JPH1090735A - 光スイッチ素子および光スイッチ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】透過状態と転流状態との間を高速で遷移し光学
信号線間の光通信を制御する光スイッチ素子を提供す
る。 【解決手段】光スイッチ素子を熱的に起動し、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、あるいは液体の蒸発、溶解ガスが入ってい
る流体のガス抜きで泡を作り、屈折率を変化させる。屈
折率の変化により光信号の透過と転流とが制御される。

Description

【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Ｓ
iＯ₂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25
0μm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、5
8、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25
0μm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、ＳiＣ_x+ＳiＮ_x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、11
2、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1
32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1
78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18
2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18
6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１
５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21
0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23
4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１
４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2
54を備えている。先に記したように、導波路区画248-25
4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ＳiＮ_x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Ｔa
Ａl、ＴaＮ_x、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27
8、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１
１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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カク・ワイ・チャン アメリカ合衆国カリフォルニア州サニ−ベ イル、シラス・アベニュー174 (72)発明者 レスリー・エイ・フィールド アメリカ合衆国カリフォルニア州ポート ラ・バレー、ウェイサイド・ロード811 (72)発明者 エリック・ジー・ハンソン アメリカ合衆国カリフォルニア州バーリン ガム、ブルームフィールド・ロード431 (72)発明者 ロン・ヤン アメリカ合衆国カリフォルニア州ユニオ ン・シティ、シーサイド・コート5122

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【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、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。