(57)【要約】再構成可能アンテナアレイにおけるスイッチを作動させる方法及び装置である。ＭＥＭＳスイッチはアンテナサブストレート上に形成されたアンテナ素子間のギャップを埋める。アンテナ素子及びサブストレート上に配設されたスーパーストレートは、ＭＥＭＳスイッチへと光エネルギーを仕向ける統合化された光導波路ネットワークを含んでいる。ＭＥＭＳスイッチは、半絶縁サブストレート上に形成される。照明された時、半絶縁サブストレートの抵抗は小さくなり、制御接点間の抵抗も小さくなる。アンテナアレイは、選択されたＭＥＭＳスイッチに接続されたＰＶセルへと光エネルギーを仕向けてＭＥＭＳスイッチを閉じ、選択されたアンテナ素子を電気的に連結すること、及び、選択されたＭＥＭＳスイッチの半絶縁サブストレートへと光エネルギーを仕向けてＭＥＭＳスイッチを開放し、選択されたアンテナ素子を電気的に分離することで再構成される。
2004533183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチと、光学的に制御された複数のスイッチ制御回路と、スーパーストレートと、光エネルギー供給とを有する装置であって、
該複数のＭＥＭＳスイッチは複数のアンテナ素子間の複数のギャップに近接して配置され、該ギャップによって離間されており、該ＭＥＭＳスイッチは隣り合うアンテナ素子間のギャップ間に電気的接続を行うように操作可能であり、
該光学的に制御された複数のスイッチ制御回路の一つは各ＭＥＭＳスイッチに接続されており、
該スーパーストレートは、該アンテナ素子から上方の予め決められた距離に配置され、かつ、複数のスイッチ制御導波路を含む光導波路ネットワークを組み込んであり、各導波路は、少なくとも一つの対応するスイッチを制御するために少なくとも一つの対応するスイッチに結合されており、
該光エネルギー供給は、組み込まれた光導波路ネットワーク内の特定のスイッチ制御導波路に光エネルギーを供給して選択されたＭＥＭＳスイッチを制御し、隣り合うアンテナ素子の電気的接続を制御するように構成されている装置。
【請求項２】
請求項１において、該アンテナ素子は再構成可能なアンテナアレイ内にあり、該装置は該アンテナ素子を再構成することを特徴とする装置。
【請求項３】
互いにギャップによって離間された複数の隣り合うアンテナ素子を設けるステップと、
該アンテナ素子間のギャップに近接して配置され、かつ、該隣り合うアンテナ素子間のギャップ間に電気的接続を行うように操作可能の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）スイッチを設けるステップと、
光学的に制御された複数のスイッチ制御回路を提供するステップであって、複数のスイッチ制御回路の一つは各ＭＥＭＳに結合されており、各スイッチ制御回路は光学的に制御されたスイッチ閉要素と光学的に制御されたスイッチ開要素を有しており、
選択されたＭＥＭＳスイッチに結合されたスイッチ制御回路のスイッチ開要素あるいはスイッチ閉要素を選択的に照明することで、ＭＥＭＳスイッチを開放あるいは閉じるステップとを有する方法。
【請求項４】
請求項３において、該方法は、アンテナアレイを再構成する方法を含み、選択されたＭＥＭＳスイッチの開閉によって該アンテナアレイを再構成することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項３あるいは４に記載された方法において、選択的に照明するステップは、光導波路ネットワークを有するスーパーストレートにおける選択された光導波路に光エネルギーを仕向けることによって行われ、該スーパーストレートは該アンテナ素子から予め定められた距離だけ上方に配置され、該光導波路は光学的に制御されるスイッチ制御回路に対して光エネルギーを仕向けるものであることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１あるいは２に記載された装置において、各ＭＥＭＳスイッチは二つの制御接点を有しており、該二つの制御接点間に印加した電圧によって開状態あるいは閉状態に静電的に作動可能であり、各スイッチ制御回路は、
直列に接続された一つ以上の光起電セルと、
該制御接点に該一つ以上の光起電セルを接続する直列抵抗と、
該制御接点間に接続されたフォトレジストセルとを有する装置。
【請求項７】
請求項３，４，あるいは５に記載された方法において、各光学的に制御されたスイッチ制御回路は、
直列に接続された一つ以上の光起電セルと、
二つの制御接点と、
該制御接点間に接続されたフォトレジストセルと、
一つ以上の光起電セルを該制御接点に連結する直列抵抗とを有する方法。
【請求項８】
請求項６の装置において、該複数のスイッチ制御導波路は、一つ以上の光起電セル導波路と複数のＭＥＭＳスイッチ導波路を有し、
各光起電セル導波路は、一つ以上のスイッチ制御回路の一つあるいは複数の光起電セルへと光エネルギーを提供し、光エネルギーの供給は、スイッチ制御回路へ接続されたＭＥＭＳスイッチをＭＥＭＳスイッチの閉状態へと作動させるものであり、
該ＭＥＭＳスイッチ導波路の一つは各スイッチ制御回路のフォトレジストセルへ光エネルギーを供給し、該フォトレジストセルへの光エネルギーの供給は、該ＭＥＭＳスイッチをＭＥＭＳスイッチの開状態へと作動させるように構成された装置。
【請求項９】
請求項６の装置において、該複数のスイッチ制御導波路は、
一つ以上のＭＥＭＳスイッチ導波路と、複数の水平光起電セル導波路と、複数の垂直光起電セル導波路とを有し、
各ＭＥＭＳスイッチ導波路は、一つ以上のスイッチ制御回路のフォトレジストセルへと光エネルギーを供給し、該フォトレジストセルへの光エネルギーの供給は、一つ以上のスイッチ回路に接続されたＭＥＭＳスイッチをＭＥＭＳスイッチの開状態へと作動し、
スイッチ制御回路に接続されたＭＥＭＳスイッチは、該スイッチ制御回路の一つあるいは複数の光起電セルへと光エネルギーを提供する少なくとも一つの水平光起電セル導波路及び少なくとも一つの垂直光起電セル導波路によって提供される光エネルギーによってＭＥＭＳスイッチの閉状態へと作動されるように構成された装置。
【請求項１０】
請求項１，２，６，８あるいは９に記載の装置はさらに、該導波路から該スイッチ制御回路へと光エネルギーを接続するグレーティングカプラを含んでいることを特徴とする装置。
【請求項１１】
請求項１，２，６，８あるいは９に記載の装置において、該光エネルギー供給は、ＬＥＤアレイであることを特徴とする装置。
【請求項１２】
請求項１，２，６，８あるいは９に記載の装置において、該光エネルギー供給は、レーザアレイであることを特徴とする装置。
【請求項１３】
請求項５の方法において、該光導波路ネットワークは、
一つ以上のスイッチ閉導波路と複数のスイッチ開導波路を有し、
各スイッチ閉導波路は、一つ以上のスイッチ制御回路の光学的に制御されたスイッチ閉要素へと光エネルギーを提供し、
複数のスイッチ開導波路の一つは、各ＭＥＭＳスイッチに接続された該スイッチ制御回路の光学的に制御されたスイッチ開要素へと光エネルギーを提供する方法。
【請求項１４】
請求項１３の方法において、選択的に照明するステップは、
一つ以上のスイッチ閉導波路へと光エネルギーを仕向けて、一つ以上のＭＥＭＳを閉じ、
選択されたスイッチ開導波路へと光エネルギーを仕向けて、該選択されたスイッチ開導波路から光エネルギーを受信したＭＥＭＳスイッチを開とする方法。
【請求項１５】
請求項５の方法において、該光導波路ネットワークは、
一つ以上のスイッチ開導波路と、光学的に制御された複数の水平スイッチ閉導波路と、光学的に制御された複数の垂直スイッチ閉導波路とを有し、
各スイッチ開導波路は、一つ以上のスイッチ制御回路の光学的に制御されたスイッチ開要素へと光エネルギーを提供し、
各水平スイッチ閉導波路は、一つ以上のスイッチ制御回路のスイッチ閉要素へと光エネルギーを仕向け、
各垂直スイッチ閉導波路は、一つ以上のスイッチ制御回路のスイッチ閉要素へと光エネルギーを仕向けることを特徴とする方法。
【請求項１６】
請求項１５の方法において、選択的に照明するステップは、
一つ以上のスイッチ開導波路へ光エネルギーを仕向け、一つ以上のＭＥＭＳスイッチを開とし、
同時に光エネルギーを一つの選択された光学的に制御された水平スイッチ閉導波路及び一つの選択された光学的に制御された垂直スイッチ閉導波路に仕向け、同時に該選択された水平スイッチ閉要素導波路及び該選択された垂直スイッチ閉導波路から光エネルギーを受信した該選択されたＭＥＭＳスイッチを閉とすることを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項６に記載の装置あるいは請求項７に記載の方法において、各ＭＥＭＳスイッチは半絶縁性サブストレート上に形成されており、かつ、フォトレジストセルは該半絶縁性サブストレートの部分であることを特徴とする装置あるいは方法。
【請求項１８】
請求項１７の方法あるいは装置において、該アンテナ素子及び該ＭＥＭＳスイッチは一つのサブストレート上に形成されていることを特徴とする方法あるいは装置。
【請求項１９】
請求項１７の方法あるいは装置において、該アンテナ素子はアンテナサブストレート上に形成されており、一つ以上のＭＥＭＳスイッチは該アンテナサブストレートから別個に形成され、そして、該アンテナサブストレートに固定されることを特徴とする方法あるいは装置。
【請求項２０】
請求項１，２，６，８，９，１０，１１あるいは１２に記載の装置、あるいは、請求項５，１３，１４，１５あるいは１６に記載の方法において、該スーパーストレートはＲＦ透過性であることを特徴とする装置あるいは方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は再構成が可能なアンテナ素子システムに係り、より詳しくは、再構成可能なアンテナアレイにおけるアンテナ素子を再構成するための装置及び方法に関するものである。本開示は、再構成可能なアンテナにおけるスイッチの作動のための光ネットワークについて記述する。
【背景技術】
【０００２】
再構成可能なアンテナシステムは、衛星や空伝通信ノード（ＡＣＮ）システムにおける適用を有しており、そこでは、広帯域が重要であり、かつ、数々の機能のためにアンテナアパーチャが継続して再構成される必要がある。これらのアンテナシステムは、個々に再構成可能なアンテナ素子からなるアレイを含んでいる。再構成可能なダイポールアンテナから構成されるアンテナアレイは、一つ以上の素子の共振長を変更させることで再構成することができる。ダイポールアンテナの共振長を動的に可変とする能力は、アンテナが複合周波数範囲内で効率的に作動することを可能とする。
【０００３】
ダイポールアンテナの共振長を可変とする一つの手段は、アンテナのフィードポイントの両端においてアンテナを長さ方向に分割することである。アンテナの共振長は隣り合うダイポールセグメントの連続する対を連結あるいは分離することで可変となる。一対の隣接ダイポールセグメントの連結は各セグメントをスイッチに連結することによって行われる。そして、隣接セグメントはスイッチを閉じることで連結される。
【０００４】
再構成可能アンテナの従前の設計は、アンテナアレイの一構成要素であるアンテナ素子として光導電スイッチを組み込むものが提案されている。"Optoelectronically Reconfigurable Monopole Antenna,"J. L. Freeman, B. J. Lamberty, and G. S. Andrews, Electronics Letters, Vol. 28; NO. 16, July 30,1992, pp. 1502-1503が参照される。また、再構成アンテナにおける光起電力で活性化されるスイッチの使用も試みられている。C. K. Sun, R. Nguyen, C. T. Chang, and D. J. Albares,"Photovoltaic-FET For Optoelectronic RF/Microwave Switching,"IEEE Trans. On Microwave Theory Tech., Vol. 44, No. 10, October 1996, pp. 1747-1750が参照される。しかしながら、これらの設計に伴う一つの問題は、これらのタイプのスイッチを用いる超広帯域システム（すなわち、０−４０ＧＨｚの動作周波数範囲を有するシステム）のパフォーマンスが挿入損失及び電気的分離を受けるということである。
【０００５】
ＲＦ微小電子機械システム（ＲＦ ＭＥＭＳ）スイッチが０−４０ＧＨｚの周波数範囲を越えて作動することが知られている。このタイプのスイッチの代表例が、Yao,米国特許5,578,976に開示されている。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチを用いる再構成アンテナの従前の設計は金属フィードストラクチャを組み込むことで、サブストレートのエッジからＲＦ ＭＥＭＳスイッチバイアスパッドへ作動電圧を印加するようにしていた。作動電圧をスイッチに印加する金属フィードストラクチャを用いることに伴う問題は、アンテナアレイにおいて、スイッチの数が何千にもなってしまい、全てのスイッチの周りに経路付けられるバイアス線の複雑なネットワークが必要とされることである。これらのバイアス線はアンテナ放射電磁界に接続して、アンテナアレイの放射パターンを劣化させる。バイアス線が金属接地面の裏側に隠れていたとしても、アンテナアレイにおける各素子は何十ものスイッチを収容しているので、フィード線および導電体を介したサブストレートフィードスルーが極めて注意深く設計されない限り、放射パターン及び帯域幅の劣化が生じる。この問題は、再構成可能要素の数が増えると、桁外れに大きくなる。したがって、再構成アンテナアレイにおけるスイッチを作動させるための改良された装置及び方法が必要とされる。
【発明の開示】
【０００６】
したがって、本発明の目的は、スイッチに接続される金属フィードストラクチャを必要としないでＲＦ ＭＥＭＳスイッチを作動させる手段を提供することにある。本発明のさらなる目的および効果は図面及び続く記載を斟酌することで明らかになる。
【０００７】
本発明は一連のＭＥＭＳスイッチを用いて再構成可能なアンテナシステムにおけるアンテナ素子を再構成する。ＭＥＭＳスイッチ及びアンテナ素子は半絶縁性サブストレート上に装着されている。ＭＥＭＳスイッチは、サブストレートに結合されたスーパーストレートに組み込まれた光導波路ネットワークを介して該スイッチに伝達される光エネルギーによって作動される。好ましくは、スーパーストレートはＲＦ透過性である。無線周波数（ＲＦ）透過性スーパーストレートは、光導波路ネットワークを組み込みのためのフレームワークとして、及び再構成可能アンテナシステムのレドームとして機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、本発明の実施例に基づく再構成可能アンテナアレイ１２を示す。再構成可能アンテナアレイ１２は、サブストレート１０の表面に形成された複数の再構成可能ダイポールアンテナ素子３８と、サブストレート１０に結合されていると共に統合化された光導波路ネットワーク４６を組み込んだスーパーストレート４４と、導波路ネットワーク４６に結合されており、導波ネットワーク４６を通って伝達されてアンテナ素子３８の再構成を実行させるための光エネルギーを生成する光エネルギー生成手段５６を有している。光エネルギー生成手段５６は、リニアあるいはマトリックスＬＥＤアレイ、あるいはレーザアレイである。図１では二つの代表的アンテナ素子３８のみを示しているが、特定のアプリケーションに実際に用いられる素子の数はそのアプリケーションに特定の必要に依存するものであることは理解される。多くのアプリケーションは、何百あるいは何千ものアンテナ素子を備えた大アンテナアレイを必要とする。
【０００９】
図２は、アンテナアレイ１２の代表的再構成ダイポールアンテナ素子３８をより詳細に示している。アンテナ素子３８は、ツインアンテナフィードストラクチャ５８、サブストレート１０上に形成され（図１に示すように）、かつ、フィードストラクチャ５８の両端に延出する一連の隣り合う金属ストリップセグメント４０を含む放射ストラクチャ、及び隣り合う金属ストリップセグメント４０の順次に連続する対の夫々に接続されたＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４を有している。ギャップ１８が隣接する金属ストリップ４０を分離している。ギャップ１８は、後述する様式によって、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の操作によって開閉される。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチを制御するのに用いられる光素子についても後述する。
【００１０】
図３は、本発明に組み込まれるであろうＲＦ ＭＥＭＳスイッチの一つの形式を示している。一般に参照番号２４で示される微小電子機械システム（micro-electromechanical system）スイッチは、マスキング、エッチング、デポジション、リフトオフのような一般に知られている微細加工技術を用いて作成される。好ましい実施例では、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４はサブストレート１０から直接形成され、金属セグメント４０と一体的に統合化される。あるいは、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４は別個に形成され、サブストレート１０に接着される。再び図２を参照すると、一つのＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４はサブストレート１０上に形成された隣り合う金属ストリップ４０対の間の各ギャップ１８に近接して配置されている。図３に示すように、スイッチ２４はサブストレート静電プレート２０と作動部２６とを有している。サブストレート静電プレート２０（典型的にはグランドに接続されている）はサブストレート１０上に形成されている。サブストレート静電プレート２０は一般に、サブストレート１０上に堆積された、例えば金のような簡単には酸化しない金属パッチである。スイッチ２４の作動は、後述する様式によって、隣接金属ストリップ４０間のギャップ１８を開閉する。
【００１１】
スイッチ２４の作動部２６は、サブストレート１０に固定された片持ちアンカー２８、および片持ちアンカー２８から延出する作動アーム３０を有している。作動アーム３０は、一端が片持ちアンカー２８に取り付けられ、かつ、サブストレート１０上の隣接金属ストリップ４０間のギャップ１８およびサブストレート静電プレート２０上に延出するような、浮いたマイクロ−ビーム(micro-beam)を形成する。片持ちアンカー２８は、例えば、デポジションビルドアップあるいは周囲の材料をエッチング除去することによってサブストレート１０上に直接形成される。あるいは、片持ちアンカー２８は個別の構成要素としての作動アーム３０を伴って形成され、そして、サブストレート１０に固定される。作動アーム３０は、二層片持ち（バイモルフ）ストラクチャを有している。機械的性能によって、バイモルフストラクチャは作動電圧に対して極めて高い率の変位を呈する。すなわち、比較的低いスイッチング電圧（約２０Ｖ）に応答して、比較的大きい変位（約３００マイクロメートル）がバイモルフ片持ちにおいて生成され得る。
【００１２】
作動アームストラクチャの第１層３６は、多結晶シリコンのような、半絶縁材料あるいは絶縁材料を含んでいる。作動アームストラクチャの第２層３２は第１レイヤ３６上に堆積された金属膜（典型的には、アルミニウムあるいは金）である。作動アームストラクチャの第２層３２は典型的にはスイッチの動作中には静電プレートして作動する。以降の記載において、「第２層」と「アーム静電プレート」という言葉は交換可能に用いられる。図３に示すように、第２層３２は片持ちアンカー２８に結合されており、そこから電気接点３４が形成された作動アーム３０上の位置に向って延出している。サブストレート１０上の片持ちアンカー２８の高さは公知の加工手法によってきつく制御されているので、第２層３２を片持ちアンカー２８に近接させて配置することは、サブストレート１０上の第２層３２の高さを対応して高い度合いで制御することを可能とする。スイッチ作動電圧はサブストレート静電プレート２０とアーム静電プレート３２間の距離に依存するので、望ましい作動電圧を繰り返し獲得するためには、静電プレート間の間隔の高い度合いの制御が必要となる。さらに、アーム静電プレートを含む第２層３２の少なくとも部分、及び、その上に第２層３２が形成されている対応する作動アーム３０の部分は、サブストレート静電プレート２０の上に位置しており、静電的な作動可能ストラクチャを形成している。典型的には、例えば、金、プラチナ、金パラヂウムのような簡単には酸化しない金属を含む電気接点３４が作動アーム３０上に形成され、かつ、隣り合う金属ストリップ４０間に形成されたギャップ１８に対向するようにアーム上に位置決めされる。
【００１３】
図２に示すように、光起電（ＰＶ）セル４２が各ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４に結合されており、各ＰＶセル４２は一対の電気接点を有している。ＰＶセル電気接点はサブストレートおよび、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチの静電プレート２０，３２にそれぞれ接続されている。図２と共に図４を参照すると、スーパーストレート４４は統合化された光導波ネットワーク４６を有している。好ましくは、スーパーストレートは、該スーパーストレート４４上に放射される関心のある周波数において、１ｄＢより小さい対無線周波数（ＲＦ）信号損失を提供し、効果的にスーパーストレート４４を無線周波数信号に対して透過性とする。サブストレート１０に結合された時に、スーパーストレート４４は、該サブストレート１０の上に位置されてかつ再構成可能なアンテナアレイ要素３８を組み込んだマイクロ波透過レドームを形成する。スーパーストレート４４は、光導波路ネットワーク４６の加工を支持することができるいかなる適切なＲＦ透過性半絶縁材料から構成することができる。適切なレドーム材料は、ガラスあるいはポリマーである。光導波路の設計及び加工は業界において周知である。例えば、"Ion-Exchanged Glass Waveguides: A Review,"by R. V. Ramasawamy and R. Srivastava, Journal of Lightwave Technology., vol. 6, no. 6, June 1988, pp. 984-1001また、"Integrated Optical Waveguides In Polyimide For Wafer Scale Integration", by R. Selvaraj, H. T. Lin, and J. F. Mcdonald, Journal of Lightwave Technology, vol. 6, no. 6, June 1988, pp. 1034-1044が参照される。統合化された導波路ネットワーク４６の加工は、比較的低い屈折率材料から構成されたマトリックス内の、一連の比較的高い屈折率の通路、すなわち導波路を形成することを伴う。比較的低い屈折率材料はクラッド層として機能し、比較的に高屈折率の導波路を入れるようになっている。導波路４８，５０は二つの手法のうちの一つによって適宜製造される。第１の手法は、スーパーストレート４４の表面上にチタニウムのような金属を堆積させ、標準のリソグラフィー技術を用いて導波路パターンを描き、スーパーストレート４４の温度を上昇させて拡散処理を起こして該表面上の材料をスーパーストレート内へと拡散させ、光屈折率をローカルに上昇させて導波部分を形成する。あるいは、スーパーストレート４４の表面の描写をフォトリソグラフィー技術を用いて行い、次いで該スーパーストレート４４内のある原子をソリューション中の原子で交換するためのソリューションに曝し、描写領域の屈折率を上昇させて、導波路４８，５０を形成する。こられの二つの手法の幾つかの組み合わせによって導波路４８，５０を形成してもよい。
【００１４】
統合化導波路ネットワーク４６は、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８及びＰＶセル導波路５０を有している。ＰＶセル導波路５０は、ＰＶセル４２を照明する目的のための光エネルギーを伝え、ＰＶセルの端子間にある電圧を生じさせるようになっている。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８は、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の直接の照明のための光エネルギーを伝える。各ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８はＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４で終端となりＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４を照明する。
【００１５】
各導波路４８，５０は、レーザやＬＥＤアレイのような光エネルギー生成手段５６に結合されている。図４に示す光エネルギー生成手段はＬＥＤアレイである。光は、ＰＶセル導波路５０あるいはＲＦ ＭＥＭＳ導波路４８から引き出され、スーパーストレート４４に形成された導波路タップあるいはグレーティングカプラのような周知の手段を通して、ＰＶセル４２あるいはＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４に仕向けられる。スーパーストレート４４がサブストレート１０に結合された時、そのようなタップやグレーティングカプラの一つがアンテナアレイ１２内の各ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の直上に位置して、スイッチ２４に対して光を仕向けるようになっている。
【００１６】
導波管タップ及びグレーティングカプラは関連分野において周知である。例えば、
Optical Integrated Circuits, by H. Nishihara, M. Haruna, and T. Suhara, McGraw-Hill Book Co., New York, 1989, pp. 62-95が参照される。当分野において知られている導波管タップの幾つかの例が、米国特許6,002,822および5,596,671に開示されている。導波路を通して伝達される光は、周囲のクラッド層材料よりも高い屈折率を有するコア光材料内に閉じ込められる。導波路タップは、一般に導波路コアに閉じ込められている光を、望ましい空間位置においてコアからリークさせる。導波効果は機械的あるいは化学的に破壊され、コアとクラッド層の間の屈折率の差をある距離に沿って低くする。当分野におけるグレーティングカプラの幾つかの例が、米国特許5,657,407および5,961,924に開示されている。グレーティングカプラの他の例が、S. Ura, T. Suhara, H. Nishihara and J. Koyama, "An Integrated-Optic Disk Pickup Device", Journal of Lightwave Technology, LT-4,913-917 (1986)に開示されている。グレーティングカプラは一般に光導波路の表面あるいは内部に設けた一連のグレーティングティースを有し、これらを通して光エネルギーが導波路の外へと放射する。グレーティングカプラは従来の電子線リソグラフィー技術を用いて製造される。
【００１７】
スーパーストレート４４とサブストレート１０の間の間隔は、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の機械動作のための適切な空間を許容する一方、サブストレート１０上に位置するＰＶセル４２あるいはＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４への焦点の合った光学的結合を確実に行えるような十分なものでなければならない。必要とされるちょうどの間隔は、採用されるＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の構成や用いられるＰＶセル４２のサイズのような要因に依存する。
【００１８】
スーパーストレート４４は、堆積されたあるいはエッチングされたスペーサを用いてサブストレート１０の上方に間隔を有して設けられる。ガラス導波路、したがってガラススーパーストレートの場合には、二酸化シリコンのような誘電材料がスーパーストレート上に堆積され、サブストレートからスーパーストレートの間隔を取るためのスタンドオフを形成する。他の手法としては、スーパーストレート上にガラススタンドオフを接着し、これらをスーパーストレートとサブストレート間の望ましい間隔を達成するのに必要とされる厚さまで研磨する。ポリマー導波路については、異なるポリマーからなる第２層が、導波路形成の後にスーパーストレート上に設けられる。そして、スーパーストレートから突出するスタンドオフを残すようにエッチングされる。
【００１９】
サブストレート１０に対するスーパーストレート４４の位置決めは、光導波路４８，５０の位置によって決定される。スーパーストレート４４に組み込まれた導波路タップやグレーティングカプラのフィーチャは、好ましくは、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４あるいはＰＶセル４２の直上に位置させることで、導波路からの光をデバイス２４，４２上に当てるようにする。サブストレート１０に対するスーパーストレート４４の位置決めを助けるため、光リソグラフィを用いてサブストレート１０上の対応するマーカと整列されるスーパーストレート４４上のアラインメントマーカを設ける。この位置決めは、光ファイバデバイスアセンブリにおいて用いられるタイプのマイクロメータや圧電性位置決めデバイスを用いることで可能である。
【００２０】
最適な光学的結合のため、サブストレート４４に組み込まれた導波路タップあるいはグレーティングカプラおよびサブストレート１０上の対応するＰＶセル４２あるいはＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４は、好ましくは、約２０ミクロンの径内で整列されていることが必要である。スーパーストレート４４に組み込まれた導波路タップ（あるいはグレーティングカプラ）とサブストレート１０上の対応するＰＶセル４２あるいはＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４との間の不整合は、サブストレート１０に対するスーパーストレート４４の配置及び結合において初期誤差をもたらす。さらに可能性のある不整合の原因は、サブストレート１０及び／あるいはスーパーストレート４４におけるメカニカルストレス、サブストレート１０とスーパーストレート４４の熱膨張係数の差によって生じる熱膨張差である。マスクアライナの使用のような既存の手法は、製作時において、整列に必要とされる精度を提供することができる。
【００２１】
好ましい実施例の動作について説明する。単一のアンテナ素子３８に存するＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の作動は、ＰＶセル導波路５０を介した光エネルギーの伝達によって行われる。光エネルギー生成手段５６（ここでは、スーパーストレート４４の端縁に配設されたＬＥＤアレイである）の部分によって生成される光は、公知の手段を用いることで光導波路ネットワーク４６に接続され、ＰＶセル導波路５０を通して伝わる。導波路タップは光をＰＶセル導波路５０からＰＶセル４２へと仕向け、ＰＶセル４２を照明する。
【００２２】
図８はＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４に接続されたＰＶセル４２の概要を示している。ＰＶセル４２は、ＲＳｅの抵抗値を有する外部的に提供された抵抗７２を通して、サブストレートプレート接点２１およびアームプレート接点３３に結合されている。サブストレートプレート接点２１はサブストレート静電プレート２０に電気的に接続されており、アームプレートコンタクトはアーム静電プレート３２に電気的に接続されている。ＰＶセル４２が照明されると、電圧ＶappがＰＶセル電気接点間に誘導され、相応して、サブストレートと、そのＰＶセル４２に接続されているＲＦ ＭＥＭＳスイッチ４２のアーム静電プレート２０，３２の間に誘導される。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチは、サブストレート１０上に配置されたサブストレート静電プレート２０と作動アーム３０上に配置された静電プレート３２の間の静電吸引によって閉じられる。
【００２３】
開状態のスイッチ２４において、ダイポールアンテナ素子３８を構成する隣り合う金属ストリップ４０間にはギャップが存在している。ＰＶセル４２の照明によって電圧Ｖappが静電プレート２０，３２間で誘導されると、アーム静電プレート３２は静電的にサブストレート静電プレート２０に向って吸引され、作動アーム３０をサブストレート１０に向って偏向させる。サブストレート静電プレート２０に向う作動アーム３０の偏向、図３において矢印１１で示す方向、は電気接点３４の隣り合う金属ストリップ４０への接触をもたらし、金属ストリップ間のギャップ１８を埋める。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４を閉じるのに必要とされる光の量は、ＰＶセル設計および必要とされる作動電圧に依存する。例えば、１５５０nm波長における１００ｐＷの照明は、InGaAsPVセルからの７Ｖ駆動電圧をもたらす。したがって、１０−２０ｍＷの光エネルギーは、一つのコラムの数十のＰＶセル４２を容易に作動させ、２０−３０Ｖのスイッチ作動電圧を提供する。一つのＰＶセル導波路４８からの光が一つのアンテナ素子３８に存在する全てのＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４につながれるようにタップされているので、第１の実施例の通常動作時には、全てのＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４が閉じる。
【００２４】
本発明の重要な観点は、スイッチが閉じた時であっても、サブストレート静電プレート２０とアーム静電プレート３２とが、アンテナ素子３８を構成する金属ストリップ４０から絶縁されており、そして、静電プレート２０，３２は誘電的に孤立しているということである。したがって、スイッチを作動させるのに定常バイアス電流を必要としない。また、定常ＤＣ電流がＰＶセル４２から流れないので（静電プレート間の電場を形成する過渡電流のみ）、ＰＶセル４２を小さくすることができる。直列に接続された複数のＰＶセル４２のアレイを用いることでより高い電圧Ｖａｐｐを得ることができる。
【００２５】
ダイポールアンテナ素子３８を再構成するためのＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の開放について説明する。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の開放は、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８を通した光エネルギーの伝達によって次に述べる様式で行われる。
【００２６】
作動電圧ＶａｐｐがＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４に印加されると、サブストレート静電プレート２０とアーム静電プレート３２との間に現れる電圧は、
ＶａｐｐＲｓｔ／（Ｒｓｔ＋Ｒｓｅ）
という関係によって与えられ、ここに、Ｒｓｔはサブストレート静電プレート２０とアーム静電プレート３２の間の半絶縁性サブストレート１０の抵抗であり（図８では抵抗７４として表してある）、Ｒｓｅは、メグオームのオーダの外部的に付加された直列抵抗７２（この抵抗は、ＲＦスイッチ２４と一体的に統合化される）である。ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４が照明されない時には、Ｒｓｔは直列抵抗Ｒｓｅよりもずっと大きく、ＰＶセル４２の照明によって生成される電圧の大部分がＲＦ ＭＥＭＳスイッチ静電プレート２０，３２間に現れる。
【００２７】
しかしながら、ガリウムヒ素や多結晶シリコンのような物質から構成される半絶縁サブストレートは光導電性である。したがって、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８からの光エネルギーが、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチアーム静電プレート３２からＲＦ ＭＥＭＳスイッチサブストレート静電プレート２０を絶縁する半絶縁サブストレート１０の部分に照明されると、サブストレート１０に伝達された光エネルギーｈｖはサブストレートを構成する原子の外側の価電子の均整をそれらの原子結合から自由となるように崩し、自由キャリアを生成させる。これらの自由電子は電流を運ぶ能力を有する。したがって、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４が照明されると、Ｒｓｔは光導電プロセスによって低減され、Ｒｓｅよりずっと小さくなる。結果として、静電プレート間の電圧降下Ｖａｐｐは、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４を閉じるのに必要なレベルよりも下まで落ち込み、スイッチを開放し、隣り合う金属ストリップ４０間の接続を妨げ、ダイポールアンテナ素子３８の共振長を変化させる。個々のスイッチ２４は、ＬＥＤアレイ５６における適切なＬＥＤを作動することで開放することができる。そして、ＬＥＤからの光は適切なＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８に接続される。
【００２８】
図７は、スイッチ２４が開となっているアンテナアレイの断面を示し、該スイッチはＲＦ ＭＥＭＳスイッチ導波路４８からスイッチを直接当てる光を有している。光導波路の典型的な幅は６−２５ミクロンであるので、光クロスカップリングを防止するために導波路幅の８倍の幅をもって導波路を離したとしても、１インチ当り何百もの光導波路がスーパーストレート４４の端縁から生じる。
【００２９】
アンテナアレイ１２の再構成可能なダイポールアンテナ素子３８の他の実施例を図５に示す。図５における配置は各アンテナ素子３８の代表である。ここで、一連のＰＶセル導波路はマトリックスを形成し、少なくとも、水平ＰＶセル導波路５４と垂直ＰＶセル導波路５２は各ＰＶセル４２を横切る。分離されたＲＦ ＭＥＭＳスイッチおよびＰＶセル導波路４８，５２，５４は、図６に示すように、スーパーストレート４４の一つあるいは複数の端縁に配設された光ＬＥＤマトリックス５７，５９によって照明される。光ＬＥＤマトリックスは、水平ＰＶセル導波路５４に光パワーを供給して制御する水平ＬＥＤマトリックス５９と、垂直ＰＶセル導波路５２及びＲＦ ＭＥＭＳ導波路４８に光パワーを供給して制御する垂直ＬＥＤマトリックス５７を有している。レーザ源のような他の光源を用いて導波路４８，５２，５４に光エネルギーを供給してもよい。
【００３０】
他の実施例の動作について説明する。他の実施例の動作については図５を参照することで良く理解される。最初に、全てのＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４が開放されている。これらのスイッチを作動するために、各スイッチがラスタ走査によって順次アドレス指定され、特定のスイッチ２４が閉じられる場合には適切なＬＥＤがＯＮとなるようになっている。個々のＰＶセル４２において、ＰＶセル４２の上に位置された各ＰＶセル導波路５２，５４はタップされており、導波路５２，５４を通して流れるの光の部分がＰＶセル４２に入射する。導波路タップ及びＰＶセル４２は、単一のＰＶセル導波路５２，５４からタップされる光によるＰＶセル４２の照明が、セル４２がスイッチ２４を閉じるのに十分な電圧を生成しないように設計される。したがって、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４を閉じるのに必要とされる光の量は、スイッチ２４を閉じるために、ＰＶセル４２の上方を横切る両方の導波路５２，５４から照明されなければならないようになっている。スイッチ静電プレートからのチャージのリークが小さければ（サブストレート及びＰＶセルの高抵抗によって）、ＰＶセル導波路５２，５４を通して流れる光がなくても、スイッチ２４はある長さの時間だけ閉を維持する。アレイ１２が再構成される時には、光は、ＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４の直上を横たわるＲＦ ＭＥＭＳ導波路４８を通って流れる。ＲＦ ＭＥＭＳ導波路４８におけるタップは、導波路４８からの光をＲＦ ＭＥＭＳスイッチ２４へと仕向け、スイッチ２４を照明する。そして、各スイッチ２４が放電するためのリーク路が形成され、全てのスイッチ２４は開となり、次のラスタ走査が準備可能となる。図面では光導波路４８，５２，５４が互いに９０度の角度で横切るが、一つの導波路から他の導波路へはエネルギーは連結されない。
【００３１】
本発明は、アンテナ素子に近接する金属バイアス線の複雑なネットワークを必要としないで、再構成可能なアンテナにおけるスイッチの信頼性のある作動を提供する。
【００３２】
本発明について特別な実施例に関連して説明したが、本発明の範囲を逸脱しないで当業者において数々の変更や改良が行われる。特に、サブストレート、スイッチの作動部、静電プレート、スイッチの作動部に形成された金属接点、アンテナ素子を含む金属セグメントは、所与の最終用途設計に適切な数々の材料を用いることで製造できる。サブストレート、スイッチの作動部分、静電プレート、スイッチの作動部に形成された金属接点、アンテナ素子を含む金属セグメントは数々の態様で形成される。したがって、本発明のこのような変更や改良は添付の特許請求の範囲の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の斜視図であって、再構成可能なアンテナアレイを組み込んだサブストレート、及び、一体化された導波路ネットワークを組み込んだスーパーストレートを示している。
【図２】本発明の好ましい実施例のアンテナアレイの代表的な再構成可能なダイポールアンテナ素子を示す。
【図３】本発明に組み込まれるであろう代表的なタイプのＭＥＭＳスイッチを示す。
【図４】再構成可能なアンテナアレイを組み込んだサブストレート、及び一体化された導波路ネットワークを組み込んだスーパーストレートを示す本発明の平面図である。
【図５】本発明の他の実施例の代表的な再構成可能ダイポールアンテナ素子を示す。
【図６】再構成可能なアンテナアレイを組み込んだサブストレート、及び一体化された導波路ネットワークを組み込んだスーパーストレートを示す本発明の他の実施例の平面図である。
【図７】本発明の作動を示すサブストレートとスーパーストレートの断面図である。
【図８】本発明に組み込まれるであろう代表的なタイプのＭＥＭＳスイッチに接続された代表的な光起電セルの概略図である。
【図４】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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