專利名稱：層狀彎曲元件光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于利用光觸發(fā)開關(guān)來以比10—n秒更快的速度來接通或者斷開光學(xué)波導(dǎo)中光信號的方法，其中，層狀元件彎曲以閉合通道。這些開關(guān)可制成保持閉鎖直到被解鎖。
背景技術(shù)：
隨著技術(shù)促進(jìn)三維圖像的通訊，視頻和軟件應(yīng)用需要比以往更快地傳送更多的信息。光纖光學(xué)通道可以比金屬線處理更多的這種信息。光纖光學(xué)通訊通道的最慢部分目前是光導(dǎo)纖維開關(guān)裝置。目前，光導(dǎo)纖
維信號利用各種方法被轉(zhuǎn)換，所述方法通過晶體管被致動。2003年7月15日頒發(fā)給Yueh Liang Chung等人的美國專利6， 594， 411啟示了光學(xué)開關(guān)，提到了壓電元件。壓電元件被電信號致動，其可以限制到晶體管實(shí)現(xiàn)的10_9秒。1997年12月30日授予給William Miller等的美國專利5， 703， 975啟示了一種"干涉型開關(guān)(interferometric switch)",其物理上用于小型化的部件。在William Miller的裝置中，部件長度超過一厘米。最后，2006年7月4日頒發(fā)給Gary Poovey的美國專利7，072，536教導(dǎo)了光觸發(fā)光開關(guān)，這里引為參考，它與本發(fā)明一樣快，因?yàn)樗枪庥|發(fā)的，但是缺乏閉鎖功能。

發(fā)明內(nèi)容
層狀的彎曲元件光開關(guān)使用了電磁波的下列特性不能傳播通過尺寸上比波長更小的通道，從而關(guān)閉光纖光學(xué)通道中的光信號。將光纖光學(xué)通道開啟到足夠大的尺寸允許層狀彎曲元件光開關(guān)能夠打開光學(xué)通道中的信號。層狀彎曲元件光開關(guān)使用了當(dāng)暴露于充分的電場時元件的彎曲，該元件由不同定向的壓電材料的層構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)光纖光學(xué)通道的閉合和開啟。通道中的光的電場是影響壓電材料變化的電場。層狀
彎曲元件光開關(guān)的轉(zhuǎn)換速度可以比10—"秒更快。這比任何晶體管致動的開關(guān)快100倍。層狀彎曲元件光開關(guān)可以制成長度小于30微米，寬度小于3微米，高度取決于光學(xué)纖維通道中使用的具體波長。數(shù)百萬個這種開關(guān)可以形成在上述干涉型開關(guān)中的一個的區(qū)域中。層狀彎曲元件光開關(guān)將比干涉型開關(guān)快IOO倍或者更多。使用層狀彎曲元件光開關(guān)，光纖通訊將增快IOO倍或更多，并且部件將能夠形成為計(jì)算機(jī)芯片部件的尺寸。層狀彎曲元件光開關(guān)可以使用一個光通道中的光，從而接通或者斷開相鄰光通道中的光?？梢詡鬟f穿過光纖通道的信號的量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穿過通常的電話線傳播的量。社會需要更快的聲音圖片和視頻信號的傳送。目前，這些通訊信號的切換受到晶體管速度的限制，它們以大約10—9秒而切換。為了社會實(shí)現(xiàn)更快的信號切換，這里引為參考的光觸發(fā)光開關(guān)以及層狀彎曲元件光開關(guān)是必須的。層狀彎曲元件光開關(guān)可以形成為彼此靠近，從而彎曲元件將彼此鎖定或者閉鎖。這種閉鎖功能將使得能夠開啟使用光來處理信息的計(jì)算機(jī)的大門。閉鎖可用于存儲信息并且制造存儲裝置。層狀彎曲元件光開關(guān)使其成為可能的計(jì)算機(jī)將能夠比目前的計(jì)算機(jī)快IOO倍或者更多。多層彎曲元件將提升彎曲。兩層或者恰好數(shù)層將響應(yīng)于電場，但是所產(chǎn)生的動作的量將不如具有多層的開關(guān)中那樣顯著。因此，多層彎曲元件開關(guān)的閉鎖將比數(shù)層構(gòu)造的開關(guān)更快和更進(jìn)一步。


圖1是層狀彎曲元件光學(xué)開關(guān)。與壓電元件平行的通道中的光的電場使得壓電材料響應(yīng)，其使得相鄰的通道收縮到非常小的尺寸以至于不允許光信號穿過通道。圖1A是開關(guān)開啟的圖形，圖1B是開關(guān)處于斷開位置的圖形。
圖2示出了多層構(gòu)造的層狀元件。
圖3是兩個層狀彎曲元件光開關(guān)，其設(shè)置成當(dāng)被適合的電場致動時閉鎖。由壓電元件分開的光通道中的光的電場使得壓電元件彎曲從而彼此接觸。壓電元件的端部被加工成卡在彼此上，變得閉鎖在一起。圖3A是層狀彎曲元件光開關(guān)設(shè)置成閉鎖在解鎖狀態(tài)，圖3B是層狀彎曲
元件光開關(guān)設(shè)置成閉鎖在閉鎖狀態(tài)。
圖4是閉鎖開關(guān)閉鎖的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。圖4A是用于直角或者接近直角的層狀彎曲元件光開關(guān)的閉鎖件，設(shè)置成閉鎖。圖4B是用于平角或者接近平角的閉鎖件。層狀彎曲元件光開關(guān)設(shè)置成閉鎖層狀彎曲元件光開關(guān)，可以處于不同尺寸的通道中，從而不同波長的光可以用于致動它們。通道的寬度可以略微不同，或者通道的高度可以略微不同。三個或者多個層狀元件可以制成閉鎖在一起，同樣用于處理特殊的信號管理需要。
具體實(shí)施例方式
層狀(layered)彎曲元件光開關(guān)使用了壓電材料的下列特性當(dāng)受到電場的影響時，壓電元件的尺寸改變。通道中光的電場是本發(fā)明中壓電材料所響應(yīng)的電場。隨著壓電材料響應(yīng)于電場的影響而改變尺寸，光通道變大或者變小。當(dāng)壓電材料響應(yīng)于穿過通道的光的電場時，光通道從小尺寸而開啟從而允許光信號穿過它們時，開關(guān)開啟。當(dāng)通道變得足夠小時， 一定波長的光信號將不再穿過較小的通道。當(dāng)光信號將不穿過已經(jīng)變小的光通道時，信號被切斷。 一些壓電材料具有結(jié)晶定向(crystal orientation),該定向必須與使其改變形狀的電場相對齊。其它的壓電材料可以在磁場或電場中被加熱并且定向成沿著適合的方向?qū)⒈皇┘拥碾妶鲎鞒鲰憫?yīng)。在構(gòu)造層狀彎曲元件光開關(guān)時，壓電元件將由多層構(gòu)成。一層彎曲元件將具有與相鄰層壓電元件相反的結(jié)晶定向。這些層可以是在一層材料中或者多層中，其中金屬或者其它材料位于壓電材料之間?？梢跃哂兴婕暗?、 3、 4…或者多層。所述層交替定向從而增強(qiáng)對于施加到它們的光的電場的響應(yīng)。由于這些不同定向的壓電材料受到通道中光的電場的影響，電場將使得元件發(fā)生彎曲。與較少層的情況相比，許多層使得響應(yīng)更加迅速，并且更加顯著?？梢栽诖艌龌蛘唠妶鲋卸ㄏ虻膲弘姴牧系膶?shí)例是鋯酸鉛和鈦酸鉛或者鋯鈦酸鉛，也稱為PZT。對于一個實(shí)例，根據(jù)一種形式的坡印廷向量等式，其寫作五-(2/z。cP,，從通道中的光的以瓦為單位的功率獲得的以電壓為單位的電場。其中；/。是4; /xl(r7Weber/amp-meter,并且c是3xl()8米/秒。利用這個關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，四分之一微米通道中通過150毫瓦信號產(chǎn)生的電 壓是10伏。這個電壓將用于致動閉鎖光纖(fiber optics)開關(guān)。當(dāng) 使用鋯鈦酸鉛時，光產(chǎn)生的電壓將把2065二的通道尺寸改變40。鋯鈦 酸鉛具有3. 90xl(^。米/伏的壓電應(yīng)變系數(shù)。通常用于光纖的818nm的光 (8180^1)將能夠在剛好大于2045^(通道中傳播，并且將不能在更小的 通道中傳播。當(dāng)2065二的通道改變到2014》時，8180^(或者更大波長的 光將被切斷，然而8056-或者更小波長的光將仍然穿過。在本發(fā)明中， 切換機(jī)構(gòu)是彎曲的壓電元件，其在適合的定向和功率的電場存在的情況 下發(fā)生彎曲。這種元件包括多層，其中柔性金屬薄膜位于層之間。用于 制造彎曲元件的方法如下首先，非定向(non-oriented)的壓電層被 沉積在基底上，基底可以是硅晶片，具有金屬覆層。然后，通道被蝕刻 在壓電層中。柔性金屬薄膜被沉積在蝕刻的通道中。多余的金屬薄膜被 去除，并且通過施加在各層之間的金屬上的電場的相反極性，壓電層沿 著與相鄰層中相反的方向定向。當(dāng)適合光信號的電場與它相互作用時， 用這種方式構(gòu)造的元件將彎曲。如已經(jīng)討論過的，如果元件彎曲充分的 距離，那么光通道將被閉合從而光信號不能通過。另外，如果兩個或者 多個具有可閉鎖端部的這種元件被彎曲成閉鎖狀態(tài)，那么一旦在通道中 沒有光，可以被切斷的光信號以及閉鎖開關(guān)將保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。閉鎖的開 關(guān)可以通過以適合的順序施加光而被解鎖，從而使得元件彎曲，實(shí)現(xiàn)解 鎖。附圖示出了層狀彎曲元件光開關(guān)和閉鎖光開關(guān)的工作方式。圖1A 中，箭頭l表示光在一側(cè)上穿過光通道進(jìn)入層狀彎曲元件光開關(guān)。箭頭 1進(jìn)入的那一側(cè)是光幵關(guān)的接通和斷開(on and off)側(cè)。箭頭2表示 光在觸發(fā)側(cè)上穿過層狀彎曲元件光開關(guān)。矩形通道4是層狀彎曲元件光 開關(guān)的接通和斷開側(cè)，也就是彎曲元件朝向其彎曲的一側(cè)。矩形實(shí)心體 6是直的彎曲元件。元件沒有被開關(guān)信號的電場作用在其上，該信號將 具有充分的功率以使得元件彎曲。矩形通道9是層狀彎曲元件光開關(guān)的
遠(yuǎn)離彎曲方向的一側(cè)，彎曲元件可以被沿著該彎曲方向彎曲。箭頭7是 當(dāng)彎曲元件沒有彎曲時離開層狀彎曲元件光開關(guān)的光。開關(guān)在這個位置 被接通。箭頭8是光離開遠(yuǎn)離彎曲元件彎曲方向的一側(cè)，其可以通過穿 過開關(guān)的光的電場而接通或者斷開穿過開關(guān)的信號。圖IB中，箭頭10是進(jìn)入層狀彎曲元件光開關(guān)的光，當(dāng)彎曲元件 彎曲時，所述光將借助于所述彎曲元件通過閉合通道而被切斷。箭頭 12表示光進(jìn)入這樣一側(cè)，該側(cè)遠(yuǎn)離所述彎曲元件可以彎曲到其中且切 斷光信號的側(cè)。箭頭12指示的光具有足夠的功率以致動開關(guān)。光通道 14是彎曲元件彎曲到其中以切斷信號的光通道。光通道16是層狀彎曲 元件光開關(guān)的遠(yuǎn)離彎曲元件方向的一側(cè)。彎曲元件18處于彎曲狀態(tài)。 沒有光穿過開關(guān)的彎曲元件已經(jīng)移入其中的一側(cè)。開關(guān)處于切斷位置。 箭頭19是光仍然穿過層狀彎曲元件光開關(guān)的這樣一側(cè)，該側(cè)遠(yuǎn)離彎曲 元件彎曲以切斷光信號的彎曲方向。
圖2中，多層的具有圖案的元件利用標(biāo)記5表示。在層狀的彎曲 元件中，各層可以是一層材料，其中具有不同結(jié)晶定向的層，當(dāng)暴露到 電場時，其迫使元件彎曲?？梢源嬖谝粚訅弘姴牧希B接到另一個材料， 從而當(dāng)暴露到電場時組件彎曲。彎曲元件可以由2、 3、 4…層或者多層 構(gòu)成，其中在它們之間具有或者不具有金屬。這些層具有相反的定向， 從而當(dāng)暴露到電場時層狀彎曲元件彎曲。相比較少的層，多層使得對于 電場的響應(yīng)更加快，并且更加顯著。
圖3A中，箭頭20表示光進(jìn)入層狀彎曲元件光開關(guān)的一側(cè)，該側(cè) 構(gòu)造成如果閉鎖元件被彎曲并閉鎖，允許信號被接通或者切斷。箭頭 22表示光進(jìn)入一側(cè)，該側(cè)遠(yuǎn)離層狀彎曲元件光開關(guān)的彎曲元件彎曲時 朝其彎曲的一側(cè)。矩形通道24是層狀彎曲元件光開關(guān)的第一側(cè)，在彎 曲元件彎曲時朝其彎曲的一側(cè)上。彎曲元件26是層狀彎曲元件光開關(guān) 的第一半部，其彎曲并且閉鎖以切斷光信號。矩形通道28是光通道的 一側(cè)，其遠(yuǎn)離彎曲元件可以朝其彎曲并且切斷信號的一側(cè)。矩形通道 30是光通道的第二半部，在彎曲和閉鎖元件可以朝其彎曲以閉鎖和切 斷穿過通道的光的一側(cè)上。彎曲元件32是層狀彎曲元件光開關(guān)的沒有 被彎曲和閉鎖的第二半部，從而光可以穿過。開關(guān)接通。矩形通道34 是層狀彎曲元件光開關(guān)的第二半部，其遠(yuǎn)離開關(guān)的彎曲元件朝其彎曲的 一側(cè)。箭頭36和38是光穿過層狀彎曲元件光開關(guān)的一側(cè)。
圖3B中，箭頭40是光進(jìn)入層狀彎曲元件光開關(guān)，其構(gòu)造成閉鎖 在當(dāng)元件彎曲和閉鎖時光信號可以被接通或者斷開的一側(cè)上。這是彎曲元件當(dāng)彎曲時朝其彎曲的一側(cè)。矩形光通道44是層狀彎曲元件光開關(guān) 的第一半部，彎曲元件當(dāng)彎曲時彎曲到開關(guān)的該側(cè)中。箭頭42是光進(jìn) 入層狀彎曲元件光開關(guān)，其已經(jīng)構(gòu)造成閉鎖在遠(yuǎn)離彎曲元件彎曲方向的 一側(cè)上。彎曲元件48是層狀彎曲元件光開關(guān)中的第一元件，其可以閉 鎖。它處于未彎曲狀態(tài)。開關(guān)處于接通狀態(tài)。在轉(zhuǎn)換光中不具有足夠的 能量以使得元件彎曲和閉鎖。矩形通道50是層狀彎曲元件光開關(guān)的第 二半部，其可以遠(yuǎn)離彎曲元件的彎曲方向而閉鎖。層狀彎曲元件光開關(guān) 的可以閉鎖的這一側(cè)中的光將不會由于元件的彎曲而接通或斷開。矩形 光通道54是層狀彎曲元件中的可以閉鎖的通道的第二半部，彎曲元件 可以彎曲到其中，并且使得光信號通過閉鎖元件的彎曲而被接通或者斷 開。彎曲元件52是第二彎曲元件，當(dāng)開關(guān)被閉鎖時，其與彎曲元件48 閉鎖。它不彎曲。轉(zhuǎn)換光中具有足夠的能量以使得元件彎曲和閉鎖。開 關(guān)處于斷開狀態(tài)。箭頭56是光通向?qū)訝顝澢忾_關(guān)外，其被制成 閉鎖在接通狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)注意，沒有箭頭表示光在元件朝其彎曲的一側(cè)上 到達(dá)開關(guān)外部。
圖4A的圖形是當(dāng)它們可以被形成為閉鎖時的兩個閉鎖元件。彎曲 元件60是一個彎曲元件，當(dāng)被成對的另一個元件62卡住時，其將被閉 鎖在適合位置。圖4B的圖形是當(dāng)它們可以被形成為閉鎖時的兩個閉鎖 元件。彎曲元件64是一個彎曲元件，當(dāng)被成對的另一個彎曲元件66卡 住時，其將被閉鎖在適當(dāng)位置。其它閉鎖形狀可用于執(zhí)行所需要的一旦 彎曲就位就能夠閉鎖的功能。 一些閉鎖幾何輪廓將能夠更好地用于以直 角設(shè)置的層狀彎曲元件光開關(guān)，而其他的將更好地用于接近平角的結(jié) 構(gòu)。三個或多個層狀元件可以制成為閉鎖在一起用于具體應(yīng)用的信號管 理。層狀彎曲元件光開關(guān)的四幅圖是示意圖。實(shí)際的開關(guān)中，另外層的 材料將用于固定覆蓋和對齊所述光纖組件中的光纖開關(guān)。
權(quán)利要求
1.一種用于光學(xué)波導(dǎo)中光的接通和斷開開關(guān)，包括兩個平行的光通道，在它們之間具有層狀的彎曲元件，由壓電材料制成，其在通道中存在的具有足夠功率的光產(chǎn)生的電場中彎曲，A.當(dāng)元件沒有彎曲時，其接通，B.當(dāng)元件彎曲時，其斷開。
2. —種用于光學(xué)波導(dǎo)中光的接通和斷開開關(guān)，包括多個平行的光 通道，具有一個以上的層狀彎曲元件，所述彎曲元件一旦由于具有充分 功率的光的電場而彎曲，就能夠閉鎖在一起，從而一旦使得轉(zhuǎn)換發(fā)生的 光不再存在，光開關(guān)保持在斷開狀態(tài)，A.當(dāng)元件沒有彎曲時，其接通， B.當(dāng)元件彎曲并閉鎖時，其斷開。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的光開關(guān)，其特征在于，光利用下面的 造成轉(zhuǎn)換的光被轉(zhuǎn)換為A.接通B.斷開，所述造成轉(zhuǎn)換的光即A.波長 長于被轉(zhuǎn)換的光，B.波長短于被轉(zhuǎn)換的光，C.波長與被轉(zhuǎn)換的光相等。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的光開關(guān)，其特征在于，層狀彎曲元件 包括通過柔性金屬部分分開的多層壓電材料，壓電材料以一個定向排 列，并且相鄰壓電材料在彎曲元件中以相反的定向排列。
5. 如權(quán)利要求2所述的光開關(guān)，其特征在于，多個壓電元件A. 以銳角相交，B.以直角相交，C.以平角相交，以與它們端部上適合于它 們相交角度的固定裝置閉鎖，從而一旦由于電場而彎曲，元件將閉鎖在 彎曲狀態(tài)， 一旦不具有電場，彎曲狀態(tài)也不改變。
6. 如權(quán)利要求2所述的光開關(guān)，其特征在于，具有壓電元件，所 述壓電元件一旦閉鎖，可以通過使得具有適合正時和功率的信號穿過而 被解鎖，從而解鎖所述被閉鎖的元件。
7. 如權(quán)利要求1或2所述的光開關(guān)，其特征在于，其具有這樣的 尺寸，使得通道中的電磁輻射具有從若干碼長或者若干埃長電磁輻射的 不同波長。
8. 如權(quán)利要求1或2所述的光開關(guān)，其特征在于，具有層狀的彎 曲元件，A.僅一側(cè)上包括壓電材料，B.—個壓電材料元件具有許多相反 定向的層，C.許多壓電材料層具有位于它們之間的柔性材料。
9. 如權(quán)利要求2所述的光開關(guān)，其特征在于， 一旦被閉鎖，其不 能被解鎖。
10. 如權(quán)利要求1或2所述的用于光信號的光開關(guān)，其特征在于， 實(shí)現(xiàn)通道中光信號切換的光被施加在光通道附近的導(dǎo)體上，該通道具有 在其中被切換的光。
全文摘要
通過施加穿過通道的光的電場，一種層狀彎曲元件光開關(guān)將用于接通或者斷開兩個相鄰光纖通道其中一個中的光信號。層狀彎曲元件光開關(guān)可以形成為彼此靠近從而彎曲元件將閉鎖在一起并且保持在元件端部形狀所需的狀態(tài)。彎曲通過壓電材料對于光纖通道中光的電場的響應(yīng)而實(shí)現(xiàn)。這將允許通過形成為閉鎖的層狀彎曲元件光開關(guān)而存儲。不同頻率的光可以在具有適合尺寸的光通道中傳播，不會彼此妨礙。致動光切換或者閉鎖的光可以具有與被接通或斷開的光不同的頻率。這個開關(guān)保持所需的閉鎖位置，直到適合波長和功率的光信號以正確的順序施加到層狀彎曲元件光開關(guān)從而解鎖。
文檔編號G02B6/35GK101632031SQ200780051954
公開日2010年1月20日 申請日期2007年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月1日
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