(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路の途中に使用する光スイッチ素子であって、
その第１の表面に少なくとも二つの光導波路区画を有する導波路基板であって、間隙と交差する端を有する第１および第２の導波路区画を備え、前記第１および第２の導波路区画は、前記表面に固定され且つ前記表面に全般的に平行である導波路基板と、
少なくとも一つのヒータを有するヒータ基板であって、前記ヒータ基板は、第１のヒータを備えたジェット機構を備え、前記第１のヒータが前記間隙と整列するように前記導波路基板に接合されており、前記ジェット機構は前記第１のヒータが起動されると前記液体を前記間隙内部に射出するように設置されているヒータ基板と、
前記間隙の内部にある排除可能な液体であって、前記第１のヒータに応答し、前記第１の導波路区画から前記第２の導波路区画までの光伝送が前記間隙の内部にある前記液体の有無によって決まるような屈折率を有する液体とを備えていることを特徴とする光スイッチ素子。
【請求項２】
前記ヒータ基板は結合層により前記導波路基板に結合されていることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ素子。
【請求項３】
前記間隙の前記ジェット機構とは反対の側に選択的に結合される真空圧力源を更に含み、前記ジェット機構により前記間隙の内部に向けられる液体が、前記真空圧力源と前記間隙との前記選択的結合により除去され得ることを特徴とする、請求項１に記載の光スイッチ素子。
【請求項４】
光路の途中に使用する光スイッチ素子であって、
その第１の表面に少なくとも二つの光導波路区画を有する導波路基板であって、間隙と交差する端を有する第１および第２の導波路区画を備え、前記第１および第２の導波路区画は、前記表面に固定され且つ前記表面に全般的に平行である導波路基板と、
前記間隙の内部にある排除可能な液体であって、前記第１の光導波路区画から前記第２の光導波路区画までの光の伝送が前記間隙の内部にある液体の有無によって決まるような屈折率を有する液体と、
前記液体を前記表面にほぼ垂直な方向に前記間隙から射出するように前記間隙に対して設置され、且つ熱エネルギを発生するための第１のマイクロヒータを備えた第１のジェット機構を備えている第１の半導体ヒータ基板であって、第１のマイクロヒータが前記間隙と整列するように前記導波路基板に接合されている第１の半導体ヒータ基板と、
前記間隙から射出された液体を受けとめるための室を備える第２の半導体ヒータ基板であって、前記室内の液体を前記表面にほぼ垂直な方向に前記間隙へと射出して前記間隙を埋めるように前記間隙に対して設置され、且つ熱エネルギを発生するための第２のマイクロヒータを備えた第２のジェット機構を前記室内に備えており、前記第２のマイクロヒータが前記間隙と整列するように第１の半導体ヒータ基板と対向して前記導波路基板に接合されている第２の半導体ヒータ基板とを備えることを特徴とする光スイッチ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般に光スイッチ素子に関し、更に詳細には、導波路またはファイバーの内部の光信号の経路を規定するスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号は電気通信システムおよびデータ通信システムの双方で切換えられる。回路切換えにおいて「非閉塞」光学クロスバースイッチの行列を使用すれば、並列入力光ファイバーの配列の任意の一つを出力光ファイバーの配列の任意の一つに接続することができる。用語「非閉塞（non-blocking)」は、スイッチ装置を通して既に確立された接続に関係なく、任意の自由入力ファイバーを任意の自由出力ファイバーに接続できる装置を指すのに使用される。パケット切換えにおいては、特定の入力ファイバーからの到来データパケットはパケットの宛先に基づき所定の出力ファイバーに伝えられる。入力ファイバーから出力ファイバーへのどのパケットの伝達も、両パケットが同じ宛先を共有していないかぎり、他のどのパケットの経路をも閉塞すべきではない。現在、信号を光学形態で伝える幾つかの市販回路スイッチを利用できる。しかし光学パケットスイッチは現在研究題目でしかなく、実際には光学パケットは信号を電気形態に変換して切換え、切換えが行なわれたあと電気信号を光学形態に再変換している。
【０００３】
光学回路切換えの多数の用途において、状態切換え時間は、光ファイバーがデータを高ビット速度で伝送している場合でも、問題ではない。光学パッチパネルの状態の変化は一般に非常に時たまにしか起こらないので、信号は長時間、所定入力から一つの宛先に伝えられる。圧電的に駆動されるシステムが設計され、もっと頻繁な状態の変化が必要な通信操作でパッチパネルに置き替っている。しかし、このようなシステムは大部分のデータ通信用途で費用効率的でない。
【０００４】
ジャッケル（Jackel）等への米国特許第4,998,157号は一層有望な方法を述べている。ジャッケル等の方法は電気化学的に発生される泡を使用する双安定光学スイッチングを設けることである。並列入力導波路および並列出力導波路は交差するように垂直角で基板上に形成されている。45°のスロットが各交差点を横断して形成されている。スロットには水、または屈折率整合液のような、流体が選択的に充填されている。電極がスロットに隣接して設置され、選択的に起動されて電解的に流体をガスの泡に変換する。泡が電解的に形成されるとスロットを横断する屈折率整合をすべて破壊し、スロットの側壁で光を反射させる。したがって、特定のスロットの内部で電解的に形成された泡は、光学データをスロットを横断して伝播させずに、スロットの位置で反射させる。触媒、反対極性の電気パルス、またはかなりな大きさの、同じ極性の電気パルスが存在すると泡が破壊し、したがってスイッチを透過状態に戻す。
【０００５】
非閉塞光学クロスバー・スイッチ装置を設ける際にジャッケル等が採用した方法は簡単であり、量算では廉価である可能性があり、従来の方法に比較して多数の長所を達成している。しかし、更に今後の改良を実現できる。流体として水を使用する場合、電解質は反射状態を作り出すためにＨ2およびＯ2の泡を発生するが、水自身が与える導波路との屈折率整合は僅少である。したがって、水を採用しようとすれば、クロストークが大きい。他の関心事は泡創製プロセスおよび泡除去プロセスが通信保護スイッチングの所要遷移時間に合わせるには遅すぎるということである。更に、スロットが広いので、透過損失がかなり多くなる可能性があり、側壁が粗いのでクロストークが大きいことが頻繁に生ずる。
【０００６】
カナイ（Kanai）等の米国特許第5,204,921号は電話局またはデータ通信局での主配線盤に自動パッチパネルを置き換えることを述べている。主配線盤は外部加入者の光学線路をジャンパ操作により局の光学線路に相互接続する。行列導波路は各交差点に溝を備えているので、溝に屈折率整合油が詰まっているか否かによって交差点を「オン」または「オフ」に切換えることができる。屈折率整合油の屈折率は導波路の屈折率に近い。導波路により伝えられる光信号は溝に整合油が詰まっているとき交差点を通過するが、溝が空のときは信号は交差点で全反射によりその方向を変える。交差点を接続したり切り離したりするジャンパ操作は指定座標で屈折率整合油を詰めまたは除去するロボットにより行なわれる。しかし、ロボットのジャンパ操作は高速でなく、そしてロボットは高価である。
【０００７】
非閉塞光学クロスバー・スイツチの他の用途では更に高い切換え速度が必要である。たとえば、電気通信保護スイッチングでは50msの状態変化が必要である。通常、データ・トラフィックは性格上バーストである。データはパケツトで送られ、ビット率が違えば関連する回路網が異なる。その上、データ・パケット内のバイトの数は一つの規格の中でさえ変わることがある。高速通信では各パケットを他と無関係に送る必要がある。受信器が光学スイッチのコントローラに個別パケットを送るように要求を発生している状態で、制御信号の小部分を補助光検出器受信器に転流することにより個々の光学パケットの宛先を読取ることができる。光学パケットのスイッチが状態を急速に、たとえば、約10μs、または更に短い時間内で、変えることができることが望ましい。
【０００８】
代替案として、光入力および光出力を有する電子スイッチがデータ通信の必要性を満たすために設計されている。しかし、多数の宛先が必要な場合には、多数のポートを備えた電子スイッチを購入せねばならない。高速動作では、各入力ポートに光検出器が必要であり、各出力ポートに高速レーザ、または発光ダイオードが必要であり、したがって電子スイッチを利用すれば光電子変換機器に多くの投資が必要になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
多数の形式の光学スイッチが公表されている。しかし、公表されている方法のほとんどは高速通信の要件に合わず、多重ファイバに拡張できない。多数の光学スイッチは光を転流するのではなく、光を消して…信号を消滅させて…いる。或る転流光学スイッチは、光源の背後などの、適切な方向に光を向けなおしている。大部分の光学機械式スイッチによる状態の変化は電気通信保護用途には鈍感すぎる。通常の導波路干渉スイッチはある区域の屈折率を変えるのに幾つかの機構を使用し、それにより加算干渉と減算干渉の間で動作を切変えている。屈折率変化に頼るこれらのおよび関連の導波路スイッチはファイバー数の多いスイッチについて基板上の広い表面積を消費する。残念なことに、大部分の基板は高価である。ポリマ導波路基板は幾らか費用を節約するが、制御不能の縮みおよび高い信号減衰のような問題を生ずる。導波路の屈折率の変化に頼るスイッチでクロストークを低くすることも困難である。他の或るスイッチはソリトンでのみ動作するが、ほとんどの回路網はソリトンでないパルスを使用している。
【００１０】
必要なのは透過状態と転流状態との間を確実に遷移でき、それにより光学信号線間の光通信を制御する光スイッチ素子およびスイッチ装置である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
光スイッチ素子は熱的に起動され、液体を第１の光導波路と第２の光導波路との交差点にある間隙から変位させる。この起動は間隙の中の液体を蒸発させることによりまたは溶解ガスが入っている流体をガス抜きすることにより泡を作るヒータにより行なわれる。これらの効果の組合せは、ガスがコア形成の場所を提供して蒸発を促進するので、有益である。間隙は各導波路を、ＡおよびＢと呼ぶ二つの同軸区画に分離する。交差点に液体を充填すると光は第１の導波路の区画Ａから同じ導波路の区画Ｂに連続する。しかし、交差点にガスを充填すると屈折率不整合を生じ、光を交差点で第１の導波路の区画Ａから転流させる。光の転流は好適には第２の導波路の区画Ｂの方向であり、熱起動により光が第１の導波路の区画Ａから第１の導波路の区画Ｂに入るか第２の導波路の区画Ｂに入るかが決定される。好適実施例では、入力光導波路と入力導波路と交差する出力光導波路との間の光通信を制御するための光スイッチ素子の行列が存在する。「導波路」は光ファイバーでよいが、一般的には基板上に製作された導波路構造である。
【００１２】
変調器の実施例では、間隙により区画ＡおよびＢに分割された単独導波路が存在する。動作および物理的構成は一般に二つの導波路を備えている実施例と同じであるが、二つの区画の間の間隙にガスが詰められているとき光は第２の導波路に転流されない。
【００１３】
光スイッチ素子の製作中に導波路構造をヒータ構造に結合することが好ましい。結合ステップの前に、光導波路を導波路構造上に形成し、マイクロヒータをヒータ構造上に形成する。二つの構造を位置合わせしてマイクロヒータを導波路の交差点に設置し、次に両構造を共に結合する。随意選択的に、各交差点の「上方」にキャップを形成して泡の過成長を阻止することができる。
【００１４】
熱的に起動される各光スイッチ素子をインクジェット印刷に使用されている技法を利用して動作させ、流体を一つの場所から他の場所に爆発的に放出することができる。他の実施例では、熱的に起動された光スイッチ素子はトレンチ内の小さい泡を蒸発させて光信号を一方の導波路から他方の導波路へ転流している。泡をガス抜きにより形成することもできる。これら実施例の各々において、マイクロヒータは、光導波路の屈折率と実質的に一致する屈折率を有する液体と接触している。温度を上げると屈折率が小さくなり、これにより特定の温度で全反射を得ることができる。受容可能な装置はＳiＯ2導波路をシリコンまたはシリカの基板上に形成し、ＳiＯ2導波路を通してトレンチをエッチしスイッチを動作させる流体を与え、液体がヒータに流入しそしてヒータから流出するための経路を与えるものである。代わりに、液体流路を導波路のシリコン基板を通してエッチすることができる。他の流路も可能である。
【００１５】
別の実施例では、間隙にその屈折率が導波路の屈折率に整合する固体が詰まっている。温度が上昇するにつれて、屈折率は減少し、全反射が可能となる。一実施例では固体が高温で融けて液体になることができる。
【００１６】
光スイッチ素子に使用するのがインクジェット、泡、の技法であるかまたは固体の技法であるにせよ、マイクロヒータが基板上に形成され、屈折率を変えて内部全反射を活性にするための作動機構は熱的である。液体スイッチのマイクロヒータは個別にアドレスされて二つの光導波路の交差点にある間隙の中の液体を変位させる。
【００１７】
一実施例では、光スイッチ素子は屈折率整合液体を二つ以上の光導波路区画間の間隙内に射出するジェット機構に関連して動作する。光スイッチ素子の行列については、ジェット機構の配列を導波路から離して設置されている第２の基板に沿って形成することができる。ジェット機構のマイクロヒータが起動されると屈折率整合液体の薄層が急速に加熱される。液体がその過熱温度限界に達すると、物質はもはや液体状態で存在できない。液体は急速に蒸発し、ピストンと同じように働く圧力波を作って液体の抑制された体積を隣接導波路間の関連間隙内に発射させる。間隙に達すると、表面張力または他の力が屈折率整合液体を間隙内部に保持するので、光スイッチ素子は透過状態にある。反射状態に切換えるために、他のインクジェット類似作動機構により屈折率整合液を間隙から排除することができる。この実施例では、光スイッチ素子を無限時間透過状態または反射状態に保持し、その状態を停電でさえ保持している。他の実施例では、ジェット機構の配列とは反対の導波路構造の側に真空圧力を加えることができる。しかし、この実施例では、各光スイッチ素子は常時反射状態であり、短時間だけ透過状態にすることができるが、これは入力導波路および出力導波路の交差配列による電気通信またはデータ通信については好ましい状況ではない。充分小さく、充分速い、確実なマイクロ弁が利用可能になれば、それをトレンチと真空圧力源との間に使用して流体を長期間トレンチ内に保持できる。
【００１８】
常時透過状態の実施例は個別にアドレスし得るマイクロヒータを基板上に形成し、得られた構造を導波路層に取付け、マイクロヒータが起動されると屈折率整合液体を導波路間の間隙から発射している。たとえば、導波路が水平面内にあれば、液体は垂直に発射される。光スイッチ素子は液体が発射されるまで透過状態のままでいる。発射後毛管力を利用して室に再充填することができる。代わりに、液体の発射により流体を第２のマイクロヒータを有する第２の室に移動させることができる。このとき元来の室の再充填は第２の個別にアドレスし得るマイクロヒータに電力を供給することにより行なわれる。したがって、この実施例を使用してプッシュプル装置が得られる。
【００１９】
他の実施例では、光導波路が第１のジェット機構を有する上部基板に形成されている。下部基板には毛管作用を用いる屈折率整合液を備えた第２のジェット機構がある。光スイッチ素子を下部ジェット機構を作動させて上部ジェット機構の室を満たし且つ同時に光導波路間の間隙を埋めることにより、反射状態から透過状態に変える。透過状態から反射状態への切換えは上部ジェット機構を発射させ、発射された屈折率整合液を続いて毛管作用により液体貯蔵部に戻すことにより行なわれる。インクジェット技法を使用する更に他の実施例では、下部ジェット機構を発射させて上部ジェット機構の室を満たし、光スイッチ素子を透過状態になるようにするが、上部ジェット機構を起動すると液体が、下部ジェット機構の方へではなく、上方に発射される。下部ジェット機構は続いて毛管作用により再充填される。
【００２０】
インクジェットの方法ではなく、泡の方法を使用すれば、光学的スイッチングの複雑さが更に少なくなる。光スイッチ素子を屈折率整合液に単に浸す。マイクロヒータが屈折率整合液を蒸発させて光導波路間の間隙に蒸気泡を形成する。蒸気泡が形成されてしまうと、泡を更に低いヒータ電流で維持することができる。透過状態に戻したいときは、マイクロヒータへの電流を切れば蒸気泡が凝縮する。この機構は電気通信保護スイッチングの用途には充分急速なはずであるが、ジェット機構程急速ではない。スイッチング速度は光導波路間の交差点から離れた位置に第２のマイクロヒータを設けることにより更に速くなる。第２のマイクロヒータによる泡の形成はこのとき阻止蒸気泡を交差点から強制的に除去するように働く。
【００２１】
インクジェット法および蒸気泡法に加えて、マイクロヒータをガス泡操作法を実施するのに使用することができる。この実施例では、マイクロヒータを、流体を蒸発させるのに必要な温度より低いが、流体をガス抜きして泡を形成するのに充分な高さの温度にする。第１のマイクロヒータを、泡が第１の導波路と第２の導波路との間の交差点に泡があるような位置に設置し、それにより第１の導波路を出る光を転流させる。光スイッチ素子を透過状態に戻すには、導波路交差点から離して設置されている第２のマイクロヒータを活性にし、第１のマイクロヒータを不活性にする。第２のマイクロヒータは泡を交差点から引出す。第２のマイクロヒータは、「溶解」ガス泡が蒸気泡と違ってマイクロヒータが「オフ」にされてからも存続しているので、必要である。この実施例に使える液体にはＭピロル（ＮＭＰおよび１-メチル、2-ピロリジノンとも言われている）または イソプロピルアルコールおよびグリセロールがある。
【００２２】
本発明は好適に光スイッチ素子の配列を形成して交差する入力光ガイドと出力ガイドとの間の光通信を調整するのに好適に使用されるが、これに限定されるものではない。光スイッチ素子を他の用途、たとえば、二つだけの交差光導波路の光伝送を行なうのに、または単一入射導波路から出力導波路の線形配列のどれかへの入力を制御するのにも、使用できる。
【００２３】
本発明の長所は固体物体間に摩擦が存在しないことである。泡を吹き飛ばしたり、泡を前後に移動させることは本質的に簡単なマクロ動作である。光スイッチ素子は「消光」させるのではなく「転流」しており、比較的偏光依存性がない。本装置はコンパクトで、クロストークガ少なく、多重ファイバーに拡張可能であり、製造するのに廉価である。
【００２４】
【発明の実施例】
図１を参照すると、光スイッチ10は基板上に形成されている。基板は好適にはシリコン基板であるが、シリカのような他の材料も使用できる。シリコン基板の長所は光スイッチを形成するのに集積回路製作技法を使用しやすいこと、およびエッチして基板の平面に垂直な流路のためのトレンチを形成することができることである。
【００２５】
光スイッチ10は、下部クラッド層14により形成される平面状導波路、コア16、および上部クラッド層18を備えている。製作中、材料のコア層が堆積され、エッチされて二つの交差導波路を形成する。第１の導波路の入力区画20は同じ導波路の出力区画26に伝送するように整列され、第２の導波路の入力区画24は第２の導波路の出力区画22に伝送するように整列される。導波路区画20-26の端は間隙27で交差してい る。図２を参照して下に更に説明するように、スイッチ10はスイッチ配列内の単一光スイッチ素子である。
【００２６】
日立電線、オハイオ州コロンバスにあるホトニック・インテグレーション・リサーチ・インコーポレーテッド（ＰＩＲＩ）、およびＰＩＲＩの親会社日本電信電話会社はシリコン基板上にＳiＯ2により導波路を形成する能力を実証した。コア16をＳiＯ2を主体とするがＧeまたはＴiＯ2のような他の材料を含む材料でも形成できる。クラッド材料14および18を、ＳiＯ2を主体とするがＢ2Ｏ3および/またはＰ2Ｏ5のような他の材料を含む他の材料からも形成できる。コア材料の屈折率はクラッド層14および18の屈折率と異なるから、光信号は光導波路20-26に沿って案内される。上述の諸会社は導波路を通して滑らかで（粗さ約200Å）真直ぐな（垂直から１°未満）側壁を備えたトレンチをエッチすることができる。トレンチをシリコン基板まで導波路を通してエッチし下げることができる。
【００２７】
導波路区画20-26を通してそれらの交差点にエッチされたトレンチ28は間隙27を形成する。導波路区画はトレンチ28とトレンチに蒸気またはガスを詰めたときの全反射の臨界角より大きい入射角でトレンチ28と交差する。したがって、全反射（ＴＩＲ）は屈折率整合材料が第１の導波路の整列区画20と26との間の間隙27の中に設けられていないかぎり、光を第１の導波路の入力区画20から第２の導波路の出力区画22に転流する。出力区画の角度は、入射角が反射角に等しいので、トレンチへの入力区画の入射角に合うように選定されている。トレンチ28は理想的には、トレンチの一つの側壁が両導波路の軸の交差点を直接通過するように二つの導波路に対して位置決めされている。このとき、光は導波路間を（たとえば、20から22へ）最小損失で偏向することができる。
【００２８】
今度は図２を参照すると、光スイッチ素子の４×４行列32が図示されている。この装置では、四つの入力導波路34、36、38、および40のどの一つも四つの出力導波路42、44、46、および48の任意の一つに接続できる。スイッチ装置はしたがって電気通信用またはデータ通信用の非閉塞光交差接続スイッチング行列である。16個の光スイッチ素子の各々は屈折率整合液が存在しないときＴＩＲを生ずるトレンチを備えている。入力導波路に対するトレンチの角度が入力導波路から出力導波路へのＴＩＲを生ずるように選定されているからである。しかし、図２の導波路の一つの共線区画間のトレンチに屈折率整合液体が詰められていれば、光スイッチ素子は透過状態にある。液体の詰まったトレンチは配列を成す光導波路の交差点を通って所定角度で延びている細線により表されている。他方、屈折率整合液が存在しないトレンチは交差点を通る太線により表されている。
【００２９】
図１および図２の入力区画20は空トレンチ28で反射した結果、出力区画22と光連絡している。入力導波路34を出力導波路44と連絡させる他のすべての交差点は透過状態にあるので、入力導波路34で発生される信号は出力導波路44で受信されることになる。同様に、入力導波路36は第１の出力導波路42と光学的に接続され、第３の入力導波路38は第４の出力導波路48と光学的に接続され、第４の入力導波路40は第３の出力導波路46と光学的に接続される。
【００３０】
図２では入力導波路34-40が、45°の入射角でトレンチと、また90°の角度で出力導波路42-48と交差している。しかし、他の角度も可能である。最も効率良い動作では、入力導波路でのすべての光線のトレンチへの入射角を全反射に対して充分大きくすべきである。実際問題として、トレンチへの60°の入射角は標準の多重モード導波路に適応する。
【００３１】
先に記したように、スイッチ10を製作してスイッチング行列32を形成する好適方法は集積回路処理技法を使用することである。平面状導波路は多数の同一導波路形体を作るのにマスキング、堆積、およびエッチングのような技法を使用している。これにより多数の入力/出力接続を有する非閉塞スイッチ装置が可能になる。製作法を図２０−図２６を参照して以下に一層詳細に説明することにする。
【００３２】
Ｍ×Ｎスイッチ装置では、潜在的にＭＮ個のスイッチ点が存在する。個別光学部品により実施すれば、ＭＮ箇所の精密な位置合わせを行なう必要がある。しかし、平面状導波路法を使用することにより、ＭＮ箇所の位置合わせはフォトリソグラフィ処理により同時に行なわれる。これにより入力ファイバおよび出力ファイバを入力および出力導波路34-48に正しく位置決めするのにＭ＋Ｎの位置合わせが残る。好適には、導波路は250μmの間隔を有し、それによりファイバ・リボン・ケーブルとの相互接続が容易になる。ファイバ・リボン・ケーブルを使用すれば更にファイバをスイッチング行列32に結合する際の位置合わせが容易になる。
【００３３】
図１の転流法に加えて、本発明を変調器を施工するのに利用できる。すなわち、区画20および26だけが残るように、第２の導波路を削除すれば、トレンチ28の中の屈折率整合流体の有無により入力区画20からの信号が出力区画29に伝送されるか否かが決まる。屈折率整合流体が存在しない場合、信号は転流されるが、それは第２の導波路に転流されない。
【００３４】
図３は導波路基板50に垂直な液体運動を制御するのにインクジェット技術を使用する一実施例の簡易概略図である。図は上述の形式のクラッド層およびコア層により形成された７つの導波路区画52、54、56、58、60、62、および64を示している。隣接する区画は、屈折率整合液が隣接区画間に存在しないかぎり、区画間光伝送を阻止する間隙により分離されている。図３では、区画56および58だけが光学的に連絡している。
【００３５】
個別にアドレスされるジェット機構66が光導波路区画52-64の間の間隙と整列している。各ジェット機構はマイクロヒータを備えている。随意選択で、マイクロヒータは感熱式インクジェット印字ヘッドのジェット機構と同じ仕方で形成される。制御回路68はジェット機構の活動を調整する。
【００３６】
先に記したように、屈折率整合流体は区画56と区画58との間の間隙に垂直に設置されているので、間隙および間隙と関連するジェット機構を含む光スイッチ素子は透過状態にある。対照的に、残りの５個の光スイッチ素子は反射状態にある。屈折率整合液を最初の２個のジェット機構から区画54とその二つの隣接区画52および56との間の間隙の方に射出されているように図示してある。屈折率整合液が最初の三つの間隙から排除されないかぎり、導波路区画52は区画58と連絡している。
【００３７】
液体排除の進展も図３に示されている。真空源が導波路基板の下側に接続されている。隣接する導波路区画52-64の間の間隙への開口70が貫通穴をエッチすることにより導波路基板を貫いて形成され、それにより導波路平面に垂直な液体流路が作られている。好適実施例では、前記間隙は真空源により個別にアドレスされ得る。屈折率整合液は、真空源を特定の間隙に選択的に接続することにより二つの導波路区画52-64の間の特定の間隙から排除される。たとえば、光導波路区画58と60との間の間隙はほんの最近、液体を間隙の下の開口70に引き込むことにより透過状態から反射状態に切換えられている。区画58と60との間の光学的連絡は屈折率整合液の第２の塊を軸方向に整列したジェット機構66から射出することにより再び確立することができる。マイクロ加工弁を使用して液体の流れを制御し、液体を間隙の中に所定期間保持できる。しかし、実際問題として所要の250μmのファイバ間隔で動作するに充分な小さいマイクロ弁技術はあまり信頼性がない。他の実施例では、屈折率整合流体は表面張力により二つの隣接区画間の間隙に短時間留まっている。随意的に、導波路層の表面を、液体が間隙の内部を除きあまり濡らさないように処理できる。これにより流体が隣の間隙に溢れ出る可能性が減少する。したがって、マイクロ弁は不必要である。しかし、大部分のスイッチは大部分の時間反射状態にある、実際には、図２に示すように、スイッチの大部分を大部分の時間透過状態におくべきであるが。
【００３８】
ジェット機構66の配列は、ジェット機構を間隙に対して接着剤で結合してまたはクランプ機構により整列位置に保持して、導波路基板からスペーサ74により離して設けられている基板72に設置されている。スイッチ装置の正しい動作にはジェット機構を隣接導波路区画52-64の間の間隙の配列と精密に位置合わせすることが必要である。導波路基板50の下に真空源に接続するための穴を有するハウジング76がある。しかし、先に記したように、好適実施例は間隙の下の６個の開口70が真空源により個別にアドレスされ得るものである。
【００３９】
図４は光スイッチ素子78の他の実施例を示す。この実施例では、スイッチは常時透過状態である。ヒータ基板80はインクジェット製作と非常によく似た仕方で製作できる多数の層82およびヒータ84を備えている。すなわち、ヒータおよびその保護層をインクジェット・ヒータ製作の技術を使用して設置できる。一例として、ヒータの抵抗器をＴaＡlで形成でき、参照数字82により表されている層は、ＳiＯ2の熱的アンダーレイ、アルミニウム導体、ＳiＣx+ＳiＮx電気的パッシベーション層、および耐キャビテーションＴa被覆を備えることができる。これらの材料は流体が存在しているとき良好な信頼性を実証している。しかし、他の材料を使用してもよい。
【００４０】
層82の上部には所定量の液体90を保持する室壁88を形成する構造を与える層86がある。層86をインクジェットに使用しているのと同じ印刷回路板はんだマスク材料から構成できる。代わりに、ホスホシリケート・ガラスを利用することができる。ヒータ84への導線を形成するために層82の間にある導体を基板80の表面に沿って延伸しているように図示してあるが、基板を貫く導線を形成することも可能である。基板を貫くと、たとえば行列アドレス機構を使用して上部でアドレスできるより大きいスイッチ配列にアドレスできる。
【００４１】
導波路基板92は一対の導波路94および96を備えることができる。この二次元側面図において、構成要素96は、光スイッチ素子が図５の反射状態にあるとき第１の導波路の一区画からの入力信号が第２の導波路の区画に転流している状態の、二つの導波路の各々の一つの区画を表している。構成要素94は、光スイッチ素子が図４の透過状態にないかぎり構成要素94の二つの区画が構成要素96の二つの区画から光学的に絶縁されている状態の、第１および第２の導波路の他の二つの導波路区画を表している。たとえば、導波路96は図１の導波路区画20および22を表すことができ、一方導波路94は図１の導波路区画24および26を表すことができる。トレンチを二つの導波路の間の間隙と整列している導波路基板92の中に形成されているように図示してある。導波路基板を、導波路94および96の「上部」クラッド層が室壁88を形成する層86と接触している状態で、転倒した位置で示してある。一般に、「上部」クラッド層は層86に結合される。室壁を形成でき且つ導波路に結合できるに適した材料は写真作像可能な（photoimageable)ポリマである。代替実施例では、接着を促進する層（図示してない）を結合ステップ前に導波路上に設けることができる。他の実施例では、導波路構造をヒータ構造にクランプすることができる。
【００４２】
図４の光スイッチ素子78では、屈折率整合液90が導波路の区画94と96との間の間隙を埋めているので、透過状態にあるように図示してある。液体の屈折率は光導波路の屈折率と実質上合致している。その結果、光信号は一つの導波路から他の導波路へ伝えられる。他方、同じ光スイッチ素子78を図５では、反射状態にあるように示してある。ヒータ84に電力を加えると、液体は蒸発し始める。短期間間隙がノズルとして働き、液体が室および導波路間の間隙から射出される。導波路および液体の無い間隙との境界面で生ずる屈折率の不整合があれば入力信号は転流される。
【００４３】
図４および図５の実施例では、射出された液体90を貯蔵部材に戻すことができる。貯蔵部材はスポンジでよい。貯蔵部材は層86を通る流路98と接触しているので層86により形成されている室は毛管作用により再充填される。再充填により光スイッチ素子は図４の透過状態に戻る。弁または他の手段の介在がなければ、この再充填は10から1000μsかかる。図４および図５の実施例は常時透過の一つである。流路98にあるマイクロ弁は光スイッチ素子を長い時間反射状態のままにしておくことができる。
【００４４】
光学的スイッチ素子100のプッシュプル実施例を図６および図７に示す。光スイッチ素子は図６では透過状態にあり、図７では反射状態にある。プッシュプル構成では透過と反射との間の高速な切換えが可能である。最大切換え速度はマイクロヒータ102および104が冷える速さの関数である。マイクロヒータの冷却割合を、ヒータと、熱だめとして働く、それらの基板との間の層を変えることにより或る程度制御することができる。
【００４５】
光スイッチ素子100を三つの基板110、112、および114の間の二つの結合を使用して製作することができる。下部マイクロヒータ基板110は図４および図５の基板80のものと同じである。導波路基板112は上述の導波路基板と同様であるが 、一般にそれより薄い。今度も、116および118で表されている二つの交差導波路の「上部」クラッド層は屈折率整合液体122を貯蔵するための室を形成する層120に結合されている。上部マイクロヒータ基板114は導波路基板112に結合される室形成層124を備えている。図示してないが最初に液体を供給するためのおよび必要なとき液体を補給するための手段を提供する流路が存在してよい。
【００４６】
光スイッチ素子100を図６の透過状態から変えるために、下部マイクロヒータ102を生かして屈折率整合液122の蒸発を開始させる。液体が適格な温度に達すると、液体は、図７に示すように、上部室まで押し上げられる。この状態で、116および118で表されている導波路区画の間の間隙には液体が全く無く、したがって光スイッチ素子が反射状態にある。上部マイクロヒータ104に電力を供給して液体を下方に押し下げることにより透過状態へ急速に戻すことができる。代わりに、光スイッチ素子を長い時間反射状態のままにしておくことができる。流体流およびメニスカスの細部は液体と接触することになる材料の濡れ性によって変わる。液体を所要室内に保持するために、光スイッチ素子を重力の影響を受ける可能性の少ない向きで動作させるのが望ましい。たとえば、光スイッチ素子を図６および図７の向きに対して90°回転させることができる。しかし、光スイッチ素子の向きに関係なく、重力の影響は少ないようである。最初の急速放出の後マイクロヒータを通る電流を低くし続けることも泡および流体の場所を制御する上で補助となり得る。随意選択的に、高抵抗毛管充填ポートを追加して室を満たし、素子の内部を清浄状態に維持し、充填後液体のガス抜きができるようにすることもできる。
【００４７】
今度は図８および図９を参照すると、光スイッチ素子126の他の実施例が図 示されている。光スイッチ素子126の素子の大部分は図６および図７の光スイッチ素子100の素子と同一であるから、参照数字を繰り返してある。しかし、光スイッチ素子126には別の層128がある。図９の反射状態では、追加層128は 、図９に示す位置におけるメニスカスを不動にするように、上部室の形状にピンチオフ点を与える。その結果、光スイッチ素子は上部マイクロヒータ104に電力が供給されるまで反射状態のままでいる。ピン止め層128を形成するのに使用可能な材料は電鋳ニッケルである。
【００４８】
インクジェット技術を取入れたなお他の実施例を図１０および図１１に示す。この実施例では、選択的に結合させようとする二つの導波路130および132は上部ジェット機構のヒータ134に更に近づけて取付けられている。光スイッチ素子136を図１１には、屈折率整合流体138が二つの導波路の間の間隙の内部に存在するので、透過状態にあるとして示してある。しかし、上部マイクロヒータ134に 電力を供給すると、流体は蒸発し始め、急速に下方に放射される。光スイッチ素子は、半導体ウェーハのような、４個の基板140、142、144、および146を備えている。中央の２個の基板142および144は互いに間を隔てて設けられている。上部ジェット機構から射出された流体は基板142にある開口の漏斗構成により案内されて、下部室に入る。下部室に放出された流体は毛管作用により溝152を通って供給液貯蔵部材内に逆に引き込まれる。しかし、基板142と144との間の間隔は上部ジェット機構の室の毛管再充填を妨げるのに充分な大きさである。間隔はまた毛管作用が流体を最上部室からまたは再充填屈折率整合流体148を有する下部室から間隔内に引き込むのを妨げるのに充分な大きさである。100から1000μmの範囲の間隔が充分であると考えられている。
【００４９】
図１０は、屈折率整合流体が導波路130と132との間の間隙から射出されてしまっているので、反射状態にある光スイッチ素子を示している。しかし、下部室にある流体148は上部室内に射出されて光スイッチ素子をその透過状態に戻す ように置かれている。メニスカスは基板142に形成された砂時計構成の「くびれ 」で不動になっている。このような構成はシリコン基板の反対側から同じマスクを用いて（100）方位のシリコンの薄片をウェット・エッチングすることにより得ることができる。下部ジェット機構のヒータ150を生かすと、流体148は上部ジェット機構の室の中に射出され、光スイッチ素子を図１１の透過状態に戻す。下部室は流路152により流体の貯蔵部材に接続されているので、下部室は毛管作 用により図に示すメニスカスのレベルまで充填された状態を続ける。換気穴154 が最上部基板146を貫いて形成され、上部ジェット機構がガス泡に捕らえられる可能性を少なくしている。
【００５０】
図１２および図１３の実施例は光スイッチ素子156が二つの上向きジェット機構を備えているものである。光導波路158および160は室を形成するようにエッチされた基板層162に形成されており、得られる導波路構造は基板164を備えているヒータ構造に結合される。図４を参照して前に記したように、二次元図面の各導波路は二つの導波路区画を表している。この注記は下に参照する側断面図にも適用される。二つの区画を互いに90°傾けることができるが、他の角度も可能である。ヒータ基板164の下側の漏斗構成は、光スイッチ素子の上部および下部にある室の間の流体体積が不整合である場合に余分の流体を収容できる。導波路158と160との間の間隙を光伝播の方向に狭く、たとえば5μmと25μmとの間に 、すべきである。しかし、垂直方向では、すなわち、図面に垂直な方向では、流体抵抗を最上部室への下部入口の流体抵抗より小さくしておくために、広くすべきである。
【００５１】
二つの導波路158と160との間の間隙の内部に屈折率整合液が存在しないので、光スイッチ素子156を図１２では反射状態で示してある。他方、図１３は液体の詰まった状態にある最上部室および導波路間の間隙を示している。したがって、光スイッチ素子は透過状態にある。最上部室は下部基板168にある下部マイクロヒータ166に電力を供給することにより充填される。ポリマ層172およびオリフィス形成層174により形成された下部室にある屈折率整合液170は上向きに最上部室内に発射される。下部室は流路176により毛管作用で再充填される。
【００５２】
光スイッチ素子156は上部マイクロヒータ178に電力を供給することにより図１２の反射状態に戻る。液体180は二つの導波路158と160との間の間隙を通って上方に発射される。
【００５３】
光スイッチ素子156の下部ジェット機構の室およびノズルの寸法を、下部室 内の液体170が室から完全に放出されないように選定できる。下部ジェット機構により放出される流体の体積を上部室を完全に満たす充分な大きさであるが、同時に充分な流体が下部室内に保持されて、必要なら、追加流体を急速に射出できるように選定する。下部室からの第２の射出は好適には第１の射出後20μsより遅くない。
【００５４】
図３−図１３に示す実施例は液体流を導波路平面に垂直な向きにするのにインクジェット技法を採用したジェット機構を利用している。他方、図１４および図１５の実施例、図１６および図１７の実施例、および図１８および図１９の実施例は泡技法を利用している。これら三つの実施例の第１および第２のものでは、マイクロヒータに選択的に電力が供給されて全反射を生ずる蒸気泡を形成している。ヒータへの電流を止めることによりスイッチを透過状態に戻し、それにより泡を凝縮させて壊すことができる。図１８および図１９の実施例では、一対のヒータを使用して所定位置間に熱的に発生されたガス泡を操作し、それにより素子を透過状態と反射状態との間で変化させている。
【００５５】
図１４および図１５の泡光スイッチ素子182は、その上にマイクロヒータ186が製作されるシリコン基板184を備えている。別の実施例では、ガラスのような、他の形式の基板を使用できる。トレンチで隔てられた一対の交差導波路188および190が第２の半導体またはシリカのウェーハ194の上に製作されている。第２の半導体ウェーハは転倒位置で図示されているので、導波路188および190の「上部」クラッド層は下部基板184のスペーサ層192に結合されている。スペーサ層は好適にはインクジェット室の壁を形成するものと関連している粘着性ポリマであるが、ホスホシリケート・ガラスを使用してもよい。導波路基板194に開口がエ ッチされている。導波路間のトレンチおよび間隙はマイクロヒータ186と整列している。光スイッチ素子182の固体部分は屈折率整合液196に浸されている。マイクロヒータ186に電力を供給すると、屈折率整合液196は蒸発を始める。図１５の二つの導波路188と190との間の間隙に蒸気泡198が形成される。蒸気泡は、光信号を、透過させるのではなく、反射させる屈折率の不整合を生ずる。一旦蒸気泡が形成されると、マイクロヒータ186への電流が、泡を壊さずに、低レベルまで減少する可能性がある。しかし、光スイッチ素子182を図１４のその透過状態に戻そうとする場合には、マイクロヒータへの電流を止め、蒸気を凝縮させる。
【００５６】
マイクロヒータ186を下部基板184の上面に形成されているように図示してある。代わりに、シリコン基板に浅い窪みを形成して流体を集めることができ、またマイクロヒータを電気抵抗性材料をエッチ壁内に堆積させることにより形成できる。導波路188および190をシリコン・ヒータ構造に直接結合することができる。結合プロセスは、導波路188および190に結合する前に粘着性ポリマ層または、金層のような、金属層192をヒータ構造184の上に堆積させることによってもよいし、よらなくてもよい。接着を促進するためにＣr層を導入してもよい。シリコン基板を使用することは本発明にとって決定的なことではない。材料が適切な熱的性質を示すかぎり、基板を形成するのに他の材料を使用できる。可能なら、基板の熱膨張係数を導波路のＳiＯ2クラッド層に合わせることが望ましい。
【００５７】
泡技法を利用する他の光スイッチ素子200を図１６および図１７に示す。転倒上部基板202は、その上に第１および第２の導波路206および208が形成され且つその中に室形成壁がエッチされている他の基板204に結合されている。上部基板202の上に形成されているのはマイクロヒータ210である。導波路206および208は接着促進層214を使用して下部基板212に結合されている。下部基板は二つの導波路の間の間隙と整列している第２のマイクロヒータ216を備えている。
【００５８】
所定時刻に二つのマイクロヒータ210および216の一方だけに電力が供給される。マイクロヒータの一方に電力が供給されると、所定体積の屈折率整合液222から蒸気泡218および220が形成される。実際に、流体内に溶解ガスが存在すれば、蒸気泡のコア形成が促進される。蒸気泡220は電流を下部マイクロヒータ216に流すことにより形成される。下部マイクロヒータは二つの導波路206と208との間の間隙と整列しているので、蒸気泡220は206で表されている導波路区画の間の光信号の全反射を生ずる屈折率の不整合を生ずる。下部マイクロヒータを通る電流が止まると光スイッチ素子200をその透過状態に戻す凝縮が始まる。しかし、蒸気泡が壊れている間に蒸気泡を強制的に移動させることにより切換え速度を上げることができる。これは上部マイクロヒータ210に電力を供給して蒸気泡218を形成することにより行なわれる。蒸気泡218が形成されている間、下部蒸気泡220は二つの導波路206と208との間の間隙から追い出される。
【００５９】
図１６および図１７は二つのマイクロヒータ210および216への導線を図示していない。導線を基板202および212を貫通させることは最も簡単であるが、導線を基板の表面に沿って走らせるように形成できる。図１６および図１７に示すように、マイクロヒータの一方を二つの導波路206と208との間の間隙と非整列にして非整列ヒータを起動することによる蒸気泡の形成が他のヒータにより形成された蒸気泡を変位させるための力を与えるようにしている。
【００６０】
高抵抗上部充填ポート224を上部基板202を貫通して備えることができる。充填ポートは動作中開いたままにされる。これにより正味の流体が光スイッチ素子200を通って流れることができ、液体222の塊に対する清浄な室が助成され、充填後ガス抜きが可能になる。下部充填ポート226の抵抗は泡を下部ヒータ216から遠くに移動しやすくするために幾らか低くすることができる。代わりに、室に充填してしまってからポートをシールすることができる。
【００６１】
図２８は第２のマイクロヒータ231を備えて素子の切換え速度を上げている光スイッチ素子229の他の実施例である。この図では図１６および図１７の実施 例の構成要素と実質上同じ構成要素について、二つの実施例の構造および動作が同じであるから、参照数字を全く同じにしてある。重要な唯一つの違いは下部基板212が図２８の素子229の状態を切換えるのに使用されるマイクロヒータ231および233の両者を備えているということである。これにより製作が簡単になる。 第１のマイクロヒータ233は二つの導波路206と208との間の間隙に蒸気泡235を形成する位置に設けられている。蒸気泡は電流が第１のマイクロヒータに流されると形成される。第１のマイクロヒータを通る電流が止まると凝縮が始まる。しかし、図１６および図１７でのように、切換え速度は蒸気泡235が壊れている間に蒸気泡235を強制的に移動させることにより増大する。これは第２のマイクロヒ ータ231を起動して導波路間の間隙から壊れている蒸気泡235を放出する、図示してない、第２の蒸気泡を形成することにより行なわれる。
【００６２】
図１８および図１９は本発明の他の実施例を示す。図３−図１３のインクジェット法または図１４−図１７の蒸気泡法ではなく、図１８および図１９の実施例はガス泡操作法を行なっている。この実施例では、ガス泡232の位置を制御する 二つのマイクロヒータ228および230が存在する。上述の蒸気泡とは異なり、この実施例のガス泡はヒータでガス抜きすることにより溶解ガス含有流体の中に形成される。マイクロヒータの一方を流体を蒸発させるのに必要な温度より低いが、ガス泡を形成するのに充分な高い温度にする。一旦形成されると、この泡は、マイクロヒータに加える電流をより少なくして、所定位置に保持できる。蒸気泡と異なり、これらガス泡はマイクロヒータを切ってからも存続している。しかし、泡をマイクロヒータから遠くに押し流してもよいし押し流さなくてもよい。二つのマイクロヒータを制御してガス泡を一対の導波路と交差するトレンチ234に沿って操作することができる。第１の導波路には入力区画236および出力区画238がある。第２の導波路には入力区画240および出力区画242がある。
【００６３】
図１８において、ガス泡232は第１および第２の導波路の交差点にある。したがって、区画236に沿う入力信号はトレンチ234に達するとインピーダンス不整合に突き当たる。ＴＩＲは入力信号を第２の導波路の出力区画242に転流させる。したがって、光スイッチ素子を図１８では反射状態で図示してある。交差点でマイクロヒータ228が起動されるとガス泡が不動になる。反射状態はマイクロヒータ 228が活動しているかぎり維持される。
【００６４】
図１９において、第１および第２の導波路の交差点にあるマイクロヒータ228は不活性になっており、第２のマイクロヒータ230が起動されている。ガス泡232が活動マイクロヒータに強く引付けられている。これにより屈折率整合液が第１および第２の導波路の交差点の間隙を満たすことができる。第１の導波路の入力区画236がその導波路の出力区画238に光学的に結合され、第２の導波路の入力区画240がその出力区画242に光学的に結合されており、光スイッチ素子は透過状態にある。第２のマイクロヒータ230が起動されるとガス泡232が引かれる。
第１のマイクロヒータが不活性になってからも「溶解」ガス泡が存続するので、これを導波路の交差点から引き離し急速且つ確実な動作を得なければならないため、第２のマイクロヒータが必要である。これは上述の蒸気泡と対照的である。この実施例で使用可能な液体はイソプロピルアルコールとグリセロールとの混合体である。他の使用可能な液体はＭピロルである。この構成は図１４および図１５のものと同様であるが、第２のヒータが交差点から遠くに追加されている。泡がトレンチに沿って遠くまで広がりすぎている場合には、ガス泡を交差点から遠くに案内するのに多数のヒータが必要である。
【００６５】
蒸発を妨ぐために流体で飽和している大気中でスイッチ行列を封止すれば、装置の信頼性と性能が高められよう。蒸気泡の場合については、他のガスまたは溶解ガスを避けるのが望ましい。代わりに、流体内のガス泡のガス抜きを促進するのにヘリウムを使用できる。溶解ガス泡動作の場合については、適切な溶解ガスを封じ込め容器に入れるベきである。ガス状態は液体状態よりはるかに大きい体積を占有するので、蒸気泡には封じ込め容器内に膨張空間が必要である。この膨張能力をダイアフラムにより与えることができる。
【００６６】
本発明の一実施例を製作するプロセスステップを図２０−図２６に示す。プロセスステップは図１４および図１５の実施例に最も緊密に類似している構造を形成するが、図３−図１９の実施例のどれを形成する際にもこれらプロセスステップの多くを使用することができる。
【００６７】
図２０において、導波路基板244はその上に形成された多数の導波路区画248、250、252、および254を備えている。先に記したように、導波路区画248-254の各々は二つの区画を表すことができる。たとえば、構成要素248は図１の入力区画20および出力区画22の双方でよいが、構成要素250は図１の入力区画24および出 力区画26である。
【００６８】
導波路区画248-254の各々は当業者に既知の技法を使用して形成される。導波路は上部クラッド層258と下部クラッド層260との間に挟まれたコア256を備えている。先に記したように、導波路基板および導波路を日立電線またはホトニック・インテグレーション・リサーチ・インコーポレーテッドから仕様に合わせて購入できる。コア層256について使用可能な材料はＳiＯ2であり、基板について使用可能な材料はシリコンであるが、他の材料を使用してよい。導波路区画は、厚密（クッキング）をも採用しながら、火炎加水分解堆積法をあるいは反応性イオンエッチングを使用して形成することができる。導波路区画を分離するトレンチを反応性イオンエッチングを使用して形成できる。
【００６９】
図２１において、貫通穴262、264、および266が導波路基板244を貫いてエッチされている。これら穴を形成するには、基板をラップし、ポリッシュする。シリコン基板のエッチングは水酸化テトラメチル・アンモニア（ＴＭＡＨ）でまたは反応性イオンエッチング・システムで行なうことができる。こうして図２１の構造はマイクロヒータ基板に取付ける準備が終わっている。
【００７０】
図２２において、熱的下層270がマイクロヒータ基板268に形成されている。この下層はＳiＯ2またはＳiＮxまたは他の同様の性質を有するどの材料でもよい。図２３に示すように、下層270の上にマイクロヒータ272、274、および276が形成されている。マイクロヒータの製作はインクジェット用マイクロヒータの製作と同じでよい。マイクロヒータに使用可能な材料はＴaＡl、ＴaＮx、Ｗ、またはポリシリコンである。
【００７１】
図２４および図２５において、多数の層278、280、および282が堆積され、エッチされている。これらの層はマイクロヒータ272-276に対する導線の形成、電気的パッシベーション、機械的保護のために、およびマイクロヒータ基板268を導波路構造248-254に結合するために設けられている。図２５の構造を設けるのに行なわれるパターニングには二つの機能がある。第１のパターニングはマイクロヒータ272-276のところで結合材料に空間を開ける。第２のパターニングは図２５の構造を図２１の構造に結合するための平面状表面を与える。結合された構造を図２６に示す。結合層282は写真作像可能なベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）のような写真作像可能ポリマでよい。
【００７２】
結合によりジェットおよび泡スイッチを製造すれば切換え機能に大きな長所が得られる。ヒータを導波路トレンチ側壁の間の中心に置き、導波路コアの間の間隙に近接して設置し、この間隙から流体だけで分離することができる。必要な場合泡を形成することができる。他の代替方法には大きな欠点がある。まずヒータを導波路基板上に直接製作することは光学損失を低くするのに必要な狭い（≦25μm）トレンチの下では極めて困難である。トレンチの光学的品質と妥協することになる。 もし、代わりに、ヒータを導波路の上に製作すれば、泡を作るために、熱的絶縁物であるＳiＯ2を通して熱を伝えなければならない。この構成には一層多くの電力が必要であり、ヒータが焼き切れることがある。
【００７３】
図２７は本発明の他の実施例を示す。この実施例では、マイクロヒータ286が 対向する側方に小型トレンチ288および290を備えている。これら小型のトレンチはヒータへの流体流を改善し、それにより冷たい流体を供給することによりヒータが焼き切れる可能性が少なくなる。それらはまた、流体をヒータで沸騰させ、泡の最上部で凝縮させて、動的平衡を促進させることにより泡の安定度を増大させる。他に、図２７の実施例はその導波路がマイクロヒータ基板294に結合されている導波路基 板292により与えられるキャップ構造を備えている。導波路基板292は完全にはエッチされていず、二つの導波路区画296と298との間にエッチされたＶ形切り込みを備えていてもよく、備えなくてもよい。このキャップ式方法は泡の成長を制限し、上述のどの泡実施例にも使用できる。再び図２０−図２６を参照すると、キャッピングを図２１の貫通穴262、264、および266をエッチしないで行なうことができるので、半導体材料は図２６の構造全体に渉って延伸する。流体の入力/出力経路はマイクロヒータ基板268を貫通することができる。代わりに、泡成長を制限するキャップを、泡成長を制限するようにパターン化された導波路基板を貫いてエッチされた穴の上に、光スイッチ素子の間の穴は残して、テープを施すことにより形成できる。
【００７４】
マイクロヒータが長方形であるか正方形であるかは決定的ではない。たとえば、泡実施例のマイクロヒータを三角形にしてよい。マイクロヒータを砂時計形状であるように形成すれば有利である。再び図１８を参照すると、第１のマイクロヒータ228はマイクロヒータの狭くなった領域が導波路区画236-242の交差点にある砂時計形状を有している。ヒータのくびれを最も熱くすべきであるから、泡をＴＩＲを最も容易に得るような位置に設置すべきである。他のヒータ構成も可能である。
【００７５】
寸法が変化するトレンチを形成することも可能である。今度は図２９および図３０を参照すると、二つの図示した光スイッチ素子300および302の各々について、トレンチ304および306の幅が、二つの導波路の間の交差点にある間隙からの距離に比例して増大するように形成されている。泡の移動方向を図２９で矢印Ａ、図３０で矢印Ｂにより示してある。トレンチの幅が広がれば泡の変位が促進されることが見いだされている。このことは単一ヒータ308を有する光スイッチ素子300に、および図１８および図１９を参照して説明した仕方で泡変位を与える二つのヒータ310および312を有する光スイッチ素子302に等しく適用される。泡の変 位を矢印ＡおよびＢの方向に促進することにより、光スイッチ素子を透過状態にしようとするとき、泡の尾部が導波路区画間の間隙に留まる機会が減少する。図２９において、交差する導波路を参照数字314および316により区別してある。図３０は導波路318および320を備えている。
【００７６】
上記の記載から本発明の実施態様のいくつかを下記に示す。
（実施態様１）：光路の途中に使用する光スイッチ素子であって、
その第１の表面に少なくとも二つの光導波路区画を有する導波路基板であって、その端が間隙と交差する第１および第２の導波路区画を備え、前記第１および第２の導波路区画は、前記表面に固定され且つ前記表面に全般的に平行である導波路基板、
少なくとも一つのヒータを有するヒータ基板であって、第１のヒータが前記間隙と整列するように前記導波路基板に接合されているヒータ基板、および
前記間隙の内部にある使い捨て可能な液体であって、前記第１のヒータに応答し、前記第１の導波路区画から前記第２の導波路区画までの光伝送が前記間隙の内部にある前記液体の有無によって決まるような屈折率を有する液体、
を備えている光スイッチ素子。
【００７７】
（実施態様２）：前記第１のヒータは前記導波路およびヒータ基板に固定され、前記第１のヒータが起動されると前記液体内に泡を形成し、それにより前記液体の前記間隙に対する変位を開始させる実施態様１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様３）：前記ヒータ基板は前記第１のヒータを備えたジェット機構を備え、前記ジェット機構は前記第１のヒータが起動されると前記液体を前記間隙内部に射出するように設置されている実施態様１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様４）：前記ヒータ基板は前記第１のヒータを備えたジェット機構を備え、前記ジェット機構は前記第１のヒータが起動されると前記間隙から前記液体を放出するように設置されている実施態様１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様５）：前記ヒータ基板は結合層により前記導波路基板に結合されている実施態様１に記載の光スイッチ素子。
【００７８】
（実施態様６）：前記間隙は、前記液体が前記間隙に存在しないとき前記側壁から反射した光が前記第１の導波路区画から前記第２の導波路区画の前記端に転流されるように前記第１および第２の導波路区画の軸に対して傾いている側壁を有し、前記光スイッチ素子は更に前記液体が前記間隙に存在するとき前記第１の導波路区画からの光が第３の導波路区画に入るように前記第１の導波路区画と軸方向に整列している第３の導波路区画を備えている実施態様１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様７）：前記ヒータ基板は、ガス泡を発生し、該ガス泡を選択的に引付ける第１および第２のヒータを備え、前記第１および第２のヒータは離して設置され、前記第１のヒータが前記ガス泡を前記第１の導波路区画の前記端に引付けるように設置されている実施態様１に記載の光スイッチ素子。
【００７９】
（実施態様８）：前記第１のヒータは、前記流体の塊と熱的に連絡しており、前記ヒータの起動に応答して第１の蒸気泡を選択的に形成し、前記第１の蒸気泡は前記ヒータの不起動に応答して下方に凝縮し、前記ヒータは前記間隙に対して、前記第１の蒸気泡が前記間隙内に形成されるような位置に設置されている実施態様１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様９）：更に、前記流体の塊と熱的に連絡し、第２の蒸気泡を選択的に形成し、それにより前記第１の蒸気泡を前記間隙から変位させる第２のヒータを備えている実施態様８に記載の光スイッチ素子。
（実施態様１０）：前記間隙は側壁を有するトレンチにより、前記第１の導波路区画と第２の導波路区画との交差点から少なくとも一つの方向に対して形成されており、前記側壁は前記交差点からの距離と共に互いからの距離が増大している実施態様１に記載の光スイッチ素子。
【００８０】
（実施態様１１）：光路の途中に使用する光スイッチ素子であって、該光スイッチ素子は、
表面を有する基板、
前記基板に固定され、前記表面に全般的に平行である第１の端を有する第１の光導波路区画、
前記基板に固定され、前記表面に全般的に平行である第２の端を有する第２の光導波路区画、
を備え、前記第２の端および前記第１の端は間隙と交差しており、光スイッチ素子は更に
前記間隙の内部にあって、前記第１の光導波路区画から前記第２の光導波路区画までの光の伝送が前記間隙の内部にある該液体の有無によって決まるような屈折率を有する使い捨て可能な液体、および
前記液体を前記間隙に対して前記表面に対して全般的に垂直な方向に選択的に変位させる手段であって、熱エネルギを発生するためのヒータを備えている熱的に始動する手段、
を備えている光スイッチ素子。
【００８１】
（実施態様１２）：前記ヒータは前記基板に固定されて前記液体内部に泡を形成し、それにより前記間隙に対する前記液体の変位を開始させる実施態様１１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様１３）前記熱的に始動する手段は前記ヒータの起動に応答して前記間隙で前記液体を前記間隙の中に射出するような向きにあるジェット機構である実施態様１１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様１４）：更に、前記間隙の前記ジェット機構とは反対の側に選択的に結合される真空圧力源を備えており、前記ジェット機構により前記間隙の内部に向けられる液体は前記源と前記間隙との前記選択的結合により除去され得る実施態様１３に記載の光スイッチ素子。
（実施態様１５）：前記熱的に始動する手段は前記ヒータが起動されると前記間隙から前記液体を放出するように設置されているジェット機構である実施態様１１に記載の光スイッチ素子。
（実施態様１６）：更に、前記液体の射出に続いて前記室および前記間隙に液体を再充填するための手段を備えている実施態様１５に記載の光スイッチ素子。
【００８２】
（実施態様１７）：前記基板は第１の半導体ヒータ基板であり、前記ヒータは前記第１の半導体ヒータ基板に設置されて前記液体が前記間隙から射出されるように前記液体の蒸発を開始する第１のマイクロヒータであり、前記光スイッチ素子は更に、第２の半導体ヒータ基板および第２のマイクロヒータを備え、前記第１および第２の半導体ヒータ基板は不変の平行関係を有し、前記第２のマイクロヒータは前記第２の半導体ヒータ基板上に前記第２の半導体ヒータ基板上に形成された室と熱連絡して設置され、前記第２のマイクロヒータが前記室内の液体の蒸発を選択的に開始してそこから前記液体を射出するようにされており、前記室は前記液体を射出して前記第１の光導波路区画と第２の光導波路区画との間の前記間隙を埋めるように前記第１の半導体基板に対して設置されており、前記導波路区画は前記第１の半導体基板と第２の半導体基板との間に結合された半導体導波路基板上に形成されている実施態様１１に記載の光スイッチ素子。
【００８３】
（実施態様１８）：透過状態および反射状態を形成するスイッチ装置であって、
前記透過状態が形成されると光学的に連絡するように設置されている第１および第２の導波路を有し、前記第１および第２の導波路は各々第１および第２の導波路区画を有し、各導波路区画は流体室に突入している導波路基板、
前記導波路基板に結合されているヒータ基板であり、前記流体室と熱的に連絡していて、ヒータ手段の起動に応答して前記第１および第２の導波路の前記導波路区画間にガス泡および蒸気泡の一つを形成するヒータ手段を備えているヒータ基板、および
前記ヒータ手段を起動および非起動して前記流体室内の流体の操作を開始する制御手段であって、前記操作は、前記泡がガス泡であれば熱的ガス抜きおよび吸引の動作を含み、前記泡が蒸気泡であれば蒸発および凝縮の動作を含むものである制御手段、
を備えているスイッチ装置。
（実施態様１９）：前記流体室は前記基板上の少なくとも一つのパターン層により形成されており、前記ヒータ手段は前記制御手段に電気的に接続された第１のマイクロヒータを備えている実施態様１８に記載のスイッチ装置。
【００８４】
（実施態様２０）：更に、前記流体室に対して設置され、前記泡の変位を誘導する第２のマイクロヒータを備えている実施態様１９に記載のスイッチ装置。
（実施態様２１）：前記流体室はその幅が前記意図する方向に増大するトレンチにより形成されている実施態様１８に記載のスイッチ装置。
（実施態様２２）：光路指示行列であって、
導波路基板、
前記導波路基板に平行に延びて第１の光路を形成する全般的に平行な第１の導波路の配列、
前記導波路基板に平行に延び、流体室で前記第１の光路と交差する第２の光路を形成する全般的に平行な第２の導波路の配列、および
前記導波路基板に接合され、前記流体室と熱的に連絡して前記流体室内に泡を形成するマイクロヒータを備えているヒータ基板であって、各流体室は、前記マイクロヒータの一つと関連して動作し、前記動作的に関連しているマイクロヒータが起動される結果生ずる流体的変化が前記流体室内の流体の圧力を決定するように構成されているヒータ基板、
を備えている光路指示行列。
【００８５】
（実施態様２３）：更に、前記流体室の少なくとも幾つかの内部に屈折率整合液体を備えており、光信号は前記流体を有する流体室を通って実質的に直線的に継続し、前記光信号は前記液体の入っていない流体室で第１の導波路から第２の導波路に反射される実施態様２２に記載の行列。
（実施態様２４）：前記マイクロヒータおよび流体室はインクジェット技法を利用している実施態様２２に記載の行列。
（実施態様２５）：前記マイクロヒータおよび流体室は泡技法を利用している実施態様２２に記載の行列。
【００８６】
（実施態様２６）：光路用光スイッチ素子を製作する方法において、
第１および第２の交差導波路を有する導波路基板を形成するステップ、
前記第１および第２の導波路の交差点にトレンチを形成するステップ、
加熱素子を有するヒータ基板を形成するステップ、
前記加熱素子が前記交差点と整列するように前記ヒータ基板を前記導波路基板と整列させるステップ、および
前記整列したヒータ基板および導波路基板を結合するステップ、
を備えている方法。
（実施態様２７）：前記整列したヒータ基板および導波路基板を共に結合する前記ステップは結合する前に結合層を結合することを含む実施態様２６に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】スイッチが反射状態にあるとき全反射を利用している光スイッチの平面図である。
【図２】入力導波路の線形配列を出力導波路の線形配列に選択的に接続するようにするための図１の光スイッチ素子の行列を示す図である。
【図３】屈折率整合液体を隣接光学線路間の間隙に射出するのにジェット機構を使用する、本発明の一実施例による、６個の光スイッチ素子の側断面図である。
【図４】屈折率整合液を隣接光学線路間の間隙に射出するための光スイッチ素子の第２の実施例の透過状態を示す側断面図である。
【図５】反射状態で示した図４の光スイッチ素子の側断面図である。
【図６】一対のジェット機構を使用した光スイッチ素子のプッシュプル実施例を透過状態で示す側断面図である。
【図７】反射状態で示した図６の光スイッチ素子の側断面図である。
【図８】光スイッチ素子が図９の反射状態にあるときメニスカスを不動にする砂時計構成を与える追加層のある状態を示す図６の光スイッチ素子の側断面図である。
【図９】光スイッチ素子が反射状態にあるときメニスカスを不動にする砂時計構成を与える追加層のある状態で示した図６の光スイッチ素子の側断面図である。
【図１０】自由空間を介挿した整列ジェット機構を使用する光スイッチ素子の他の実施例を、光スイッチ素子が反射状態にある状態を示す側断面図である。
【図１１】図１０の光スイッチ素子を透過状態で示す側断面図である。
【図１２】非整列ジェット機構を使用した光スイッチ素子を反射状態で示す側断面図である。
【図１３】透過状態で示した図１２の素子の側断面図である。
【図１４】一対の光学線路間の伝送を制御するのに泡技法を使用している光スイッチ素子を透過状態で示す側断面図である。
【図１５】図１４の光スイッチ素子を反射状態で示す側断面図である。
【図１６】切換え速度を高めるのに第２のオフセット・マイクロヒータを備えた、泡技法を利用する光スイッチ素子の別の実施例を透過状態で示す側断面図である。
【図１７】図１６の光スイッチ素子を反射状態で示す側断面図である。
【図１８】ガス泡操作技法を使用した光スイッチ素子を反射状態で示す平面図である。
【図１９】透過状態にある図１８の光スイッチ素子の平面図である。
【図２０】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２１】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２２】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２３】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２４】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２５】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２６】本発明の一実施例を製作するプロセスステップを示すための素子の側断面図である。
【図２７】トレンチがヒータ基板のヒータの反対側に形成されてヒータの有効寿命を増大し、蒸気泡の安定性を増した蒸気泡または溶解ガス泡実施例の側断面図である。
【図２８】切換え速度を上げるのに泡技法および多数マイクロヒータを利用する光スイッチ素子の代替実施例をその反射状態で示す側断面図である。
【図２９】二つの導波路の交差点から出発して幅が変化するトレンチを有する光スイッチ素子の単一ヒータ実施例の平面図である。
【図３０】二つの導波路の交差点から出発して幅が変化するトレンチを有する光スイッチ素子の二重ヒータ実施例の平面図である。
【符号の説明】
10…光学スイッチ
20,24…入力導波路区画
22,26…出力導波路区画
27…間隙
28…トレンチ
34-40…入力導波路
42-48…出力導波路
50…導波路基板
66…ジェット機構
80…ヒータ基板
90…屈折率整合液
100…光スイッチ素子
102,104…マイクロヒータ
126…光スイッチ素子
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0003945595.tif 000017
【図１７】
0003945595.tif 000018
【図１８】
0003945595.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
0003945595.tif 000027
【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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