液体金属スイッチングを利用するものが存在する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、チャネル内において液体金属の小滴を移動させ、これを使用してチャネルを通過する光の経路を遮断又は開通させる光スイッチに関するものである。ヒーターチャンバ内のガスを加圧し、この結果、チャネル内に圧力変化を生成することにより、液体金属の小滴を移動させる。この液体金属の小滴は、チャネル内の湿潤可能な金属接触パッドに付着してラッチメカニズムを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明の特性を表すと考えられる新しい特徴は、特許請求の範囲に記述されている。しかしながら、本発明自体、並びに好適な使用の態様、及びその更なる目的及び利点については、以下の添付図面との関連で、本明細書における例示用の実施例に関する詳細な説明を参照することにより、最もよく理解されるであろう。
本発明は、様々な多くの形態の実施例が可能であるが、本開示内容が本発明の原理を例示するためのものと見なされ、図示及び説明する特定の実施例に本発明が限定されることはないという理解の下に、添付の図面並びに以下の説明においては、１つ又は複数の特定の実施例を図示し、それらについて詳細に説明している。尚、以下の説明においては、図面中のいくつかの図において、類似の参照符号を使用して、同一、類似、又は対応する部分を示している。
【０００６】
本発明は、ガスを加圧することによって作動し、スイッチングチャネル内で移動する液体金属の小滴によってラッチする光リレーに関するものである。好適な実施例においては、このリレーは、加熱要素を使用して作動ガスの圧力変化を誘発し、これにより、液体金属を移動させている。液体金属は、光の経路を遮断又は開通させ、光信号のスイッチングを可能にしている。液体金属（これは、水銀、又はガリウムを含む合金であってよい）は、リレーハウジング上の少なくとも１つの固定された接触パッドに湿潤し、表面張力によって定位置に保持される。
【０００７】
一実施例においては、このリレーは、微小機械加工技法を使用して製造される。図１には、光リレー１００の端面図が示されている。この実施例においては、リレーの本体は、６つのレイヤから構成されており、微小機械加工による製造に適している。最下位レイヤは、底部キャップレイヤ１０２である。次のレイヤは、ヒーターチャンバ（及び、任意選択により、相変化液体）を内蔵するチャンバレイヤ１０４であり、次のレイヤは、ヒーターチャンバをスイッチングチャネルに結合するダクト（ビア（vias））を格納する回路レイヤ１０６である。この回路レイヤは、ヒーター抵抗体と関連電気回路を支持してもいる。光信号のスイッチングは、スイッチングレイヤ１０８内に格納されているスイッチングチャネルにおいて実行される。動作の際には、光信号は、光ファイバ又は導波路１１０を通じてリレーに入射し、リレー内において遮断されない場合には、光ファイバ又は導波路１１２を通じて出射する。最後のレイヤは、上部キャップレイヤ１１４である。
【０００８】
図２は、図１のリレーの断面図である。最下位レイヤは、底部キャップレイヤ１０２である。次のレイヤは、ヒーターチャンバ１１６、ヒーター抵抗体１２２、及び、任意選択により、相変化液体１１８を内蔵するチャンバレイヤ１０４である。動作の際には、ヒーター抵抗体１２２は、ヒーターチャンバ１１６に格納された作動ガスの圧力を増大させる。本発明の第１の実施例においては、この圧力の増大は、チャンバ内のガスを直接的に加熱することによって生成される。第２の実施例においては、圧力の増大は、液相から気相に変化するように液体１１８を加熱することにより生成される。即ち、相変化に伴う容積の増大により、作動ガスの圧力が増大する。この方法の１つの利点は、ヒーター抵抗体からガスへの伝達と比べ、ヒーター抵抗体から液体への方が熱がより効率的に伝達されることにある。更に、この相の遷移は、非常に迅速であり、結果的に大きな圧力の変化が生じる。これは、より迅速なスイッチングに結び付き、基板内へのエネルギーの損失が削減される。相の変化は、逆方向にも可能であり、この結果、冷却すると、気体はヒーター抵抗体上で液化することになる。この相変化液体は、低粘度の３Ｍ  Ｆｌｏｕｒｉｎｅｒｔなどの不活性の有機液体であってよい。この代わりに、相変化液体は、液体金属であってもよい。変化の際に圧力がゆっくりと均衡し、ヒーターの冷却に伴ってスイッチングチャネル内の液体金属が引き戻されることを防止するべく、ヒーターチャンバ間に、制限のための圧力調整通路を含むことができる。次のレイヤは、ヒーターチャンバ１１６を（スイッチングレイヤ１０８内に格納されている）スイッチングチャネル１２８に結合するダクト１２６を格納する回路レイヤ１０６である。動作の際には、光信号は、光ファイバ又は導波路１１０を通じてリレーに入射し、リレー内で遮断されない場合には、光ファイバ又は導波路１１２を通じて出射する。光導波路１１０は、スイッチングレイヤ１０８内のノッチ１３０内に埋め込まれている。光導波路１１２は、スイッチングレイヤ１０８内のノッチ１３２内に埋め込まれている。湿潤可能な接触パッド１３４が、スイッチングチャネル１２８の内部に固定されている。これらの接触パッドは、シールベルト金属から製造可能である。それぞれのパッドは、回路レイヤの上部に装着される下部パッド、スイッチングレイヤ内のスイッチングチャネルの側部に装着される２つの側部パッド、及び上部キャップレイヤの下部表面に装着される上部パッドという４つの部品から製造可能である。スイッチング用に使用する液体金属は、表面張力により、これらのパッドと接触状態に保持される。最後のレイヤは、スイッチングチャネルのキャップを提供する上部キャップレイヤ１１４である。
【０００９】
図３には、上部キャップレイヤを除去した光リレーの図が示されている。スイッチングレイヤ１０８が回路レイヤ１０６の上部に位置している。スイッチングレイヤ１０８内のノッチ１３０内に埋め込まれた光導波路１１０は、（ノッチ１３２内に埋め込まれた）光導波路１１２と光学的にアライメントされている。導波路１１０及び１１２間を接続するには、光は、スイッチングチャネル１２８内の透明な作動ガスを通過しなければならない。スイッチングレイヤ１０８内のノッチ１４２内に埋め込まれた光導波路１４０は、（ノッチ１４６内に埋め込まれた）光導波路１４４と光学的にアライメントされている。液体金属の中央小滴１４８が、スイッチングチャネル１２８内に位置しており、接触パッド１５４と湿潤接触状態に保持されている。好適な実施例においては、この液体金属は、水銀、又はガリウムを含む合金である。中央の液体金属小滴１４８は、移動して別の液体金属小滴１５０及び１５２の１つと合体することができる。液体金属小滴１５０及び１５４は、それぞれ、接触パッド１３４及び１５６と湿潤接触状態にある。この液体金属の容積合計は、一度に２つの容積のみが合体可能なように選択されている。接触パッドは、例えば、シールベルト金属から製造可能である。それぞれのベルトは、スイッチングレイヤ１０８に装着された２つ、回路レイヤ１０６の上部に装着された１つ、及び上部キャップレイヤ１１４の下側に装着された１つという４つの要素から構成されている。液体金属小滴の表面張力は、液体の動きに抵抗する。図３に示されているように、液体金属小滴１４８及び１５２が合体すると、光が通過できる小滴間の空隙が消滅し、この結果、導波路１４０及び１４４間の光経路は遮断される。但し、光は、液体金属小滴１４８及び１５０間の空隙を通過することが可能であり、従って、導波路１１０及び１１２間の光の経路は開通している。これが、セクション２−２として図２に示されている。
【００１０】
液体小滴の動きは、透明で不活性であって、電気的に非伝導性を有し、液体金属小滴を取り囲み、リレーの内部に充填された作動ガスによって制御されている。この作動ガスは、移動し、接触パッド間に位置しているビア又はダクトを通じてスイッチングチャネル１２８に出入りする。液体金属の中央小滴１４８は、中央接触パッド（１５４、１４８）の左側の作動ガスの圧力を増大させることにより、小滴１５２から分離することができる。この結果生成される中央の液体金属小滴１４８の両端の圧力差により、図４に示されているように、中央の液体金属小滴は右に移動し、そこで小滴１５０と合体する。そして、作動ガスの圧力が均衡すると、中央小滴１４８は、液体金属の表面張力のために、小滴１５０と合体した状態で維持される。更には、表面張力により、合体した小滴が接触パッド１３４及び１５４に対して保持される。この結果、導波路１４０及び１４４間の光の経路は開通し、導波路１１０及び１１２間の光経路は、液体金属によって遮断される。
【００１１】
図５は、リレーのチャンバレイヤ１０４の平面図である。このレイヤ内には、２つのヒーターチャンバ１１６及び１６０が形成されている。これらのチャンバは、下に位置する底部キャップレイヤと上に位置する回路レイヤにより、完成することになる。任意選択により、圧力調整ダクト１２０によってヒーターチャンバを結合し、チャンバ間の圧力をゆっくりと均衡させることも可能である。ダクトを通じたガスの流れは、スイッチングを損なうことのないように制限される。
【００１２】
図６は、図５に示されているチャンバレイヤ１０４のセクション６−６の断面図である。このレイヤ内には、ヒーターチャンバ１１６が空洞として形成されている。
【００１３】
図７は、リレーの回路レイヤ１０６の底面図である。ビア又はダクト１２６及び１５８は、作動ガスがヒーターチャンバから回路レイヤを通じてスイッチングチャネルに流入することを可能にしている。湿潤可能な接触パッド１３４、１５４、及び１５６（破線によって示されている）の最下位部分が、このレイヤの上部表面上に形成（又は、装着）されており、スイッチングチャネル内及び上部キャップレイヤ上のパッドのその他の部分と組み合わせられる。この回路レイヤ上には、ヒーター抵抗体１２２及び１６２が形成されている。ヒーター抵抗体は、組立の終了後に、ヒーターチャンバ内に配置される。電気的接触パッド１２４は、制御信号のヒーター抵抗体１２２への接続を円滑に実行するためのものである。回路レイヤ上に形成された電気トレース（図示されてはいない）が電気的接触パッド１２４をヒーター抵抗体に接続している。
【００１４】
図８は、図７に示されている回路レイヤ１０６のセクション８−８の断面図である。ガスダクト１５８が、このレイヤを貫通している。レイヤ１０６の上部表面には、湿潤可能な接触パッド１５４が装着されている。ヒーター抵抗体１６２及び電気的接触パッド１２４が、このレイヤの下側に装着されている。任意選択により、相変化液体１６４をヒーター抵抗体１６２の表面に湿潤させることも可能である。この液体は、リレーの組み立ての際に（又は、その後に）追加可能である。
【００１５】
図９は、リレーのスイッチングレイヤ１０８の平面図である。スイッチングレイヤ１０８のノッチ１３０内に埋め込まれた光導波路１１０は、（ノッチ１３２内に埋め込まれた）光導波路１１２と光学的にアライメントされている。スイッチングレイヤ１０８内のノッチ１４２内に埋め込まれた光導波路１４０は、（ノッチ１４６内に埋め込まれた）光導波路１４４と光学的にアライメントされている。湿潤可能な接触パッド１３４、１５４、及び１５６の一部は、スイッチングチャネル１２８の内部に固定されている。
【００１６】
図１０には、スイッチングレイヤ１０８の側面図が示されている。光導波路１１０及び１４０は、このレイヤの上部表面内の三角形のノッチ１３０及び１４２内に埋め込まれている。これらのノッチを使用することにより、リレーを組み立てる際に、導波路を光学的に正確にアライメントすることができる。
【００１７】
図１１は、リレーの上部キャップレイヤ１１４の底面図である。湿潤可能な接触パッド１３４、１５４、及び１５６の最上位部分が、このレイヤの下部表面に形成（又は、装着）され、スイッチングチャネル及び回路レイヤ内のその他の部分と組み合わせられる。
【００１８】
本発明によるこの光リレーは、小さなサイズ用の微小機械加工技法を使用して製造することができる。
【００１９】
以上、特定の実施例に関連して本発明について説明したが、以上の説明から、当業者には、多くの代替、変更、置換、及び変形が明らかとなることは明白である。従って、添付の特許請求の範囲に属するそのようなすべての代替、変更、及び変形も本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の光リレーの端面図である。
【図２】本発明の光リレーの断面図である。
【図３】上部キャップレイヤを除去した本発明の光リレーの平面図である。
【図４】上部キャップレイヤを除去した本発明の光リレーの更なる平面図である。
【図５】本発明の光リレーのチャンバレイヤの平面図である。
【図６】本発明の光リレーのチャンバレイヤの断面図である。
【図７】本発明の光リレーの回路レイヤの底面図である。
【図８】本発明の光リレーの回路レイヤの断面図である。
【図９】本発明の光リレーのスイッチングレイヤの平面図である。
【図１０】本発明の光リレーのスイッチングレイヤの側面図である。
【図１１】本発明の光リレーの上部キャップレイヤの底面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１００  リレーハウジング
１１０  第１光導波路
１１２  第２光導波路
１１６  第１ヒーターチャンバ
１１８  第１相変化液体
１２０  圧力調整通路
１２２  第１ヒーター抵抗体
１２６  第１ガスダクト
１２８  スイッチングチャネル
１３４  第１接触パッド
１４０  第２入力光導波路
１４４  第２出力光導波路
１４８  第３液体金属小滴
１５０  第１液体金属小滴
１５２  第２液体金属小滴
１５４  第３接触パッド
１５６  第２接触パッド
１５８  第２ガスダクト
１６０  第２ヒーターチャンバ
１６２  第２ヒーター抵抗体
１６４  第２相変化液体
【図１】
2004318152.tif 000003
【図２】
2004318152.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2004318152.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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