CN107315245A - 一种基于介质电润湿效应的可调光衰减器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供公开了一种基于介质电润湿效应的可调衰光减器，该衰减器采用三层结构，第一层为上极板，包括方形透明玻璃1、透明电极2以及疏水薄膜3；第二层为方形透明玻璃层8，沿它的对角线有一条微流道5，流道中有受控离散电解质液滴4，其折射率与透明玻璃匹配，在玻璃层同一水平线上有两个V型槽，分别放入射光纤准直器6和出射光纤准直器7；第三层为下极板，包括方形透明玻璃作基底13，多晶硅作衬底12，衬底上扩磷及光刻图形化微电极阵列11，电极阵列上热氧化一层SiO2作介质层10，介质层涂覆一层疏水薄膜9。该衰减器操作简单、体积小、可集成、衰减范围大，插入损耗小的优点，并且具有重要的技术价值和应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微流控技术的介质电润湿效应的可调光衰减器，属于光通信、光电子技术和光信息处理器件的技术领域。
背景技术
可调光衰减器(Variable Optical Attenuator，简称VOA)是智能化光网络中的一种重要的光纤无源器件，是组成光放大器的关键部件，在光纤通信系统中起到功率平衡的作用，并广泛应用于波分复用系统(简称WDM/DWDM)的信道增益平衡和器件保护。可调光衰减器的制作方法包括机械型、波导型、液晶型、微机械(简称MEMS)型等。其中，机械型可调光衰减器发展最成熟，但是，其体积大，结构复杂，不利于集成，而且波导型和液晶型可调光衰减器插入损耗大。而近年来利用微机械技术制造的MEMS式可调光衰减器具有体积小、重量轻、能耗小等优点，但其在抗击机械摩擦、磨损或震动等方面存在不足之处。而本发明能很好的解决上述问题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于介质电润湿效应的可调光衰减器，该衰减器将微流控驱动技术应用于现代光通信技术中，利用离散电解质液滴和空气来实现光衰减器的可变光衰减调节，液滴驱动利用介质电润湿效应，具有良好的操控性和适应性。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于介质电润湿效应的可调衰光减器，该衰减器采用三层结构，第一层为上极板，该上极板包括方形透明玻璃1、透明电极2以及疏水薄膜3；第二层为方形透明玻璃层8，沿它的对角线有一条微流道5，流道中有受控离散电解质液滴4，其折射率与透明玻璃匹配，在玻璃层同一水平线上开两个V型槽，分别放入射光纤准直器6和出射光纤准直器7；第三层为下极板，下极板包括方形透明玻璃基底13、多晶硅衬底12、衬底上扩磷及光刻图形化微电极阵列11、电极阵列上热氧化一层SiO2作介质层10和介质层上涂覆一层疏水薄膜9。本发明将中下两层透明玻璃板键合后在微流道5注入一滴电解质液滴4，再将上极板与中层玻璃板键合，此时液滴夹持在上下极板之间，周围填充物质是空气。下极板微电极阵列11和上极板透明电极2分别由引线17、14引至交流电源15正负极。由于液滴的驱动是在某单个微电极阵列上施加电压，因此本发明设置有四控开关k16，可保证液滴在整个微流道中往返移动。
有益效果：
1、本发明是将介质电润湿技术应用于光衰减器之中，很好地实现光衰减连续可调控目的，具有良好的操控性和适应性。
2、本发明制作容易、成本低、能耗低、体积小、利于集成，且电解质液滴驱动装置和操作简单，具有实际应用价值。
3、在性能上，本发明光功率的衰减调节范围比一般可调光衰减器大，且插入损耗小。
4、本发明属于微流控光器件，具有操作简单、体积小、可集成、衰减范围大，插入损耗小的优点，并且具有重要的技术价值和应用前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
标识说明：方形透明玻璃-1；透明电极-2；上极板疏水薄膜-3；方形透明玻璃层-8；微流道-5；受控离散电解质液滴-4；入射光纤准直器-6；出射光纤准直器-7；下极板疏水薄膜-9；SiO2介质层-10；微电极阵列-11；多晶硅衬底-12；方形透明玻璃基底-13；上极板电极引线-14；下极板电极引线-17；交流电源-15；四控开关k-16。
图2为光衰减器部分关截面示意图。
标识说明：方形透明玻璃-1；透明电极-2；上极板疏水薄膜-3；受控离散驱动液滴-4；微流道-5；方形透明玻璃层-8；下极板疏水薄膜-9；SiO2介质层-10；微电极阵列-11；多晶硅衬底-12；方形透明玻璃基底-13。
图3、图4、图5为基于介质电润湿效应的可调光衰减器工作原理示意图。
其中，图3为光束全部透射，即衰减量最小状态；图4为光束部分反射、部分透射，即光功率部分衰减状态；图5为光束全反射，即衰减量最大状态。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种基于介质电润湿效应的可调衰光减器，该衰减器采用三层结构，第一层为上极板，该上极板由方形透明玻璃1、透明电极2以及疏水薄膜3组成；第二层为方形透明玻璃层8，沿它的对角线开一条微流道5，流道中有受控离散电解质液滴4，其折射率与透明玻璃匹配，在玻璃层同一水平线上开两个V型槽，分别放入射光纤准直器6和出射光纤准直器7；第三层为下极板，该下极板由方形透明玻璃作基底13、多晶硅作衬底12、衬底上扩磷及光刻图形化微电极阵列11、电极阵列上热氧化一层SiO2作介质层10和介质层上涂覆一层疏水薄膜9组成。本发明将中下两层透明玻璃板键合后在微流道5注入一滴电解质液滴4，再将上极板与中层玻璃板键合，此时液滴夹持在上下极板之间，周围填充物质是空气。下极板微电极阵列11和上极板透明电极2分别由引线17、14引至交流电源15正负极。由于液滴的驱动是在某单个微电极阵列上施加电压，因此本发明设置一个四控开关k16，可保证液滴在整个微流道中往返移动。
本发明操控过程与工作原理包括：
如图2所示为三层结构介质电润湿驱动式可调光衰减器的截面图。入射光连续可调衰减的实现基于离散电解质液滴的介质电润湿驱动效应。具体地讲，本发明通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性，即通过局部改变液滴和固体表面的三相接触角(即在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角)，造成液滴两端不对称形变，使液滴内部产生压强差，来实现对液滴传输的操作和控制。本发明设计的电润湿效应仅发生在上下极板与离散电解质液滴之间，微流道侧壁与液滴虽也会有接触角存在，但两侧壁没有加电极，因此可认为液体与侧壁的接触角在驱动过程中不变。当开关k打开时，液滴的形状成对称分布，见图中虚线部分，液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θ0，忽略重力的影响，其值都为疏水表面的初始接触角；当开关k闭合时，由于介质上电润湿作用，液滴与右侧极板间的接触角发生变化，见图中实线部分。由于上极板疏水层厚度很薄，上层疏水层电容很大，外加电压的分压很小，因此在上极板的接触角θt几乎不发生变化；而外加电压大部分都压降在下极板上，所以液滴与下极板的接触角明显变小，其值θv可以由Young-Lippmann方程近似描述。
θ0是v＝0时的初始接触角，ε0、εr分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常数，d是疏水介质层有效厚度，γlg为电解质液滴与空气之间的表面张力，当在电极和离散电解质液滴间施加电势v后，由Young-Lippmann方程可以看出，液滴的三相接触角随外加电势v的绝对值增大而变小，而且它与介质层的厚度、介电常数都有关。需指出当外加电压增加到某一定值时，接触角变成最小，若再增加外加电势，接触角不再变化，这种现象称接触角饱和。因此，本发明在芯片设计过程中为避免该现象，提出用交流电源驱动。
由于介质电润湿效应使液滴在右侧下电极上的三相接触角变小，造成了液滴不对称形变并产生内部压强差，利用解析方法以及压强与液滴两侧曲率半径和表面张力的关系可推导出简化的液滴两侧压强差表达式为：
其中D为上下极板间距，ε0、εr分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常数，d是疏水介质层有效厚度。
所以本发明通过在液滴两侧中某一侧微型电极阵列上施加电势差v，可改变液滴单侧的三相接触角造成液滴非对称形变并产生内部压强差，从而实现对液滴的操作和控制。
本发明可调光衰减器的具体实施方式：初始时刻开关k打开，如图3所示，液滴位于微流道中间部分，而且大致位于两微电极阵列之间，由入射光纤准直器6出射的光束在方形透明玻璃层8内到达微流道固-液界面时，因为电解质液滴的折射率与方形透明玻璃层相同或相近，全部光束透射进入出射光纤准直器7，处于零衰减状态；当开关k闭合液滴某一侧微电极阵列时，由于介质上电润湿作用，液滴单侧三相接触角变小，造成液滴不对称形变并产生内部压强差，从而驱动液滴向施加电压的微电极阵列一侧移动。适当调节电压大小，改变液滴两侧压强差，当液滴移动到如图4位置，入射在微流道固-液界面上的光可以透过液体，进入出射光纤准直器7，而入射到固-气界面上的光发生全反射(即：光从光密入射至光疏介质，且入射角大于临界角)，不能透过微流道进入出射光纤准直器7，处于部分衰减状态。通过介质电润湿效应调节微流道中离散电解质液滴的位置，从而改变透、反射光能量比，达到衰减量可控调节目的；若驱动液体移动到如图5位置，光束全部发生全反射不能进入出射光纤准直器7，此时光衰减处于最大状态。总而言之，本发明通过施加于不同的微电极阵列不同的电压，调节微流道中离散液滴的移动，从而改变透、反射光能量比，来实现光的衰减可控调节。
Claims (6)
1.一种基于介质电润湿效应的可调衰光减器，其特征在于：所述衰减器采用三层结构，第一层为上极板，所述上极板包括方形透明玻璃(1)、透明电极(2)和疏水薄膜3，第二层为方形透明玻璃层(8)，沿它的对角线有一条微流道(5)，流道中有受控离散电解质液滴(4)，在玻璃层同一水平线上开两个V型槽，分别放入射光纤准直器(6)和出射光纤准直器(7)，第三层为下极板，所述下极板包括方形透明玻璃作基底(13)、多晶硅作衬底(12)、衬底上扩磷及光刻图形化微电极阵列(11)、电极阵列上热氧化一层SiO2作介质层(10)和介质层上涂覆一层疏水薄膜(9)，下极板微电极阵列(11)和上极板透明电极(2)分别由引线(17、14)引至交流电源(15)正负极。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质电润湿效应的可调光衰减器，其特征在于：所述衰减器将中下两层透明玻璃板键合后在微流道(5)注入电解质液滴(4)，再将上极板与中层玻璃板键合，此时液滴夹持在上下极板之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于介质电润湿效应的可调光衰减器，其特征在于：所述衰减器设置一个四控开关(k16)控制液滴在微流道中往返移动。
4.根据权利要求1所述的一种基于介质电润湿效应的可调光衰减器，其特征在于：所述衰减器利用介质电润湿效应连续驱动微流道中液滴的移动，进而调节透、反射光能量比，控制光纤准直器间光强耦合效率。
5.根据权利要求1所述的一种基于介质电润湿效应的可调衰光减器，其特征在于：所述衰减器当四控开关k(k16)闭合液滴某一侧微电极阵列时，适当调节电压大小，改变液滴两侧压强差，从而控制液滴在微流道中的相对位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于介质电润湿效应的可调光衰减器，其特征在于：所述光开关的液滴两侧压强差表达式为：
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</mfrac>
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<mi>v</mi>
<mn>2</mn>
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其中D为上下极板间距，ε0、εr分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常数，d是疏水介质层有效厚度，v为施加电压大小。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20171103 |