CN100345026C - 冻融型光网络开关 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冻融型光网络开关，包括：一光开关基底；设置在基底上表面上的两条呈十字交叉的光波导信号传输通道；设置在两条光信号传输通道十字交叉处的一段狭长微型槽道，其内充填与光波导折射率匹配的匹配液，并与两光信号传输通道中的一条呈45°夹角；以及设置在槽道上、下方的第一微型热电制冷片和第二微型热电制冷片；热电制冷片分别与外接直流电源电连接。通过控制外接直流电源对热电制冷片实施制冷或加热，以使当匹配液处于液态时，光路导通；处于冻结状态时，阻塞光路的导通，从而达到光路的切换；本开关适用于极端环境下如极地、雪山等铺设的光网络。

Description

冻融型光网络开关

技术领域

本发明涉及一种用于对光信号传输方向进行切变的光网络开关，特别涉及一种利用两片或多片热电片对光波导通路中的一段匹配液进行冷冻/复温来实现固液相变，从而使光信号沿原方向无损传输或全反射到与原波导垂直方向的波导通路中，实现对光信号起开关作用的冻融型光网络开关。

背景技术

随着信息高速公路建设的飞速发展，远距离的信号传输越来越多地采用光纤完成，各种光网络的铺设如火如荼。在光网络通讯中，广泛用到的是密集波分复用技术，在各种光信号处理中，都需要对光信号进行各种切换操作。传统的光信号开关主要采用光-电-光的方式进行，即先将光信号转换为电信号，然后对电信号进行操作，结束后再将电信号转换为光信号，以继续进行远距离传输。这种开关存在着结构复杂、设备成本高昂、开关响应时间慢等缺点。为解决上述问题，各研发机构相继提出了各式各样的光-光开关，这些光开关直接对光信号进行处理，中间无需经过电信号的转换，结构简单、造价较低、开关响应速度大幅提高，从而得到了广泛的应用。但这种光-光直接切换的光开关仍存在许多不足和需要改进的地方，其性能的提高直接影响到光通讯网络技术的进一步发展。因此，研制新型的光开关，或对现有光开关的性能进行优化提高，对于发展光网络通信具有重要的现实意义。

目前，在现存的光开关器件中，热光开关和MEMS光开关发展较为成熟，已有大批成熟产品投放市场。MEMS光开关适合大规模集成，且开关速度较快，但因存在活动部件，其开关稳定性较低，由于此种光开关的结构一般较为复杂，因此加工成本较高。热光效应光开关则是通过加热作用来改变具有热光效应的光波导材料的折射率，从而实现对光线的折变作用，比较适合一些小端口的开关单元。此外，当然也还存在一些基于其它原理的光开关结构，但各有优缺点，且生产规模不大。

电加热方法在热光效应光开关中有许多应用，研究者们曾提出了直接利用电热片对光波导臂进行加热的方式，以及通过对波导中液体进行加热使之汽化而实现的气泡光开关等。这些途径在加热功耗上稍大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可对光网络中的光信号进行切换的冻融型光开关单元；通过对热电片的制冷，可将折射率匹配的匹配液冻结为折射率不匹配的冰晶结构，该冰晶结构的折射率小于光波导的折射率，从而使光信号在波导与冰晶的界面处实现全反射，实现光信号的断开功能；当需要恢复光信号沿原路传输时，通过外电路对热电片施加反向电流，则热电片会对冰晶进行加热作用，从而加速冰晶融化，当冰晶完全融化为折射率与波导材料匹配的匹配液后，光信号又恢复原来的传播路径，透过匹配液继续无损耗的传输。其开关在正反向电流的交替作用便可实现光网络中的光信号开关切换的循环。甚至，匹配液温度在加热超过其蒸发点时，还会形成气态，这种状态也可用于光调节。因此，本发明提供的器件可以实现固相、液相及气相调节，其功能较之以往的单一性热光开关更加全面。

本发明技术方案如下：

本发明提供的冻融型光网络开关，包括：

一光开关基底2；

设置在所述光开关基底2上表面上的两条呈十字交叉的光波导信号传输通道1和11；

设置在所述两条的光信号传输通道1和11的十字交叉处的一段狭长的微型槽道3，所述微型槽道3内充填有与光波导折射率匹配的匹配液，并与两光信号传输通道中的一条呈45°夹角；以及

设置在所述微型槽道3上方的第一微型热电制冷片7和设置在所述微型槽道3下方的第二微型热电制冷片71；所述第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71分别与外接直流电源电连接。

所述第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71的表面直接与匹配液接触，或者与匹配液之间隔有Si基板。所述匹配液被冻结后形成的固态晶体的折射率小于光波导材料的折射率。所述匹配液为D-2011A型氨基硅油、HD-2011B型氨基硅油、HD-2013氨基硅油或为其混合而成的混合硅油。所述的第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71为1-10片，每片的体积为1cm³-1000nm³。所述的微型槽道3的长度、宽度和深度在1nm至1cm之间。

本发明的冻融型光网络开关具有如下优点：

工艺实现，工艺简单，成本较低廉。

本开关没有活动部件，只依靠固液相变来对光信号进行切换，具有无机械磨损、器件老化缓慢，器件稳定性高等优点；

本发明的冻融型光网络开关由于是通过加热冷却来实现固液两相之间的切换，可在相当长时间内低功耗的维持稳定的切换状态，具有寿命影响小；不存在开关的疲劳问题，功耗低，而且光信号无损耗，插损较低。

本发明的冻融型光网络开关适用于长期处于低温的环境，比如在雪山、极低等铺设的光网络中充当开关。在这些应用场合中，匹配液由于环境的冷却作用长期处于冻结状态，此时，其开关作用通过加热融化实现，通过控制施加在热电片上电流的正负方向以及大小，即可维持光开关的正常工作。相比其他光开关具有不可替代的优点。

附图说明

附图1为本发明的冻融型光网络开关光路处于导通状态时结构的俯视图；

附图2a和图2b分别为本发明的冻融型光网络开关的切换状态时结构的俯视图及剖面图；

附图3为光路导通时本发明的冻融型光网络开关的整体结构示意图(槽道内匹配液处于液态)；

附图4为本发明的冻融型光网络开关的4×4端口阵列示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明：

附图1为本发明提供的光路处于导通状态时本冻融光网络开关的俯视图，也是本发明的一个实施例；附图2a和附图2b分别为切换状态时的本冻融光网络开关的俯视图和A-A面的剖面图；附图3为光路导通时的本冻融光网络开关的结构示意图(微槽道3内的匹配液处于液态)；附图4为由本冻融光网络开关的4×4端口开关阵列。由图可知，本发明提供的冻融型光网络开关，包括：

一光开关基底2；

设置在所述光开关基底2上表面上的两条呈十字交叉的光波导信号传输通道1和11；

设置在所述两条的光信号传输通道1和11的十字交叉处的一段狭长的微型槽道3，所述微型槽道3内充填有与光波导折射率匹配的匹配液，并与两光信号传输通道中的一条呈45°夹角；以及

设置在所述微型槽道3上方的第一微型热电制冷片7和设置在所述微型槽道3下方的第二微型热电制冷片71；所述第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71分别与外接直流电源电连接。

所述第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71的表面直接与匹配液接触，或者与匹配液之间隔有Si基板。所述匹配液被冻结后形成的固态晶体的折射率小于光波导材料的折射率。所述匹配液为D-2011A型氨基硅油、HD-2011B型氨基硅油、HD-2013氨基硅油或为其混合的混合硅油。所述的第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71为1-10片，每片的体积为1cm³-1000nm³。所述的微型槽道3的长度、宽度和深度在1nm至1cm之间。

本发明的冻融型光网络开关，结构上的主要特点是在两条的光信号传输通道1和11的十字交叉处设置一段与光波导成45度的狭长的微槽道3，微槽道内填充与光波导材料的折射率匹配的液体，在槽道的上下方分别布置有第一微型热电制冷片7和第二微型热电制冷片71；热电制冷片通过引线与外电路直流电源连接，通过控制外电路电流的通断以及电流的方向，当热电制冷片上不通电流的时候，由光波导传输来的光信号透过折射率匹配的液体，无损耗无变化的继续沿原方向传输(附图1、3)；当需要对光信号进行切换开关的时候，控制外电路正向电流通过热电制冷片，热电制冷片对匹配液进行冷却，在瞬间内使匹配液冻结为一种折射率均匀的晶体结构，该晶体的折射率比光波导材料的折射率小，从而使光信号在波导与晶体的界面上发生全反射，全反射光信号从与原波导垂直方向的波导中传输，从而实现光信号的开关作用(图2)。当需要恢复光信号的原路传输时，控制外电路反向电流通过制冷片，制冷片对冰晶实现加热作用，使匹配液从晶体结构返回到液态结构，恢复传输信号的无损耗透过。

本发明提供的冻融型光网络开关，其整个结构可采用与普通光开关加工方法相同的工艺制成，整体封装作为一个光开关单元。其中，波导、波导基底材料与普通光开关材料相同，并无特别局限，这都使得本发明的制作易于实现。随MEMS加工工艺的发展进步，本发明的冻融型光网络开关中，其呈十字交叉的光信号传输通道1和11的宽度可为10-100微米，长度为50-200微米的槽道；槽道内部充填折射率与波导材料相匹配的匹配液可有多种成分配方或单一组分，视不同的开关要求而定，但要求是该匹配液处于液态时，其折射率应与光波导的折射率相匹配，当冻结为冰晶状态后，其折射率应均匀并且小于光波导折射率。设置在光信号传输通道1和11的十字交叉处呈45度角的微槽道3，其宽度小于交叉点波导宽度，以容许来自微槽道两侧的光信号可在界面上发生全反射；其热电制冷片可从市场购置，也可采用MEMS加工方法、化学气相沉积或蒸镀的方法直接制作在基底上；可视单一热电片效率的不同，以及开关集成度和尺寸要求的不同而设置多组热电制冷片；另外，热电制冷片的导线可采用MEMS方法生成，通过光开关的总线接口与外电路的控制电路以及直流电源相连，直流电源由外电路控制，对热电片实施通、断电。本发明提供的冻融型光网络开关，易于集成为多端口的开关矩阵(如附图4所示)，此时，可将多个开关单元在同一基底上进行集成加工，作为整体进行封装，即可形成多端口的开关阵列结构，这样的结构可应用在需要对多路光信号同时进行操作的场合。

本发明中对于毫、微米级的管道内微孔或槽可通过现有技术加工出。目前的进展已使得加工由多个水力学直径在10nm到10³μm之间的微管道成为可能。这些槽道可制作在硅、金属或其它合适材料的薄片上。这些技术保证了本装置中微槽道及热电制冷片的加工。整个制造工艺并不复杂。

为提高本开关的可靠性，所述的匹配液，应满足下列条件：无毒且具有一定的热稳定性，在重复的冷冻、复温循环下，液体的光学性质不发生变化；便于获取；应与结构材料相容，应不能与波导、基底等发生化学反应，且液体材料在冻结、复温循环中体积变化不大。另外，匹配液以导热率较高的材料为佳，以增强传热从而提高光信号的切换速度；当然，本发明提供的冻融型开关中，其加热途径还可辅以其他手段，如在匹配液微槽道壁面上加装具有空间加热效应的微型激光、射频元件等，可以实现更为快速的解冻作用从而提高开关响应速度。另外，封装匹配液的微槽内部可采用透明的纳米多孔结构如纳米多孔硅，则束缚于其中的匹配液的凝固点可能会被提升，这就是说，匹配液会在较高的温度下即能结成固体，因此，用以降温的外加制冷元件的功率即可减低，而升温时所需付出的加热量也相应减小，对于降低功耗非常有利。所以，实际的微槽结构可进一步优化，此处不予展开讨论。

使用本发明专利的方式如下：通常情况下，光信号沿各自的光路传输，当需要对其进行切换时，通过外电路控制热电制冷元件，对光开关内的匹配液实施冻结，使之瞬间成为一种折射率均匀的晶体结构，由于该晶体的折射率比光波导材料小，因而光信号会在波导与晶体的交界面上发生全反射，并从与原波导垂直方向的波导中传输，由此实现光信号的切换作用。当需要使光信号恢复原路传输时，外电路控制反向电流，使热电元件对冰晶进行加热，于是匹配液从晶体状态返回液态，再次实现与波导材料的折射率匹配，从而恢复传输信号的无损耗透过。

Claims (6)

1、一种冻融型光网络开关，其特征在于，包括：

一光开关基底(2)；

设置在所述光开关基底(2)上表面上的两条呈十字交叉的光波导信号传输通道(1)和(11)；

设置在所述两条的光信号传输通道(1)和(11)的十字交叉处的一段狭长的微型槽道(3)，所述微型槽道(3)内充填有与光波导折射率匹配的匹配液，并与两光信号传输通道中的一条呈45°夹角；以及

设置在所述微型槽道(3)上方的第一微型热电制冷片(7)和设置在所述微型槽道(3)下方的第二微型热电制冷片(71)；所述第一微型热电制冷片(7)和第二微型热电制冷片(71)分别与外接直流电源电连接。

2、按权利要求1所述的冻融型光网络开关，其特征在于，所述第一微型热电制冷片(7)和第二微型热电制冷片(71)的表面直接与匹配液接触，或者与匹配液之间隔有Si基板。

3、按权利要求1所述的冻融型光网络开关，其特征在于，所述匹配液被冻结后形成的固态晶体的折射率小于光波导材料的折射率。

4、按权利要求1或3所述的冻融型光网络开关，其特征在于，所述匹配液为D-2011A型氨基硅油、HD-2011B型氨基硅油、HD-2013氨基硅油或为其混合的混合硅油。

5、按权利要求1所述的冻融型光网络开关，其特征在于，所述的第一微型热电制冷片(7)和第二微型热电制冷片(71)为1-10片，每片的体积为1cm³-1000nm³。

6、按权利要求1所述的冻融型光网络开关，其特征在于，所述的微型槽道(3)的长度、宽度和深度在1nm至1cm之间。

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