DE10360865A1

DE10360865A1 - Optischer Polymer-Flüssigmetall-Schalter

Info

Publication number: DE10360865A1
Application number: DE10360865A
Authority: DE
Inventors: Marvin Glenn Woodland Park Wong; Leslie A. Portola Valley Field
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2003-04-14
Filing date: 2003-12-23
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: TW200420927A; GB0407168D0; JP2004318136A; TWI274921B; GB2400678A; US6888977B2; DE10360865B4; US20040202404A1

Abstract

Ein optischer Polymerschalter, in dem ein Schaltkanal in einer Polymerschicht gebildet ist. Der Kanal ist durch eine Mikrobearbeitungstechnik, wie z. B. Laserablation oder Photoabbildung, gebildet. Ein Flüssigmetallschalter ist in dem Schaltkanal enthalten. Der Flüssigmetallschalter wirkt durch ein Blockieren oder Entsperren des optischen Pfades durch den Schaltkanal unter Verwendung eines Volumens eines Flüssigmetalls. Kontaktanschlußflächen in dem Schaltkanal sind durch das Flüssigmetall benetzbar und liefern einen Verriegelungsmechanismus für den Schalter. Die Polymerschicht kann sich zwischen zwei transparenten Schaltersubstraten befinden. Lötmittelringe sind an den Umfängen der transparenten Schaltersubstrate angebracht. Die Lötmittelringe sind durch Lötmittel benetzbar und erleichtern die Erzeugung einer hermetischen Abdichtung zwischen den Substraten. Optische Verbindungselemente erlauben es, daß optische Signale durch die transparenten Schichten und den Schaltkanal gekoppelt werden können.

Description

Diese Anmeldung bezieht sich auf die folgenden ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldungen, die durch die folgenden aufgeführten Identifizierer identifiziert und in alphanumerischer Reihenfolge angeordnet sind, die den gleichen Eigentümer wie die vorliegende Anmeldung aufweisen und zu diesem Ausmaß auf die vorliegende Anmeldung bezogen und hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind:
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,691;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Bending Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/142,076;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal, Latching Relay with Face Contact", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High-frequency, Liquid Metal, Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Insertion Type Liquid Metal Latching Relay Array", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Liquid Metal Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Piezoelectric Optical Latching Relay", eingereicht am 31. Oktober 2001, mit der Seriennummer 09/999,590;
US-Anmeldung mit dem Titel „Shear Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Bending Mode Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Production Thereof", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,597;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Latching Relay with Bending Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Latching Relay with Switch Bar", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „High Frequency Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Push-mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Closed Loop Piezoelectric Pump", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Solid Slug Longitudinal Piezoelectric Latching Relay", eingereicht am 2. Mai 2002, mit der Seriennummer 10/137,692;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Longitudinal Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Assisted Pusher-Mode Piezoelectrically Actuated Liquid Metal Optical Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Polymeric Liquid Metal Switch", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Longitudinal Electromagnetic Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Damped Longitudinal Mode Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Switch and Method for Producing the Same", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,963;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 28. März 2002, mit der Seriennummer 10/109,309;
US-Anmeldung mit dem Titel „Electrically Isolated Liquid Metal Micro-Switches for Integrally Shielded Microcircuits", eingereicht am 8. Oktober 2002, mit der Seriennummer 10/266,872;
US-Anmeldung mit dem Titel „Piezoelectric Optical Demultiplexing Switch", eingereicht am 10. April 2002, mit der Seriennummer 10/119,503;
US-Anmeldung mit dem Titel „Volume Adjustment Apparatus and Method for Use", eingereicht am 12. Dezember 2002, mit der Seriennummer 10/317,293;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Apparatus for Maintaining a Liquid Metal Switch in a Ready-to-Switch Condition", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „A Longitudinal Mode Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Reflecting Wedge Optical Wavelength Multiplexer/Demultiplexer", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpillar Piezoelectric Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Solid Slug Caterpiller Piezoelectric Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Inserting-finger Liquid Metal Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Wetting Finger Liquid Metal Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003;
US-Anmeldung mit dem Titel „Pressure Actuated Solid Slug Optical Latching Relay", eingereicht am 14. April 2003; und
US-Anmeldung mit dem Titel „Method and Structure for a Slug Caterpillar Piezoelectric Reflective Optical Relay", eingereicht am 14. April 2003.
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) zum optischen Schalten und insbesondere auf einen optischen Polymer-Flüssigmetall-Schalter.

Es wurden Flüssigmetallschalter entwickelt, die das Erwärmen von Gasen verwenden, um Druckveränderungen zu erzeugen, die die Schalter betätigen, indem Zwischenräume bei Flüssigmetalltropfen, die in Kanälen eingeschlossen sind, erzeugt werden (um optische Pfade zu entsperren) und die Tropfen bewegt werden, um zwischen Kontakten zu benetzen (um optische Pfade zu blockieren). Ein gegenwärtiges Verfahren, das zur Herstellung der Kanalstrukturen verwendet wird, weist Auflösungs- und Genauigkeitseinschränkungen auf, da es zur Erzeugung der Kanäle Sandstrahlen verwendet. Zusätzlich bewirkt die Art und Weise, wie Heizerwiderstände gegenwärtig auf dem Keramiksubstrat gebildet werden, Energieineffizienzen aus einem Wärmeverlust in das Keramiksubstrat.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Polymerschalter mit verbesserten Charakteristika oder ein verbessertes Herstellungsverfahren für denselben zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Polymerschalter gemäß Anspruch 1 oder 35 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 27 gelöst.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Polymerschalter, in dem ein Schaltkanal in einer Polymerschicht gebildet ist. Der Kanal kann durch Mikrobearbeitungstechniken, wie z. B. Laserablation oder Photoabbildung, gebildet sein. Ein Flüssigmetallschalter ist innerhalb des Schaltkanals enthalten. Der Flüssigmetallschalter wirkt durch ein Blockieren oder Entsperren des optischen Pfades durch den Schaltkanal unter Verwendung eines Volumens eines Flüssigmetalls. Kontaktanschlußflächen innerhalb des Schaltkanals sind durch das Flüssigmetall benetzbar und liefern einen Verriegelungsmechanismus für den Schalter. Die Polymerschicht kann sich zwischen zwei transparenten Schaltersubstraten befinden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen, ähnliche oder entsprechende Teile in den mehreren Ansichten der Zeichnungen zu beschreiben. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht eines eigengehäusten optischen Polymer-Flüssigmetall-Schalters gemäß be stimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht eines zusammengebauten Schalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine weitere Schnittansicht eines Polymer-Flüssigmetall-Schalters gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
4 eine Ansicht der inneren Oberfläche einer Kanalträgerplatte gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
5 eine Schnittansicht eines zusammengebauten optischen Polymerschalters in einem ersten Schalterzustand;
6 eine Schnittansicht eines zusammengebauten optischen Polymerschalters in einem zweiten Schalterzustand;
7 eine Ansicht der inneren Oberfläche eines Schaltersubstrats gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
8 eine Ansicht der äußeren Oberfläche einer Kanalträgerplatte gemäß bestimmten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Mikrobearbeitungstechniken, wie z. B. Laserablation von Polyimid oder anderen Polymerfilmen oder -schichten, um eine Kanalstruktur in einem optischen Flüssigmetallschalter zu erzeugen. Dieses Verfahren erzielt bessere Toleranzen und eine bessere Auflösung als durch Sandstrahlen erzielt werden kann. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Kanal schicht aus Kapton (einer Blattform von Polyimid) oder einem anderen geeigneten Polymerfilm durch Laserabtragen bzw. -ablieren der notwendigen Kanalmerkmale in dasselbe/denselben aufgebaut. Die Kanalschicht wird dann unter Verwendung eines geeigneten Haftmittels, wie z. B. Cytop oder KJ (einem thermoplastischen Polyimid mit Hafteigenschaften), an dem Schaltersubstrat angeheftet. Kapton ist für Wasserdampf permeabel. Wenn Wasserdampf aus der resultierenden Anordnung ausgeschlossen werden soll, kann die Anordnung für eine hermetische Abdichtung gehäust werden oder kann durch Laminierung an eine impermeable Trägerplatte „eigengehäust" und unter Verwendung von Lötmittel an das Schaltersubstrat abgedichtet werden. Die Trägerplatte kann z. B. aus Metall, Glas, Silizium oder Keramik hergestellt sein. Die obere und die untere Trägerplatte können aus transparenten Materialien, z. B. Glas oder Quarz, hergestellt sein, um den Durchgang optischer Signale durch dieselben zu ermöglichen.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Polymerkanalschicht durch ein Beschichten einer Trägerplatte mit einem geeigneten Flüssigpolymer (wie z. B. einem Aufschleuderpolyimid), durch ein Härten desselben und ein darauffolgendes Erzeugen der gewünschten Kanalstruktur durch Laserablation hergestellt. Alternativ kann, wenn das Material photoabbildbar ist, die Kanalstruktur durch ein Belichten und Entwickeln der notwendigen Merkmale, bevor das Material ausgehärtet wird, hergestellt werden. Die resultierende Kanalschicht kann eine Schicht eines Haftmittels aufweisen, die auf dieselbe z. B. durch Aufschleuderbeschichtung oder Sprühbeschichtung aufgebracht und dann photoabgebildet oder laserabgetragen wird. Cytop könnte durch den ersteren Prozeß verarbeitet werden; KJ könnte durch letzteren verarbeitet werden.
Es ist ebenso wünschenswert, den Verlust von Wärme aus den Widerständen in das Substrat so weit wie möglich zu beseitigen. Dies kann durch ein Erzeugen von Taschen in der Oberfläche des Schaltersubstrats und ein Füllen derselben mit einem Polymer mit niedriger Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. Polyimid, bevor die Widerstände aufgebracht werden, durchgeführt werden. Die Treibersignale zu den Widerständen können z. B. durch Durchgangslöcher durch das Schaltersubstrat oder durch Leiterbahnen auf dem Schaltersubstrat oder Leiterbahnen, die durch dasselbe verlaufen, geleitet werden.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Wärmeverlust aus den Widerständen zu dem Substrat durch ein Verwenden eines Polymers, wie z. B. Polyimid, mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit und einer Widerstandskraft gegenüber hohen Temperaturen für das Schaltersubstrat reduziert. Die Widerstände können direkt auf das Polyimid oder auf Zwischenschichten, wie dies erwünscht wird, aufgebracht sein. Ein Dünnen des Polyimids unter oder nahe der Heizerregion kann verwendet werden, um eine Wärmeleitung und Wärmekapazität in dem Heizerbereich zu reduzieren. Dieser Ansatz weist jedoch den Nachteil auf, daß ein separates Gehäuse benötigt wird, wenn eine hermetische Abdichtung erwünscht wird.
1 zeigt eine Schnittansicht eines eigengehäusten optischen Polymer-Flüssigmetall-Schalters eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Der Schalter aus 1 ist vor einem Endzusammenbau in zwei Teilen gezeigt. Der obere Teil umfaßt eine transparente Kanalträgerplatte 102, die eine Polymerschicht 104 bedeckt. Bei anderen Ausführungsbeispielen können lichtundurchlässige Substrate, die Wellenleiter enthalten, verwendet werden. Die transparente Kanalträgerplatte 102 kann z. B. aus Glas oder Quarz hergestellt sein. Das Polymer kann z. B. Polyimid sein, das ein träger Kunststoff ist, der widerstandsfähig gegenüber hohen Temperaturen ist. Ein Schaltkanal 106 ist in der Polymerschicht gebildet. Eine optische Faser 108 ist mit der transparenten Kanalträgerplatte 102 durch ein optisches Verbindungselement 110 gekoppelt. Eine Schicht aus Haftmit tel 112 bedeckt die Unterseite der Polymerschicht 104. Das Haftmittel kann z. B. Cytop oder KJ sein. Alternativ kann das Haftmittel auf die obere Oberfläche des transparenten Schaltersubstrats 120 des unteren Teils aufgebracht sein. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Haftschicht etwa 7 μm dick. Ein oberer Lötmittelring 114 ist an dem Umfang der Unterseite der transparenten Kanalträgerplatte 102 und den Seiten der Polymerschicht 104 angebracht. Der obere Lötmittelring ist durch geschmolzenes Lötmittel benetzbar.
Der untere Teil des Schalters aus 1 umfaßt ein transparentes Schaltersubstrat 120. Das Substrat kann z. B. aus Glas oder Quarz hergestellt sein. Eine optische Faser 122 ist mit dem transparenten Schaltersubstrat 120 durch ein optisches Verbindungselement 124 gekoppelt. Ein unterer Lötmittelring 126 ist an dem Umfang der inneren Oberfläche des transparenten Schaltersubstrats 120 angebracht. Der obere Lötmittelring ist durch geschmolzenes Lötmittel 128 benetzbar. Benetzbare Kontaktanschlußflächen, wie z. B. die, die bei 130 gezeigt ist, sind ebenso auf der inneren Oberfläche des transparenten Schaltersubstrats 120 gebildet und sind mit dem Kanal 106 in dem oberen Teil des Schalters ausgerichtet, wenn die beiden Teile zusammengebaut werden. Die benetzbare Kontaktanschlußfläche 130 ist durch ein Flüssigmetall, wie z. B. Quecksilber, benetzbar, das verwendet wird, um einen Verriegelungsmechanismus in dem Schalter bereitzustellen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Kontakt etwa 800 nm dick. Elektrische Verbindungselemente 306 und 330 liefern Treibersignale an Heizer, die unten Bezug nehmend auf 3 genauer beschrieben sind.
2 zeigt eine Schnittansicht des zusammengebauten Schalters. Die Haftschicht 112 verbindet die Polymerschicht 104 mit dem transparenten Schaltersubstrat 120 und erzeugt einen Hohlraum 106 innerhalb des Schalters. Die Kontaktanschlußfläche 130 ist an einer Seite des Hohlraums 106 positioniert. Das Lötmittel 128 wird durch Oberflächenspannung gezogen, um den Zwischenraum zwischen dem oberen Lötmittelring 114 und dem unteren Lötmittelring 126 zu füllen. Dies liefert eine zuverlässige hermetische Abdichtung für das Innere des Schalters. Unter der Voraussetzung, daß ausreichend Lötmittel vorliegt, garantieren die benetzbaren Lötmittelringe, daß die Abdichtung vollständig ist.
3 zeigt eine weitere Schnittansicht eines Polymerschalters der vorliegenden Erfindung. Die Polymerschicht 104 in dem oberen Teil enthält einen Heizerhohlraum 302. Ein Heizer 304, wie z. B. ein Widerstand, ist an der inneren Oberfläche des transparenten Schaltersubstrats 120 positioniert und mit dem Heizerhohlraum 302 ausgerichtet. Wenn die beiden Teile zusammengebaut werden, befindet sich der Heizer im Inneren des Heizerhohlraums. Elektrische Leiter 306 und 308 liefern elektrische Verbindungen zu dem Heizer. In Betrieb wird eine Spannung über den Heizer angelegt und das Gas in dem Heizerhohlraum wird erwärmt, was einen Anstieg von Druck und Volumen des Gases bewirkt. Wahlweise ist eine zweite optische Faser 310 mit der transparenten Kanalträgerplatte 102 über ein optisches Verbindungselement 312 gekoppelt. Eine entsprechende optische Faser 314 ist mit dem transparenten Schaltersubstrat 120 über ein optisches Verbindungselement 316 gekoppelt, so daß die optischen Fasern 310 und 314 optisch ausgerichtet sind. Isolierungsschichten 318 und 320 liefern eine elektrische Isolierung zwischen den elektrischen Leitern 306 und 308 und dem Lötmittelring 126. Die Schichten können z. B. aufgeschleudertes Glas oder eine Dünnfilmpassivierungsschicht, wie z. B. SiNx oder SiO₂, sein. Die Schicht ist vorzugsweise ausreichend dünn, daß sie die Erzeugung der Lötmittelverbindung zwischen den Lötmittelringen nicht behindert. Eine Polymerschicht 322 (wie z. B. eine Polyimidschicht) trennt den Heizer 304 von dem transparenten Schaltersubstrat 120.
4 ist eine Ansicht der Unterseite der transparenten Kanalträgerplatte 102. Der obere Lötmittelring 114 ist an dem Umfang der inneren Oberfläche der transparenten Kanalträgerplatte 102 angebracht. Ein Kanal 402 ist in der Polymerschicht 104 enthalten. Das Haftmittel 112 ist in dieser Ansicht nicht gezeigt. In dem Kanal befinden sich Heizerhohlräume 302 und 404 und ein Schaltkanal 106. In dem Schaltkanal 106 befinden sich drei Kontaktanschlußflächen 406, 116 und 408. Die Oberflächen der Kontaktanschlußflächen sind durch Flüssigmetall benetzbar. Der Schnitt 1-1 ist als der obere Teil in 1 gezeigt. Der Schnitt 3-3 ist um 90° gedreht als der obere Teil in 3 gezeigt. Der Schnitt 5-5 ist um 90° gedreht als der obere Teil in 5 gezeigt.
5 ist eine Schnittansicht eines zusammengebauten optischen Polymerschalters durch den Schnitt 5-5 aus 4. Die Ansicht wurde um 90° gedreht. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch den Schaltkanal 106. In dem Schaltkanal 106 befinden sich obere Kontaktanschlußflächen 406, 116 und 408 und untere Kontaktanschlußflächen 502, 130 und 504. Die oberen und unteren Kontakte können gekoppelt sein, um Kontaktringe zu bilden. Ebenso in dem Schaltkanal enthalten ist ein Volumen eines Flüssigmetalls, das als zwei Flüssigmetallvolumina 506 und 508 gezeigt ist. Die Flüssigmetallvolumina werden durch die Oberflächenspannung des Flüssigmetalls in Kontakt mit den Kontaktanschlußflächen gehalten. Die benetzbaren Kontaktanschlußflächen und die Oberflächenspannung des Flüssigmetalls liefern einen Verriegelungsmechanismus für den Schalter. Wenn das Flüssigmetall wie in 5 gezeigt verteilt ist, wird der optische Pfad zwischen den optischen Fasern 108 und 122 durch das Flüssigmetall blockiert, während der Pfad zwischen den optischen Fasern 310 und 314 offen ist. Wenn eine Spannung an den Heizer (304 in 3) angelegt wird, wird der Druck in dem Heizerhohlraum (302 in 3) erhöht. Der Heizerhohlraum ist mit dem Schalthohlraum gekoppelt und der Druck in dem rechten Ende des Schalthohlraums aus 5 wird ebenso erhöht. Der erhöhte Druck überwindet die Oberflächenspannung und unterbricht die Flüssigmetallverbindung zwischen den Kontaktanschlußflächen 408 und 504 und den Kontaktanschlußflächen 116 und 130. Ein Teil des Flüssigmetalls bewegt sich entlang des Schaltkanals und vereinigt sich mit dem Flüssigmetallvolumen 508. Auf diese Weise wird der optische Pfad zwischen den optischen Fasern 108 und 122 geöffnet, während das Flüssigmetall den Pfad zwischen den optischen Fasern 310 und 314 blockiert. Der resultierende geschaltete Zustand ist in 6 gezeigt. Wenn eine Spannung an einen entsprechenden Heizer in dem Heizerhohlraum 404 (in 4 gezeigt) angelegt wird, wird der Schalterzustand umgekehrt.
7 ist eine Ansicht der inneren Oberfläche des unteren Teils des Schalters, d. h. der oberen Oberfläche des transparenten Schaltersubstrats 120. Der untere Lötmittelring 126 bedeckt den Umfang des transparenten Schaltersubstrats 120. Das Lötmittel selbst ist in dieser Ansicht nicht gezeigt. Ein Heizer 304 ist auf dem Substrat positioniert, um mit dem Heizerhohlraum 302 (in 3 und 4 gezeigt) ausgerichtet zu sein, wenn der Schalter zusammengebaut wird. Ein Heizer 702 ist auf dem Substrat positioniert, um mit dem Heizerhohlraum 404 (in 4 gezeigt) ausgerichtet zu sein, wenn der Schalter zusammengebaut wird. Elektrische Verbindungen 306 und 308 erstrecken sich von dem Heizer 304 zu den Kanten des Substrats, so daß eine elektrische Spannung an den Heizer 322 angelegt werden kann. Die elektrischen Verbindungen 308 und 306 erstrecken sich von dem Heizer 304 zu den Kanten des Substrats, so daß eine elektrische Spannung an den Heizer 304 angelegt werden kann. Alternativ könnten die elektrischen Leiter durch Durchgangslöcher in dem Schaltersubstrat verlaufen. Isolierungsschichten 318 und 320 trennen die elektrischen Verbindungen von dem Lötmittelring 126. Eine Polymerschicht 322 trennt den Heizer 304 von dem transparenten Schaltersubstrat 120. Entsprechende Verbindungen und Isolierungsschichten werden verwendet, um den zweiten Heizer 702 mit der Kante des Substrats zu verbinden. Kontaktanschlußflächen 502, 130 und 504 weisen eine Oberfläche auf, die durch das Flüssigmetall in der Schaltkammer benetzbar ist. Der Schnitt 1-1 ist als der untere Teil in 1 gezeigt. Der Schnitt 3-3 (um 90° gedreht) ist als der untere Teil in 3 gezeigt. Der Schnitt 5-5 ist (um 90° gedreht) als der untere Teil in 5 gezeigt.
8 ist eine Ansicht der äußeren Oberfläche der transparenten Kanalträgerplatte 102. An der Platte angebracht sind optische Verbindungselemente 312 und 110, die die optischen Fasern 310 und 108 mit der Platte koppeln.

Claims

Optischer Polymerschalter mit folgenden Merkmalen: einer Polymerschicht (104); einem Schaltkanal (106), der in der Polymerschicht gebildet ist; einem Schaltersubstrat (120), das eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei die innere Oberfläche an der Polymerschicht (104) angebracht ist; einem Flüssigmetallschalter, der an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gebildet ist und in dem Schaltkanal (106) enthalten ist; und einem ersten optischen Pfad, der durch den Schaltkanal (106) verläuft.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 1, der ferner eine Schicht eines Haftmittels zwischen dem Schaltersubstrat (120) und der Polymerschicht (104) aufweist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Kanalträgerplatte (102) aufweist, die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist, wobei die innere Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) so an der Polymerschicht (104) angebracht ist, daß die Polymerschicht zwischen der Kanalträgerplatte und dem Schaltersubstrat (120) liegt.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 3, bei dem die Kanalträgerplatte (102) und das Schaltersubstrat (120) transparent sind.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 4, bei dem zumindest entweder die Kanalträgerplatte (102) oder das Schaltersubstrat (120) Glas ist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 4, bei dem zumindest entweder die Kanalträgerplatte (102) oder das Schaltersubstrat (120) Quarz ist.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, der ferner folgende Merkmale aufweist: ein erstes optisches Verbindungselement (110), das mit der äußeren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) gekoppelt ist; und ein zweites optisches Verbindungselement (124), das mit der äußeren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gekoppelt ist, wobei das zweite optische Verbindungselement (124) optisch mit dem ersten optischen Verbindungselement (110) ausgerichtet ist, um einen ersten optischen Pfad durch den Schaltkanal (106) zu bilden.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, der ferner eine hermetische Abdichtung zwischen der Kanalträgerplatte (102) und dem Schaltersubstrat (120 aufweist, wobei die hermetische Abdichtung, die Kanalträgerplatte und das Schaltersubstrat die Polymerschicht (104) umschließen.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 8, bei dem die hermetische Abdichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Lötmittelring (114), der an dem Umfang der inneren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) angebracht ist und die Polymerschicht (104) umgibt; einen zweiten Lötmittelring (126), der an dem Umfang der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) angebracht ist; und eine Lötmittelverbindung (128), die den ersten (114) und den zweiten (126) Lötmittelring verbindet.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 9, bei dem der erste (114) und der zweite (126) Lötmittelring durch geschmolzenes Lötmittel benetzbar sind.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Flüssigmetallschalter folgende Merkmale aufweist: eine erste äußere Kontaktanschlußfläche (406), die sich in dem Schaltkanal (106) befindet und eine Oberfläche aufweist, die durch ein Flüssigmetall benetzbar ist; eine zweite äußere Kontaktanschlußfläche (408), die sich in dem Schaltkanal (106) befindet und eine Oberfläche aufweist, die durch ein Flüssigmetall benetzbar ist; eine mittlere Kontaktanschlußfläche (116), die sich in dem Schaltkanal (106) zwischen der ersten (406) und der zweiten (408) äußeren Kontaktanschlußfläche befindet und eine Oberfläche aufweist, die durch ein Flüssigmetall benetzbar ist; ein erstes Flüssigmetallvolumen (508), das in dem Schalthohlraum (106) enthalten ist und in einem benetzten Kontakt zu der ersten äußeren Kontaktanschlußfläche (406) steht; ein zweites Flüssigmetallvolumen (506), das in dem Schalthohlraum (106) enthalten ist und in einem be netzten Kontakt zu der zweiten äußeren Kontaktanschlußfläche (408) steht; und ein drittes Flüssigmetallvolumen, das in dem Schalthohlraum (106) enthalten ist und in einem benetzten Kontakt zu der mittleren Kontaktanschlußfläche (116) steht, wobei das dritte Flüssigmetallvolumen angepaßt ist, um sich mit entweder dem ersten Flüssigmetallvolumen (508) oder dem zweiten Flüssigmetallvolumen (506) zu vereinigen.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 11, bei dem der erste optische Pfad zwischen dem ersten (508) und dem dritten Flüssigmetallvolumen liegt und unterbrochen ist, wenn sich das erste (508) und das dritte Flüssigmetallvolumen vereinigen.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 12, bei dem der Flüssigmetallschalter ferner folgende Merkmale aufweist: einen ersten Heizerhohlraum (404), der in der Polymerschicht (104) gebildet ist und mit dem Schaltkanal (106) gekoppelt ist; einen zweiten Heizerhohlraum (302), der in der Polymerschicht (104) gebildet und mit dem Schaltkanal (106) gekoppelt ist; einen ersten Heizer (702), der in dem ersten Heizerhohlraum (404) positioniert und angepaßt ist, um ein Fluid in dem ersten Hohlraum zu erwärmen; und einen zweiten Heizer (304), der in dem zweiten Heizerhohlraum (302) positioniert und angepaßt ist, um ein Fluid in dem zweiten Hohlraum zu erwärmen, wobei ein Betrieb des ersten Heizers (702) bewirkt, daß sich das dritte Flüssigmetallvolumen mit dem ersten Flüssigmetallvolumen (508) vereinigt, und ein Betrieb des zweiten Heizers (304) bewirkt, daß sich das dritte Flüssigmetallvolumen mit dem zweiten Flüssigmetallvolumen (506) vereinigt.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 13, der ferner folgende Merkmale aufweist: eine erste elektrische Verbindung (306, 308), die an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gebildet und elektrisch mit dem ersten Heizer (304) verbunden ist; und eine zweite elektrische Verbindung, die an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gebildet und elektrisch mit dem zweiten Heizer (702) verbunden ist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem zumindest entweder der erste Heizer (304) oder der zweite Heizer (702) von dem Schaltersubstrat (120) durch eine Anschlußfläche (322), die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, getrennt ist.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Anschlußfläche (322), die eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist, aus einem Polymermaterial hergestellt ist.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, der ferner einen zweiten optischen Pfad aufweist, der durch den Schaltkanal zwischen dem zweiten (506) und dem dritten Flüssigmetallvolumen verläuft, wobei der zweite optische Pfad unterbrochen ist, wenn sich das zweite (506) und das dritte Flüssigmetallvolumen vereinigen.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem die erste (406) und die zweite (408) äußere Kontaktanschlußfläche und die mittlere Kontaktanschlußfläche (116) an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) befestigt sind.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, der ferner eine Kanalträgerplatte (102) aufweist, die eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 19, bei dem die erste (406) und die zweite (408) äußere Kontaktanschlußfläche und die mittlere Kontaktanschlußfläche (116) an der inneren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) befestigt sind.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem zumindest eine der ersten äußeren Kontaktanschlußfläche (406), der zweiten äußeren Kontaktanschlußfläche (408) und der mittleren Kontaktanschlußfläche (116) ein Paar von Kontaktanschlußflächen aufweist, wobei eine des Paars von Kontaktanschlußflächen an der inneren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) befestigt ist und die andere an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) befestigt ist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 19, bei dem zumindest eine der ersten äußeren Kontaktanschlußfläche (406), der zweiten äußeren Kontaktanschlußfläche (408) und der mittleren Kontaktanschlußfläche (116) einen Kontaktring aufweist, der an den Wänden des Schaltkanals angebracht ist.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem die Polymerschicht (104) aus Polyimid besteht.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, bei dem die Polymerschicht (104) aus Kapton besteht.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, bei dem das Schaltersubstrat (120) aus einem Polymer besteht.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, der durch ein Verfahren einer Mikrobearbeitung hergestellt ist.
Verfahren zum Herstellen eines optischen Polymerschalters, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden einer Mehrzahl von Kontaktanschlußflächen (406, 408, 116) auf einem Schaltersubstrat (120); Bilden eines Heizers (304) auf dem Schaltersubstrat (120); Bilden einer Kanalstruktur (406) in einer Schicht aus Polymer (104), wobei die Kanalstruktur einen Schaltkanal (106) und einen Heizerhohlraum (302) aufweist, der mit dem Schaltkanal (106) gekoppelt ist; Plazieren eines Volumens eines Flüssigmetalls (506, 508) auf zumindest einer der Mehrzahl von Kontaktanschlußflächen; und Anbringen des Schaltersubstrats (120) an der Polymerschicht (104), derart, daß der Heizer (304) sich in dem Heizerhohlraum (302) befindet und die Mehrzahl von Kontaktanschlußflächen (406, 408, 116) sich in dem Schalthohlraum (106) befindet.
Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem die Kanalstruktur (406) in der Schicht aus Polymer durch eine Mikrobearbeitung gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 28, bei dem die Kanalstruktur in der Schicht aus Polymer durch Laserablation der Schicht aus Polymer gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 27 bis 29, bei dem die Polymerschicht (104) auf einer Kanalträgerplatte (102) gebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 30, das ferner folgende Schritte aufweist: Anbringen eines ersten Lötmittelrings (114) an dem Umfang der inneren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102), wobei der erste Lötmittelring (114) durch geschmolzenes Lötmittel benetzbar ist; Anbringen eines zweiten Lötmittelrings (126) an dem Umfang der inneren Oberfläche eines Schaltersubstrats (120), wobei der zweite Lötmittelring durch geschmolzenes Lötmittel benetzbar ist; und Löten des ersten Lötmittelrings (114) an den zweiten Lötmittelring (126), um eine Abdichtung (128) um die Polymerschicht (104) herum zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 30 oder 31, bei dem das Bilden der Kanalstruktur (406) in der Schicht aus Polymer (104) folgende Schritte aufweist: Beschichten der Kanalträgerplatte (102) mit einem flüssigen Polymer; Aushärten des flüssigen Polymers; und Abtragen des Polymers unter Verwendung eines Lasers, um die Kanalstruktur (406) zu bilden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 27 bis 31, bei dem das Formen der Kanalstruktur (406) in der Schicht aus Polymer (104) folgende Schritte aufweist: Bedecken einer Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) mit einem Polymer; und Bilden der Kanalstruktur (406) durch Photoabbildung.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 27 bis 33, bei dem das Anbringen des Schaltersubstrats (120) an der Polymerschicht (104) folgende Schritte aufweist: Aufbringen einer Schicht eines Haftmittels auf zumindest entweder die Polymerschicht (104) oder das Schaltersubstrat (120); und Bringen der Polymerschicht (104) in Kontakt mit dem Schaltersubstrat (120).
Optischer Polymerschalter mit folgenden Merkmalen: einer Kanalträgerplatte (102); einem Schaltersubstrat (120), das eine innere Oberfläche und eine äußere Oberfläche aufweist; einer Polymerschicht (104), die zwischen der Kanalträgerplatte (102) und dem Schaltersubstrat (120) positioniert ist; einem Schaltkanal (106), der in der Polymerschicht (104) gebildet ist; einem Flüssigmetallschalter, der an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gebildet und in dem Schaltkanal (106) enthalten ist; und einem ersten optischen Pfad, der durch den Schaltkanal (106) verläuft.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 35, bei dem die Kanalträgerplatte (102) und das Schaltersubstrat (120) transparent sind, der ferner folgende Merkmale aufweist: ein erstes optisches Verbindungselement (110), das mit der äußeren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) gekoppelt ist; und ein zweites optisches Verbindungselement (124), das mit der äußeren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gekoppelt ist, wobei das zweite optische Verbindungselement (124) optisch mit dem ersten optischen Verbindungselement (110) ausgerichtet ist, um einen ersten optischen Pfad durch den Schaltkanal (106) zu bilden.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 35 oder 36, der ferner eine hermetische Abdichtung zwischen der Kanalträgerplatte (102) und dem Schaltersubstrat (120) aufweist, wobei die hermetische Abdichtung, die Kanalträgerplatte und das Schaltersubstrat die Polymerschicht (104) umschließen, wobei die hermetische Abdichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Lötmittelring (114), der durch geschmolzenes Lötmittel benetzbar ist und an dem Umfang der inneren Oberfläche der Kanalträgerplatte (102) angebracht ist und die Polymerschicht (104) umgibt; einen zweiten Lötmittelring (126), der durch geschmolzenes Lötmittel benetzbar ist und an dem Umfang der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) angebracht ist; und eine Lötmittelverbindung (128), die den ersten (114) und den zweiten (126) Lötmittelring verbindet.
Optischer Polymerschalter gemäß einem der Ansprüche 35 bis 37, bei dem der Flüssigmetallschalter folgende Merkmale aufweist: eine erste äußere Kontaktanschlußfläche (406), die sich in dem Schaltkanal (106) befindet und eine Oberfläche aufweist, die durch ein Flüssigmetall benetzbar ist; eine zweite äußere Kontaktanschlußfläche (408), die sich in dem Schaltkanal (106) befindet und eine Oberfläche aufweist, die durch ein Flüssigmetall benetzbar ist; eine mittlere Kontaktanschlußfläche (116), die sich in dem Schaltkanal (106) zwischen der ersten (406) und der zweiten (408) äußeren Kontaktanschlußfläche befindet und eine Oberfläche aufweist, die durch ein Flüssigmetall benetzbar ist; ein erstes Flüssigmetallvolumen (508), das in dem Schalthohlraum (106) enthalten ist und in einem benetzten Kontakt zu der ersten äußeren Kontaktanschlußfläche (406) steht; ein zweites Flüssigmetallvolumen (506), das in dem Schalthohlraum (106) enthalten ist und in einem benetzten Kontakt zu der zweiten äußeren Kontaktanschlußfläche (408) steht; und ein drittes Flüssigmetallvolumen, das in dem Schalthohlraum (106) enthalten ist und in einem benetzten Kontakt zu der mittleren Kontaktanschlußfläche (116) steht, wobei das dritte Flüssigmetallvolumen sich mit entweder dem ersten Flüssigmetallvolumen (508) oder dem zweiten Flüssigmetallvolumen (506) vereinigt, wobei der erste optische Pfad zwischen dem ersten und dem dritten Flüssigmetallvolumen liegt und unterbrochen ist, wenn sich das erste und das dritte Flüssigmetallvolumen vereinigen.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 38, bei dem der Flüssigmetallschalter ferner folgende Merkmale aufweist: einen ersten Heizerhohlraum (404), der in der Polymerschicht (104) gebildet ist und mit dem Schaltkanal (106) gekoppelt ist; einen zweiten Heizerhohlraum (302), der in der Polymerschicht (104) gebildet und mit dem Schaltkanal (106) gekoppelt ist; einen ersten Heizer (702), der in dem ersten Heizerhohlraum (404) positioniert und angepaßt ist, um ein Fluid in dem ersten Heizerhohlraum zu erwärmen; und einen zweiten Heizer (304), der in dem zweiten Heizerhohlraum (302) positioniert und angepaßt ist, um ein Fluid in dem zweiten Heizerhohlraum zu erwärmen, wobei ein Betrieb des ersten Heizers (702) bewirkt, daß sich das dritte Flüssigmetallvolumen mit dem ersten Flüssigmetallvolumen (508) vereinigt, und ein Betrieb des zweiten Heizers (304) bewirkt, daß sich das dritte Flüssigmetallvolumen mit dem zweiten Flüssigmetallvolumen (506) vereinigt.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 39, der ferner folgende Merkmale aufweist: eine erste elektrische Verbindung (306, 308), die an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gebildet und elektrisch mit dem ersten Heizer (304) verbunden ist; und eine zweite elektrische Verbindung, die an der inneren Oberfläche des Schaltersubstrats (120) gebildet und elektrisch mit dem zweiten Heizer (702) verbunden ist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 39, bei dem zumindest entweder der erste Heizer (304) oder der zweite Heizer (702) von dem Schaltersubstrat (120) durch eine Anschlußfläche (322), die eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, getrennt ist.
Optischer Polymerschalter gemäß Anspruch 38, bei dem zumindest eine der ersten äußeren Kontaktanschlußfläche (406), der zweiten äußeren Kontaktanschlußfläche (408) und der mittleren Kontaktanschlußfläche (116) einen Kontaktring aufweist, der an den Wänden des Schaltkanals (106) angebracht ist.