专利名称：层状弯曲元件光开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于利用光触发开关来以比10—n秒更快的速度来接通或者断开光学波导中光信号的方法，其中，层状元件弯曲以闭合通道。这些开关可制成保持闭锁直到被解锁。
背景技术：
随着技术促进三维图像的通讯，视频和软件应用需要比以往更快地传送更多的信息。光纤光学通道可以比金属线处理更多的这种信息。光纤光学通讯通道的最慢部分目前是光导纤维开关装置。目前，光导纤
维信号利用各种方法被转换，所述方法通过晶体管被致动。2003年7月15日颁发给Yueh Liang Chung等人的美国专利6， 594， 411启示了光学开关，提到了压电元件。压电元件被电信号致动，其可以限制到晶体管实现的10_9秒。1997年12月30日授予给William Miller等的美国专利5， 703， 975启示了一种"干涉型开关(interferometric switch)",其物理上用于小型化的部件。在William Miller的装置中，部件长度超过一厘米。最后，2006年7月4日颁发给Gary Poovey的美国专利7，072，536教导了光触发光开关，这里引为参考，它与本发明一样快，因为它是光触发的，但是缺乏闭锁功能。
发明内容
层状的弯曲元件光开关使用了电磁波的下列特性不能传播通过尺寸上比波长更小的通道，从而关闭光纤光学通道中的光信号。将光纤光学通道开启到足够大的尺寸允许层状弯曲元件光开关能够打开光学通道中的信号。层状弯曲元件光开关使用了当暴露于充分的电场时元件的弯曲，该元件由不同定向的压电材料的层构成，从而实现光纤光学通道的闭合和开启。通道中的光的电场是影响压电材料变化的电场。层状
弯曲元件光开关的转换速度可以比10—"秒更快。这比任何晶体管致动的开关快100倍。层状弯曲元件光开关可以制成长度小于30微米，宽度小于3微米，高度取决于光学纤维通道中使用的具体波长。数百万个这种开关可以形成在上述干涉型开关中的一个的区域中。层状弯曲元件光开关将比干涉型开关快IOO倍或者更多。使用层状弯曲元件光开关，光纤通讯将增快IOO倍或更多，并且部件将能够形成为计算机芯片部件的尺寸。层状弯曲元件光开关可以使用一个光通道中的光，从而接通或者断开相邻光通道中的光。可以传递穿过光纤通道的信号的量远远大于穿过通常的电话线传播的量。社会需要更快的声音图片和视频信号的传送。目前，这些通讯信号的切换受到晶体管速度的限制，它们以大约10—9秒而切换。为了社会实现更快的信号切换，这里引为参考的光触发光开关以及层状弯曲元件光开关是必须的。层状弯曲元件光开关可以形成为彼此靠近，从而弯曲元件将彼此锁定或者闭锁。这种闭锁功能将使得能够开启使用光来处理信息的计算机的大门。闭锁可用于存储信息并且制造存储装置。层状弯曲元件光开关使其成为可能的计算机将能够比目前的计算机快IOO倍或者更多。多层弯曲元件将提升弯曲。两层或者恰好数层将响应于电场，但是所产生的动作的量将不如具有多层的开关中那样显著。因此，多层弯曲元件开关的闭锁将比数层构造的开关更快和更进一步。
图1是层状弯曲元件光学开关。与压电元件平行的通道中的光的电场使得压电材料响应，其使得相邻的通道收縮到非常小的尺寸以至于不允许光信号穿过通道。图1A是开关开启的图形，图1B是开关处于断开位置的图形。
图2示出了多层构造的层状元件。
图3是两个层状弯曲元件光开关，其设置成当被适合的电场致动时闭锁。由压电元件分开的光通道中的光的电场使得压电元件弯曲从而彼此接触。压电元件的端部被加工成卡在彼此上，变得闭锁在一起。图3A是层状弯曲元件光开关设置成闭锁在解锁状态，图3B是层状弯曲
元件光开关设置成闭锁在闭锁状态。
图4是闭锁开关闭锁的详细结构。图4A是用于直角或者接近直角的层状弯曲元件光开关的闭锁件，设置成闭锁。图4B是用于平角或者接近平角的闭锁件。层状弯曲元件光开关设置成闭锁层状弯曲元件光开关，可以处于不同尺寸的通道中，从而不同波长的光可以用于致动它们。通道的宽度可以略微不同，或者通道的高度可以略微不同。三个或者多个层状元件可以制成闭锁在一起，同样用于处理特殊的信号管理需要。
具体实施例方式
层状(layered)弯曲元件光开关使用了压电材料的下列特性当受到电场的影响时，压电元件的尺寸改变。通道中光的电场是本发明中压电材料所响应的电场。随着压电材料响应于电场的影响而改变尺寸，光通道变大或者变小。当压电材料响应于穿过通道的光的电场时，光通道从小尺寸而开启从而允许光信号穿过它们时，开关开启。当通道变得足够小时， 一定波长的光信号将不再穿过较小的通道。当光信号将不穿过已经变小的光通道时，信号被切断。 一些压电材料具有结晶定向(crystal orientation),该定向必须与使其改变形状的电场相对齐。其它的压电材料可以在磁场或电场中被加热并且定向成沿着适合的方向对将被施加的电场作出响应。在构造层状弯曲元件光开关时，压电元件将由多层构成。一层弯曲元件将具有与相邻层压电元件相反的结晶定向。这些层可以是在一层材料中或者多层中，其中金属或者其它材料位于压电材料之间。可以具有所涉及的2、 3、 4…或者多层。所述层交替定向从而增强对于施加到它们的光的电场的响应。由于这些不同定向的压电材料受到通道中光的电场的影响，电场将使得元件发生弯曲。与较少层的情况相比，许多层使得响应更加迅速，并且更加显著。可以在磁场或者电场中定向的压电材料的实例是锆酸铅和钛酸铅或者锆钛酸铅，也称为PZT。对于一个实例，根据一种形式的坡印廷向量等式，其写作五-(2/z。cP,，从通道中的光的以瓦为单位的功率获得的以电压为单位的电场。其中；/。是4; /xl(r7Weber/amp-meter,并且c是3xl()8米/秒。利用这个关系，可以发现，四分之一微米通道中通过150毫瓦信号产生的电 压是10伏。这个电压将用于致动闭锁光纤(fiber optics)开关。当 使用锆钛酸铅时，光产生的电压将把2065二的通道尺寸改变40。锆钛 酸铅具有3. 90xl(^。米/伏的压电应变系数。通常用于光纤的818nm的光 (8180^1)将能够在刚好大于2045^(通道中传播，并且将不能在更小的 通道中传播。当2065二的通道改变到2014》时，8180^(或者更大波长的 光将被切断，然而8056-或者更小波长的光将仍然穿过。在本发明中， 切换机构是弯曲的压电元件，其在适合的定向和功率的电场存在的情况 下发生弯曲。这种元件包括多层，其中柔性金属薄膜位于层之间。用于 制造弯曲元件的方法如下首先，非定向(non-oriented)的压电层被 沉积在基底上，基底可以是硅晶片，具有金属覆层。然后，通道被蚀刻 在压电层中。柔性金属薄膜被沉积在蚀刻的通道中。多余的金属薄膜被 去除，并且通过施加在各层之间的金属上的电场的相反极性，压电层沿 着与相邻层中相反的方向定向。当适合光信号的电场与它相互作用时， 用这种方式构造的元件将弯曲。如已经讨论过的，如果元件弯曲充分的 距离，那么光通道将被闭合从而光信号不能通过。另外，如果两个或者 多个具有可闭锁端部的这种元件被弯曲成闭锁状态，那么一旦在通道中 没有光，可以被切断的光信号以及闭锁开关将保持断开状态。闭锁的开 关可以通过以适合的顺序施加光而被解锁，从而使得元件弯曲，实现解 锁。附图示出了层状弯曲元件光开关和闭锁光开关的工作方式。图1A 中，箭头l表示光在一侧上穿过光通道进入层状弯曲元件光开关。箭头 1进入的那一侧是光幵关的接通和断开(on and off)侧。箭头2表示 光在触发侧上穿过层状弯曲元件光开关。矩形通道4是层状弯曲元件光 开关的接通和断开侧，也就是弯曲元件朝向其弯曲的一侧。矩形实心体 6是直的弯曲元件。元件没有被开关信号的电场作用在其上，该信号将 具有充分的功率以使得元件弯曲。矩形通道9是层状弯曲元件光开关的
远离弯曲方向的一侧，弯曲元件可以被沿着该弯曲方向弯曲。箭头7是 当弯曲元件没有弯曲时离开层状弯曲元件光开关的光。开关在这个位置 被接通。箭头8是光离开远离弯曲元件弯曲方向的一侧，其可以通过穿 过开关的光的电场而接通或者断开穿过开关的信号。图IB中，箭头10是进入层状弯曲元件光开关的光，当弯曲元件 弯曲时，所述光将借助于所述弯曲元件通过闭合通道而被切断。箭头 12表示光进入这样一侧，该侧远离所述弯曲元件可以弯曲到其中且切 断光信号的侧。箭头12指示的光具有足够的功率以致动开关。光通道 14是弯曲元件弯曲到其中以切断信号的光通道。光通道16是层状弯曲 元件光开关的远离弯曲元件方向的一侧。弯曲元件18处于弯曲状态。 没有光穿过开关的弯曲元件已经移入其中的一侧。开关处于切断位置。 箭头19是光仍然穿过层状弯曲元件光开关的这样一侧，该侧远离弯曲 元件弯曲以切断光信号的弯曲方向。
图2中，多层的具有图案的元件利用标记5表示。在层状的弯曲 元件中，各层可以是一层材料，其中具有不同结晶定向的层，当暴露到 电场时，其迫使元件弯曲。可以存在一层压电材料，连接到另一个材料， 从而当暴露到电场时组件弯曲。弯曲元件可以由2、 3、 4…层或者多层 构成，其中在它们之间具有或者不具有金属。这些层具有相反的定向， 从而当暴露到电场时层状弯曲元件弯曲。相比较少的层，多层使得对于 电场的响应更加快，并且更加显著。
图3A中，箭头20表示光进入层状弯曲元件光开关的一侧，该侧 构造成如果闭锁元件被弯曲并闭锁，允许信号被接通或者切断。箭头 22表示光进入一侧，该侧远离层状弯曲元件光开关的弯曲元件弯曲时 朝其弯曲的一侧。矩形通道24是层状弯曲元件光开关的第一侧，在弯 曲元件弯曲时朝其弯曲的一侧上。弯曲元件26是层状弯曲元件光开关 的第一半部，其弯曲并且闭锁以切断光信号。矩形通道28是光通道的 一侧，其远离弯曲元件可以朝其弯曲并且切断信号的一侧。矩形通道 30是光通道的第二半部，在弯曲和闭锁元件可以朝其弯曲以闭锁和切 断穿过通道的光的一侧上。弯曲元件32是层状弯曲元件光开关的没有 被弯曲和闭锁的第二半部，从而光可以穿过。开关接通。矩形通道34 是层状弯曲元件光开关的第二半部，其远离开关的弯曲元件朝其弯曲的 一侧。箭头36和38是光穿过层状弯曲元件光开关的一侧。
图3B中，箭头40是光进入层状弯曲元件光开关，其构造成闭锁 在当元件弯曲和闭锁时光信号可以被接通或者断开的一侧上。这是弯曲元件当弯曲时朝其弯曲的一侧。矩形光通道44是层状弯曲元件光开关 的第一半部，弯曲元件当弯曲时弯曲到开关的该侧中。箭头42是光进 入层状弯曲元件光开关，其已经构造成闭锁在远离弯曲元件弯曲方向的 一侧上。弯曲元件48是层状弯曲元件光开关中的第一元件，其可以闭 锁。它处于未弯曲状态。开关处于接通状态。在转换光中不具有足够的 能量以使得元件弯曲和闭锁。矩形通道50是层状弯曲元件光开关的第 二半部，其可以远离弯曲元件的弯曲方向而闭锁。层状弯曲元件光开关 的可以闭锁的这一侧中的光将不会由于元件的弯曲而接通或断开。矩形 光通道54是层状弯曲元件中的可以闭锁的通道的第二半部，弯曲元件 可以弯曲到其中，并且使得光信号通过闭锁元件的弯曲而被接通或者断 开。弯曲元件52是第二弯曲元件，当开关被闭锁时，其与弯曲元件48 闭锁。它不弯曲。转换光中具有足够的能量以使得元件弯曲和闭锁。开 关处于断开状态。箭头56是光通向层状弯曲元件光开关外，其被制成 闭锁在接通状态。应当注意，没有箭头表示光在元件朝其弯曲的一侧上 到达开关外部。
图4A的图形是当它们可以被形成为闭锁时的两个闭锁元件。弯曲 元件60是一个弯曲元件，当被成对的另一个元件62卡住时，其将被闭 锁在适合位置。图4B的图形是当它们可以被形成为闭锁时的两个闭锁 元件。弯曲元件64是一个弯曲元件，当被成对的另一个弯曲元件66卡 住时，其将被闭锁在适当位置。其它闭锁形状可用于执行所需要的一旦 弯曲就位就能够闭锁的功能。 一些闭锁几何轮廓将能够更好地用于以直 角设置的层状弯曲元件光开关，而其他的将更好地用于接近平角的结 构。三个或多个层状元件可以制成为闭锁在一起用于具体应用的信号管 理。层状弯曲元件光开关的四幅图是示意图。实际的开关中，另外层的 材料将用于固定覆盖和对齐所述光纤组件中的光纤开关。
权利要求
1.一种用于光学波导中光的接通和断开开关，包括两个平行的光通道，在它们之间具有层状的弯曲元件，由压电材料制成，其在通道中存在的具有足够功率的光产生的电场中弯曲，A.当元件没有弯曲时，其接通，B.当元件弯曲时，其断开。
2. —种用于光学波导中光的接通和断开开关，包括多个平行的光 通道，具有一个以上的层状弯曲元件，所述弯曲元件一旦由于具有充分 功率的光的电场而弯曲，就能够闭锁在一起，从而一旦使得转换发生的 光不再存在，光开关保持在断开状态，A.当元件没有弯曲时，其接通， B.当元件弯曲并闭锁时，其断开。
3. 如权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，光利用下面的 造成转换的光被转换为A.接通B.断开，所述造成转换的光即A.波长 长于被转换的光，B.波长短于被转换的光，C.波长与被转换的光相等。
4. 如权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，层状弯曲元件 包括通过柔性金属部分分开的多层压电材料，压电材料以一个定向排 列，并且相邻压电材料在弯曲元件中以相反的定向排列。
5. 如权利要求2所述的光开关，其特征在于，多个压电元件A. 以锐角相交，B.以直角相交，C.以平角相交，以与它们端部上适合于它 们相交角度的固定装置闭锁，从而一旦由于电场而弯曲，元件将闭锁在 弯曲状态， 一旦不具有电场，弯曲状态也不改变。
6. 如权利要求2所述的光开关，其特征在于，具有压电元件，所 述压电元件一旦闭锁，可以通过使得具有适合正时和功率的信号穿过而 被解锁，从而解锁所述被闭锁的元件。
7. 如权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，其具有这样的 尺寸，使得通道中的电磁辐射具有从若干码长或者若干埃长电磁辐射的 不同波长。
8. 如权利要求1或2所述的光开关，其特征在于，具有层状的弯 曲元件，A.仅一侧上包括压电材料，B.—个压电材料元件具有许多相反 定向的层，C.许多压电材料层具有位于它们之间的柔性材料。
9. 如权利要求2所述的光开关，其特征在于， 一旦被闭锁，其不 能被解锁。
10. 如权利要求1或2所述的用于光信号的光开关，其特征在于， 实现通道中光信号切换的光被施加在光通道附近的导体上，该通道具有 在其中被切换的光。
全文摘要
通过施加穿过通道的光的电场，一种层状弯曲元件光开关将用于接通或者断开两个相邻光纤通道其中一个中的光信号。层状弯曲元件光开关可以形成为彼此靠近从而弯曲元件将闭锁在一起并且保持在元件端部形状所需的状态。弯曲通过压电材料对于光纤通道中光的电场的响应而实现。这将允许通过形成为闭锁的层状弯曲元件光开关而存储。不同频率的光可以在具有适合尺寸的光通道中传播，不会彼此妨碍。致动光切换或者闭锁的光可以具有与被接通或断开的光不同的频率。这个开关保持所需的闭锁位置，直到适合波长和功率的光信号以正确的顺序施加到层状弯曲元件光开关从而解锁。
文档编号G02B6/35GK101632031SQ200780051954
公开日2010年1月20日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年1月1日
发明者G·N·波维 申请人:伽马有限责任公司