(57)【要約】　【課題】動作安定性を更に高めた光スイッチ及びその動作方法を提供する。　【解決手段】光スイッチ（１０）は、互いに交差する第１及び第２の光導波路セグメントを有し、それらの交差点にエッチングにより平行な壁を有するよう形成されたトレンチを備える。ヒータ基板（１６）は、光導波路基板（１４）に沿って配置され、少なくともスイッチ動作中にトレンチの側壁を乾燥させるよう動作する側壁ヒータ（１６Ａ、１６Ｂ）を備える。充填部（２０）及びトレンチ内に配置される液体には、側壁ヒータに応答して泡が形成され、これによって光経路が変更される。【選択図】図２
2004139080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　少なくとも互いに交差する第１及び第２の光導波路セグメント、及び該第１及び第２の光導波路セグメントの端部が位置する交差点にエッチング手法により平行な壁を有するよう形成されたトレンチを備え、前記第１及び第２の光導波路セグメントは前記第１の表面に対して固定された位置関係とされる光導波路基板と、
　前記光導波路基板に沿って配置され、少なくともスイッチ動作中に前記トレンチの側壁を乾燥させるよう動作する側壁ヒータを備えるヒータ基板と、
　前記光導波路基板及び前記ヒータ基板に挟まれて位置する充填部と、
　該充填部及び前記トレンチ内に配置される液体にして、前記第１の光導波路セグメントから前記第２の光導波路セグメントへの光の透過の可否を決定するよう、前記側壁ヒータに応答して前記トレンチ内に泡を形成し得る液体とを備えることを特徴とする光経路変更のための光スイッチ。
【請求項２】
　前記側壁ヒータの上に配置される導通パッドを備えることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項３】
　前記導通パッドが、はんだ、銀、金、はんだの化合物、金の化合物、銀の化合物、はんだの合金、金の合金及び銀の合金を含む群から選択されることを特徴とする、請求項２に記載の光スイッチ。
【請求項４】
　前記液体が、前記光導波路の屈折率に整合した屈折率を有する有機溶媒であることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項５】
　前記有機溶媒が、２−フルオロトルエン及びフルオロベンゼンを含む群から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項６】
　前記泡内の圧力差が、３，５００ないし９，０００パスカルの間において変化することを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項７】
　前記ヒータ基板が、更に前記泡の核を形成する交差点内に配置される核形成ヒータを備え、且つ前記側壁ヒータが、前記側壁を乾燥するように動作することを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ。
【請求項８】
　前記液体が、前記光導波路の屈折率に整合した屈折率を有する有機溶媒であることを特徴とする、請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項９】
　前記有機溶媒が、２−フルオロトルエン及びフルオロベンゼンを含む群から選択されることを特徴とする、請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項１０】
　前記泡内の圧力差が、３，５００ないし９，０００パスカルの間において変化することを特徴とする、請求項７に記載の光スイッチ。
【請求項１１】
　光スイッチに設けられるトレンチ内における泡の核を形成するために第１の電力を加える工程と、
　前記光スイッチの壁を乾燥するために第２の電力を加える工程とを有することを特徴とする、光スイッチを動作する方法。
【請求項１２】
　前記第２の電力を加える工程が、
　前記壁を急速に乾燥するために中間の熱を加える工程と、
　前記泡を維持するために保持電力を加える工程とを有することを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、動作安定性を向上させた光スイッチ及びその動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
　本願出願人に譲渡された特許文献１にＦｏｕｑｕｅｔ他によって開示されたような従来の技術の光スイッチは、内部全反射方式によって動作する。透明な誘電体シートの平面内に平行な光波ガイド又は導波路の２つの配列が形成され、交差パターンを構成するよう置かれる。このシートは、ＰＬＣと称される。垂直空洞又は“トレンチ”は、それぞれの交差点に形成されており、空洞に流体が存在しないとき、１つの光導波路内に進行する光が、内部全反射によって交差する光導波路に伝達されるよう壁が配向されている。空洞が光導波路のものに整合した光屈折率を有する流体によって満たされているとき、光は、直接トレンチを横断して進み、認められるほどの損失なく、当初の光導波路内に再侵入し且つ継続して伝播される。これにより光は、関連するトレンチ内に又はここから外へ流体を伝播することによって、連続する光導波路と交差する光導波路との間においてスイッチ動作される。
【０００３】
　図１に示すように、流体の伝達は、トレンチ内に泡（バブル）を発生するために、電気抵抗によって流体を加熱することによって達成される。ヒータは、トレンチ配列に対して平行に且つこれに整列して配置され、ここから狭いギャップによって分離されたシリコン基板上における配列内に設けられる。この基板は、ＭＣＣと称される。したがってヒータは、それぞれのトレンチの口に対向して配置されている。ヒータに電流を加えると、その近くにおいて流体は蒸発し、トレンチ内に広がる蒸気の泡を形成し、ここから流体を排除し、且つ交差する通路の間において光を反射させる。
【特許文献１】米国特許第５，６９９，４６２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
　本発明の目的は、上述した従来周知のスイッチに比較して、動作安定性を更に高めた光スイッチ及びその動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
　この新規な光スイッチは、２つの段階において動作する周辺ヒータを有する。“ウエット”モードにおいて、泡は、トレンチ内に“膨らまされる”。“ドライ”段階において、側壁は、熱源から反射壁への熱伝達経路を改善することによって、乾燥壁状態を達成するように加熱される。分離した側壁ヒータが側壁の近くに配置されるとき、間接的な熱経路が作り出される。スイッチは、増加した安定性、改善したエネルギー効率及び一層長い平均対故障時間を有する。
【０００６】
　光スイッチは、平面の光導波路基板及びヒータ基板を有する。平面の光導波路基板は、交差する光導波路セグメントの配列又はアレイである。それぞれの交差点において、第１の光導波路の入力セグメントが、同じ光導波路の出力セグメントに透過するために整列されているが、一方第２の光導波路の入力セグメントが、第２の光導波路の出力セグメントに透過するために整列されているように、トレンチがエッチングされている。ヒータ基板は、結合可能な頂部層を有するシリコン基板上に形成されている。ヒータ基板は、それぞれの交差点に、少なくとも１つの周辺ヒータが存在するように配置されている。ヒータ基板の層は、選択的に能動制御電子要素を有してもよい。
【０００７】
　即ち、本発明は、少なくとも互いに交差する第１及び第２の光導波路セグメント、及び該第１及び第２の光導波路セグメントの端部が位置する交差点にエッチング手法により平行な壁を有するよう形成されたトレンチを備え、前記第１及び第２の光導波路セグメントは前記第１の表面に対して固定された位置関係にされる光導波路基板と、前記光導波路基板に沿って配置され、少なくともスイッチ動作中に前記トレンチの側壁を乾燥させるよう動作する側壁ヒータを備えるヒータ基板と、前記光導波路基板及び前記ヒータ基板に挟まれて位置する充填部と、該充填部及び前記トレンチ内に配置される液体にして、前記第１の光導波路セグメントから前記第２の光導波路セグメントへの光の透過の可否を決定するよう、前記側壁ヒータに応答して前記トレンチ内に泡を形成し得る液体とを備えることを特徴とする光経路変更のための光スイッチを提供する。
【０００８】
　好ましくは、前記側壁ヒータの上に配置される導通パッドを備える。
【０００９】
　好ましくは、前記導通パッドは、はんだ、銀、金、はんだの化合物、金の化合物、銀の化合物、はんだの合金、金の合金及び銀の合金を含む群から選択される。
【００１０】
　好ましくは、前記液体は、前記光導波路の屈折率に整合した屈折率を有する有機溶媒とされる。
【００１１】
　好ましくは、前記有機溶媒は、２−フルオロトルエン及びフルオロベンゼンを含む群から選択される。
【００１２】
　好ましくは、前記泡内の圧力差は、３，５００ないし９，０００パスカルの間において変化される。
【００１３】
　好ましくは、前記ヒータ基板は、更に前記泡の核を形成するよう交差点内に配置された核形成ヒータを備え、且つ前記側壁ヒータが、前記側壁を乾燥するように動作する。
【００１４】
　更に、本発明は、光スイッチに設けられるトレンチ内における泡を核形成するために第１の電力を加える工程と、光スイッチの壁を乾燥するために第２の電力を加える工程とを有することを特徴とする、光スイッチを動作する方法を提供する。
【００１５】
　好ましくは、前記第２の電力を加える工程は、前記壁を急速に乾燥するために中間の熱を加える工程と、前記泡を維持するために保持電力を加える工程とを有する。
【発明の効果】
【００１６】
　本発明による光スイッチによれば、側壁ヒータにより泡の形成を行い、或いは泡の核を形成した後にドライ状態の泡を実現するように動作するので、動作の安定性に優れており、エネルギー伝達効率が高く、且つより長い平均対故障時間を有するスイッチを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
　以下に添付図面を参照して、本発明の好適実施形態となる光スイッチ及びその動作方法について詳述する。図２は、本発明の実施形態となる光スイッチを示している。図２（ａ）は、横断面図を示しており、一方図２（ｂ）は、平面図を示している。光スイッチ１０は、基板１２上に形成されたものとして示されている。基板１２は、望ましくはシリコンであるが、その他の材料、例えばＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＳＯＩウエーハ及び水晶とされ得る。シリコン基板の利点は、光スイッチを形成するために集積回路製造技術の利用を容易にし、且つ基板の平面に対して垂直に流体流のための通路を形成するために通してエッチングすることができる点にある。
【００１８】
　光スイッチ１０は、下側のクラッド層、コア及び上側のクラッド層（図示せず）によって定義される平面の光導波路（又はウエイブガイド）１４を有する。製造の間に、材料のコア層は、２つの交差する光導波路又は交差点を形成するために、堆積され且つエッチングされる。
【００１９】
　光導波路セグメントの端部は、ギャップにおいて交差する。スイッチ１０は、スイッチの配列における単一のスイッチ素子である。第１の光導波路の入力セグメントが同じ光導波路の出力セグメントに透過するために整列され、一方で第２の光導波路入力セグメントが第２の光導波路の出力セグメントに透過するために整列されるように、トレンチがエッチングして形成される。
【００２０】
　ヒータ基板１６は、シリコン基板１２上に形成されている。それぞれの交差点に少なくとも１つの周辺ヒータ１６Ａ、１６Ｂがあるように、ヒータ基板１６が配置される。ヒータ基板１６の層は、選択的に能動制御電子装置（図示せず）を含んでいてもよい。光導波路パターン１４は、充填部２０を形成するために、ヒータ基板１６と向かい合わせて整列されている。充填部２０は、流体によって満たされている。スイッチ素子は、流体圧力制御装置、光ファイバ及び温度制御装置に接続されている。
【００２１】
　トレンチは、基板厚さの固まりを取り除くことによって、例えば化学的機械的研磨、エッチング（乾式又は湿式）、レーザエッチング、又はレーザ除去によって開かれる。
【００２２】
　流体は、光導波路の屈折率及びＰＬＣの屈折率に光学的に整合した流体である。その揮発性は、電力量及び核形成温度を決め、且つ圧力差を決める。望ましい流体は、例えば２−フルオロトルエン及びフルオロベンゼンのような有機溶媒である。
【００２３】
　選択的な導通パッド１８Ａ及び１８Ｂは、間接的な熱伝達経路を増強するために、側壁ヒータの上に配置することができる。パッドは、はんだ、銀、金、はんだの化合物、金の化合物、銀の化合物、はんだの合金、金の合金及び銀の合金から製造することができる。図２（ｂ）に示すように、トレンチの周辺に対応する単一の導通パッド１８を利用してもよい。
【００２４】
　側壁ヒータ１６Ａ、１６Ｂは、２つの機能を有する。“ウエット”モードにおいては、トレンチ内に泡が存在しない状態から“膨らまされ”又は核形成される。“ドライ”モードにおいては、側壁は熱源から反射壁への熱伝達経路を改善することによって、乾燥壁状態を実現するように加熱される。分離した側壁ヒータは、側壁への直接熱経路の近くに配置される。その結果、より安定で、エネルギー伝達効率が高く、且つより長い平均対故障時間を有するスイッチを実現できる。
【００２５】
　側壁ヒータ１６Ａ、１６Ｂは、側壁を乾燥するために間接的な熱経路を通して熱を伝達する。熱は、光導波路基板における側壁に液体を越えて伝達される。側壁ヒータ１６Ａ、１６Ｂは、シリコン基板上に構成されている。ヒータは、凝結を生じることなく側壁を乾燥する泡内の圧力をそれぞれ維持するために、電力５−２０ｍＷにおいて動作する。壁の温度は、泡内における蒸気の温度より高くなければならない。１つのヒータによれば、１０−４０ｍＷの全電力が加えられる。選ばれた保持電力は、維持すべき圧力に依存する。圧力は、液体内における液体及び空気の濃度に依存する。
【００２６】
　図３は、光スイッチ１０’の他の実施形態を示している。図２の実施形態と比較したときの相違点は、中央ヒータ１６Ｃが含まれている点である。中央ヒータ１６Ｃは、泡の核形成のためだけに利用される。
【００２７】
　図４は、光スイッチの動作に相当するフローチャートを示している。ステップ１００において、泡の核が形成され、例えば１８０ｍＷの電力が、１００マイクロ秒にわたって供給される。“ウエット”状態の泡は、側壁ヒータと側壁との間に液体が存在する場合に形成される。ステップ１１０において、ヒータを冷却することができるように電力はターンオフされ、例えば５０マイクロ秒にわたって電力は供給されない。ステップ１１０は、図３に示す実施形態にとって選択的である。ステップ１２０において、泡がつぶれる前に側壁を急速に加熱し且つ乾燥するために、“急速乾燥”電力が供給され、例えば８０ｍＷが５ミリ秒にわたって供給される。ステップ１３０において、“ドライ”泡を維持するために所定の“ホールド”設定に、電力が低下される。
【００２８】
　動作において、泡の安定性は、トレンチの壁が乾燥している場合に増強される。この状態は、次の式によって記述することができる。
【００２９】
【数１】
2004139080.tif 000003
【００３０】
　Ｐｖ（Ｔ）は、選ばれた温度における泡の蒸気圧である。Ｐ０は、初期圧力である。Ｒｇは、ガス定数である。Ｈｆｇは、ギャップ内における流体のエンタルピーである。
【００３１】
　必要な圧力範囲は、次の式によって記述される。
【００３２】
【数２】
2004139080.tif 000004
【００３３】
　圧力差は、泡の圧力ＰＢＵＢと高温のタブの圧力ＰＨＴとの差によって定義される。σは、流体の表面張力である。ｗＧは、ギャップの幅であるが、一方ｗＴは、トレンチの幅である。圧力差の典型的な範囲は、３，５００ないし９，０００パスカルである。それより高い圧力差は、泡をギャップ（Ｗｇ）内に、且つそれより低い圧力差は、トレンチ（Ｗｔ）内に押込む。
【００３４】
　以上のように本発明の好適実施形態について説明したが、これはあくまでも例示的なものであり、本発明を制限するものではなく、本発明の範囲内で当業者によって更に様々な変形・変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の技術の光スイッチを示す図である。
【図２】本発明の実施例を示す図である。
【図３】光スイッチの代替実施例を示す図である。
【図４】光スイッチの動作に相当するフローチャートを示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
　１０　光スイッチ
　１４　光導波路基板
　１６　ヒータ基板
　１６Ａ　側壁ヒータ
　１６Ｂ　側壁ヒータ
　１６Ｃ　核形成ヒータ
　１８Ａ　導通パッド
　１８Ｂ　導通パッド
　２０　充填部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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