CN101799573B - 一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置 - Google Patents

Abstract

基于微流控技术的二维电光开关阵列装置采用“储气层+波导层+储液层”结构。其中，波导层包括平板基底(7)、基底上设有矩阵形式排列的波导结构(8)、波导交叉节点处设有液腔槽(9)、基底边缘留有气液连接通道(10)、电控光开关单元阵列(11)放置于波导交叉节点液腔槽(9)处；储气层为储存气体的密封容器(1)，容器边缘留有气压调节控制孔(4)、底部有气液连接开孔(5)贯穿波导层与储液层相通，容器上面设有与波导交叉节点一致的电极开孔(6)便于露出光开关控制单元电极(18)；储液层为上端开口的储存液体的容器，通过与波导层结合而密封，通过电湿效应改变微容器内部表面张力以调整液柱高度，实现光束的全反射与全透射，进而实现光的“开”和“关”动作。

Description

一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置

技术领域

本发明涉及一种新颖的二维电光开关阵列结构及其工作原理，属于光通信的技术领域。

背景技术

光开关是光交换的核心器件，也是影响光网络性能的主要因素之一。光开关作为新一代全光联网网络的关键器件，主要用来实现光层面上的路由选择、波长选择、光交叉连接和自愈保护等功能。在全光网中，光分插复用器件(OADM)和光交叉连接(OXC)是不可缺少的网络节点设备，而光开关和光开关阵列则是这些设备中的核心器件。随着对器件材料、器件工作原理、加工工艺等多方面认识和研究的不断进展，光开关与光开关列阵的类型也呈现出多元化发展趋势。就目前的光开关发展现状而言，按照光束在开关中传输的媒质来分类，可分为自由空间型和波导型光开关。按照开关机理来分类，主要有机械光开关、热光开关和电光开关。在机械光开关中，包括以新型的微机械工艺为基础的微机械光开关，自由空间型光开关主要是利用各种透射镜、反射镜和棱镜等折射镜的移动或旋转来进行开关动作。波导型光开关主要是利用波导的热光、电光或磁光的效应来改变波导的性质，从而实现开关动作。

光开关的性能主要表现在开关的插损、隔离度、消光比、偏振敏感性、开关时间、开关规模和开关尺寸等。光交叉连接和光交换对开关的要求主要有低插损(10db以下)、低串扰(-50db以下)、低开关时间(几个ms以下)以及无阻塞运作。机械开关在插损、隔离度、消光比和偏振敏感性方面都有很好的性能。但它的开关尺寸比较大，开关动作时间比较长，一般为几十毫秒到毫秒量级，而且机械开关不易集成为大规模的矩阵阵列，而且价格昂贵。对波导开关而言，它的开关速度在毫秒到亚毫秒量级，体积非常小，而且易于集成为大规模的矩阵开关阵列。但其插损、隔离度、消光比、偏振敏感性等指标都比较差。

同时，光开关器件是技术含量较高的光无源器件，需要的与之相应的制作材料和加工工艺的要求较高。近年来，随着FTTH技术的成熟和全光网的兴起迫切需要大量性能优良、价格合理的光开关、光开关和交换矩阵，但真正能够商用化的光开关产品只有传统的机械式光开关以及以机械工艺为基础的微机械(MEMS)开关。

而基于电润湿效应的电控流体棱镜具有高的切换速度(～ms)、无偏振化影响、良好的操控性和适应性，作为取代光学元件可应用于光开关和光互连、三维光存储、光扫描、光学雷达等系统。现有的电润湿效应研究和应用集中于液体透镜变焦成像技术，比较典型的如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜，这些透镜的变焦是利用电控方法通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种技术采用了流动的液体作为变焦的透镜组件，相对目前的机械变焦方式将有很多的优势之处。但现有的研究和应用集中于透镜变焦成像技术，对于应用于光通信领域的连接器件涉及很少。

现有的专利如ZL01132933.5公开的一种光开关，包括基板、矩阵形式排列的波导、每个交叉点均为盛有液体的容器，每个容器均有相对应的激光器以选择性加热液体的激光加热装置。这些装置一方面在基板上同时安装波导、加热器或激光器和容器就要求非常精确和复杂繁琐的加工工艺，体积也不小；另一方面集成度也不高，相应速度较慢，功耗也不小。

本专利将电湿效应技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的电控调谐的光开关阵列装置，由于未使用电机等复杂器件使得制作成本、生产工艺大大降低，具有重要的技术价值和经济价值，将会在光通信领域得到广泛的应用。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置结构，解决光开关阵列的电控调谐问题。

技术方案：本发明的基于微流控技术的二维电光开关阵列装置采用储气层+波导层+储液层的结构；其中，波导层以平板基底为载体，在平板基底上设有矩阵形式排列的波导结构，波导交叉节点处设有液腔槽，基底边缘留有气液连接通道，电控光开关单元阵列放置于波导交叉节点液腔槽处；储气层为储存气体的密封容器，容器边缘留有气压调节控制孔，底部有气液连接开孔贯穿波导层与储液层相通，容器上面设有与波导交叉节点一致的电极开孔便于露出光开关控制单元电极；储液层为上端开口的储存液体的容器，通过与波导层结合而密封，其内储存导电液体。

所述的波导交叉节点处液腔槽设有光开关控制单元，控制单元为一端封闭另一端开口的长方体状或其他形状微小容器，容器壁使用与波导材料折射率相同或相近的材料制作，其内侧部分除面对入射光的一侧外或全部设有透明导电层和相应的绝缘层，与液体接触的内侧设有疏水层，微容器上开孔使用导电膜层使之成为密封气室，导电膜层作为第一电极并通过储气层上端电极开孔与外部电路相连，第二电极为导电液体；控制单元下部开口延伸入储液层并与液体直接接触，导电液体进入控制单元微容器内部，并在微容器内表面张力和密封气压共同作用下保持一定的液柱高度；调整储气层气体气压，使得所述微容器内气压与表面张力相互作用时，其内液柱高度被锁定在波导层上表面，通过电湿效应改变微容器内部表面张力以调整液柱高度，实现光束的全反射与全透射，进而实现光的“开”和“关”动作。

控制单元内导电液体的上部还设有一层厚度与波导层相近的、与导电液体互不相溶的匹配液。

有益效果：根据以上叙述可知，本发明具有如下特点：

本发明将微流控技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的二维电控的光开关阵列装置，具有非常重要的技术价值。本发明设计的光开关器件具有结构简单、容易制作、成本低廉等优点。

创新之处在于：

1)将微流控技术应用于光通信之中，实现了光开关阵列器件的电控。这种新颖的光开关阵列装置器件将会在光通信领域中得到广泛的应用。

2)在液体表面张力与气压相互作用过程中控制微容器内液柱高度，利用电湿效应改变表面张力从而液气达到新的平衡而改变微容器内液柱高度，进而控制光的反射和透射性能。

3)利用电控液体高度可方便地构造大规模M×N光开关。

4)基于微流控技术的光开关技术由于是利用气压和电容效应控制液体运动，所以能耗极低，响应速度较快。

5)无波长选择和偏振敏感性。

附图说明

图1是N×N二维电光开关阵列结构说明图。

图2是光开关控制单元(微小容器)组成示意图。

图3是光开关控制单元(微小容器)组成放大示意图。

图4是电控光开关单元阵列11工作时液体位置示意图。

图5是用于本发明光开关阵列工作平视图。图中控制单元液面位置较高时(图中用点填充)光从交叉点透射而过，液面较低时(图中无点填充)光从交叉点全反射通过。

图6是用于本发明光开关阵列工作平视细节放大图。

图7是本发明装置剖视图。

图8是电光开关阵列结构导光说明图。

图中有储气层1、光波导层2、储液层3、气压调节控制孔4、气液连接开孔5、光开关控制单元电极开孔6、波导层的平板基底7、矩阵形式排列波导结构8、波导交叉节点处液腔槽9、气液连接通道10、电控光开关单元阵列11；储液层内导电液体12、控制单元13、容器壁14、透明导电层15、相应的绝缘层16、疏水层17、导电膜层18、密封气体19、匹配液20。

具体实施方式

基于微流控技术的二维电光开关阵列装置的内芯(波导层)位于储气层和储液层之间，形成具有气液共同作用开关矩阵的三明治夹心结构。波导层包括平板基底，基底上设有矩阵形式排列波导结构，波导交叉节点处排布有液腔槽，基底边缘留有气液连接通道，电控光开关单元阵列放置于波导交叉节点处液腔槽；储气层为储存气体的密封容器，容器上面设有与波导交叉节点一致的电极开孔便于露出光开关控制单元顶部导电膜层，容器边缘留有气压调节孔、底部有气液连接开孔贯穿波导层与储液层相通；储液层为上端开口的储存液体的容器，通过与波导层结合而密封，其内储存导电液体。

上述的波导层节点处液腔槽设有的光开关控制单元为一端封闭另一端开口的长方体状或其他形状微小容器(液腔)，容器壁使用与波导材料折射率相同或相近的材料制作，其内侧部分除面对入射光的一层外或全部设有透明导电层和相应的绝缘层，与液体接触的内侧设有疏水层，控制单元上开孔使用导电膜层密封使之成为气室，导电膜层作为电极a并通过储气层上端电极开孔与外部电路相连，另一电极b为导电液体。控制单元下部开口延伸入储液层，导电液体进入控制单元微容器内部，并在微容器内表面张力和密封气压共同作用下保持一定的液柱高度，液柱上部还设有一层厚度与波导层相近的、与导电液体互不相溶的折射率匹配液。

通过储气容器气压调整控制孔调整其内气压使液柱上部匹配液高度与波导层一致，让波导内光束能全部透射通过交叉点；当在电极a和b之间施加电压，通过电湿效应改变微容器内部表面张力以降低液柱高度，原匹配液高度处被气体填充，当光束从波导内进入交叉点处控制单元微容器时，光从光密介质进入光疏介质，入射角满足全反射条件时，光束能全部反射通过交叉点。从而实现光束的全反射与全透射，进而实现光的“开”和“关”动作。

具体计算过程如下：

设储气容器内气压为P₀，密封控制单元微容器可看做毛细管，重力影响不计，微容器内气压为P₁，微容器横截面积为S，固液间表面张力为γ_SL；在电极a和b施加电压V后固液间表面张力变为γ_SLV，则 ${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SLV}}={\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}{V}^2,$ ε_r为绝缘层介电系数，d为绝缘层厚度，单元微容器内气压为P₂。则P₁S＝P₀S+γ_SL， $P_{2}S=P_{0}S+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SLV}}=P_{0}S+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}{V}^2,$ 由等温过程，P₁V₁＝P₂V₂，即P₁Sh₁＝P₂Sh₂(h₁和h₂分别为加电压前后液柱的高度)，所以，

$(P_{0}S+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}})h_1=(P_{0}S+{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{SL}}-\frac{1}{2}\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{d}{V}^2)h_2,$ 由此可以计算出液柱位置变化Δh＝h₂-h₁。由此，

如果h₂数量级取mm，d数量级取μm，P₀数量级取105，S数量级取mm²，则要使Δh达到10μm量级(即波导层厚度)，电压V只需取到30V，进一步优化以上参数可使控制电压更低。

关于全反射角的计算如下：取微容器器壁折射率为1.45，则其全反射临界角为微容器单元迎着入射光的一面只要与入射光方向夹45°即可满足全反要求。

具体实施例1：

波导层制作，采用的BK7光学玻璃作为波导基底，因其内部杂质和缺陷都很少，而且内部缺陷尺寸与光波长相比也很小，所以吸收损耗和散射损耗比较低。矩阵形式排列的波导结构的制备方法是通过常规镀膜，光刻工艺和Ag⁺--Na⁺和K⁺--Na⁺离子交换技术。在波导节点处用超声法制作与开关单元微容器尺寸一致的液腔槽，并在基板方便处制作气液连接孔。选定与波导折射率一样的玻璃材料制作开关单元微容器，在其内侧除面对入射光的一侧外溅射一层透明的ITO导电层。导电层外的绝缘层采用真空镀膜法生成3微米厚的派瑞林。疏水层采用聚四氟乙烯聚合物材料(英文缩写为PTFE，商标名特富龙

Teflon@AF)涂层来实现。以上物质均为透光率很高的物质。微容器密封导电膜层可以采用金属片制作，使用导电胶与微容器粘合，为保证导电性能，在金属片外镀上金或铂。储液层使用一般的能耐导电溶液腐蚀的容器即可，导电液体使用盐溶液，但在低温使用时可能会有冰冻问题。可以用高浓度的盐溶液来降低冰点。为了保持盐水的低密度和折射率，采用低原子量的盐：氯化锂。20％浓度的氯化锂导致冰点低于-40℃，密度ρ为1.12kg/m³，折射率为1.38。匹配液选择一种和波导层折射率一致、与导电液体互不相溶的折射率匹配油即可。为防止温度对该装置的影响，可设置匹配液的厚度比波导层稍大一些。储气容器选择能耐一定气压，又便于打孔加工的材料制作，气体无其他特殊要求。

具体实施时，如图6和7所示，通过储气容器气压调整控制孔增加或减少其内部气压使开关单元内部液柱运动，调整匹配液高度与波导层一致，这样能让波导内光束能全部透射通过交叉点；当在电极a和b之间施加电压，通过电湿效应改变微容器内部表面张力以降低液柱高度，原匹配液位置处被气体填充，当光束从波导内进入交叉点处控制单元微容器时，光从光密介质进入光疏介质，入射角满足全反射条件时，光束能全部反射通过交叉点。从而实现光束的全反射与全透射，进而实现光的“开”和“关”动作。

具体实施例2：

波导层采用的单晶硅作为波导基底，在波导位置刻上微型沟渠，每条沟渠内放置一段圆柱形透镜，其中心轴线处于同一水平面，相互之间平行排布或垂直走向。光开关单元周围四段圆柱形透镜的中轴延长线交于光开关单元表面上一点。硅油作为器件的折射率匹配液，当中还掺杂了一些醚类试剂，直至折射率和开关单元微容器器壁折射率相同。

Claims (2)

1.一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置，其特征在于该装置采用储气层(1)+波导层(2)+储液层(3)的结构；其中，波导层(2)以平板基底(7)为载体，在平板基底(7)上设有矩阵形式排列的波导结构(8)，波导交叉节点处设有液腔槽(9)，基底边缘留有气液连接通道(10)，电控光开关单元阵列(11)放置于波导交叉节点液腔槽(9)处；储气层为储存气体的密封容器(1)，容器(1)边缘留有气压调节控制孔(4)，底部有气液连接开孔(5)贯穿波导层与储液层相通，容器上面设有与波导交叉节点一致的电极开孔(6)便于露出光开关控制单元电极(18)；储液层为上端开口的储存液体的容器，通过与波导层结合而密封，其内储存导电液体(12)；所述的波导交叉节点处液腔槽(9)设有光开关控制单元(13)，控制单元(13)为一端封闭另一端开口的长方体状或其他形状微小容器，容器壁(14)使用与波导材料折射率相同或相近的材料制作，其内侧部分除面对入射光的一侧外，全部设有透明导电层(15)和相应的绝缘层(16)，与液体接触的内侧设有疏水层(17)，微容器上开孔设有导电膜层(18)并使之成为密封气室(19)，导电膜层(18)作为第一电极并通过储气层上端电极开孔与外部电路相连，第二电极为导电液体(12)；控制单元下部开口延伸入储液层并与液体直接接触，导电液体进入控制单元微容器内部，并在微容器内表面张力和密封气压共同作用下保持一定的液柱高度。

2.根据权利要求1所述的一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置，其特征在于控制单元(13)内导电液体的上部还设有一层厚度与波导层相近的、与导电液体互不相溶的匹配液(20)。

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