CN115291320A - 一种微流控光纤型可调光导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控光纤型可调光导，其特征在于包括光输入端口、光输出端口、微流体腔体、多角度光导段；所述微流体腔体包括微流体输入端、微流体输出端、微流体通道；所述微流体腔体内部结构包括上包层、芯层、下包层和衬底；所述多角度光导段的光导传播方向与水平方向设置多处夹角。通过改变微流体腔体中液体的折射率来控制光导的输出端口中光线的衰减和加强，此光导结构微小可操控光传输、可调整光功率，具有良好的光学性能。

Description

一种微流控光纤型可调光导

技术领域

本发明涉及微流控技术领域，具体为一种微流控光纤型可调光导。

背景技术

近些年来，微流控技术发展迅速，它将生物化学等领域中基本的操作，如样品的制备检测及微生物的培养挑选等，集成在几平方厘米的器件上，由微通道内的可控流体贯穿整个系统。目前，主流的微流控器件主要分为两大类，包括连液滴微流体系统和续微流体系统。

光导被广泛运用在各种光学系统中，光纤型光导作为光导中的一大类，基于微流控技术，改变光导纤芯微流腔体内液体的折射率，从而实时的控制光线在光导内的衰减，调节光导输出光端口的分光比例，在光传输和光检测系统中起着不可忽略的作用。通过电光、磁光或热光效应控制波导输出端口的光功率，可以动态改变传统可调光功率的光导率。控制方法可分为波导耦合控制方法、机械运动控制方法和多模干涉波导控制方法。这些可调节光功率的光导虽然能够安装在其他的光学功能器件上，用来设计制造集成度高的光学检测系统，但这样的解决方案在调节光谱范围、控制测量精度、波长和偏振依赖性、结构参数敏感性和稳定性等某些方面，还存在较大的缺点，使其应用潜力受到极大的限制，所以这些器件都无法用于微流控光学子系统，基于此，本发明设计了一种微流控光纤型可调光导，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微流控光纤型可调光导，以解决上述背景技术中提出的问题。

一种微流控光纤型可调光导，包括光输入端口、光输出端口、微流体腔体、多角度光导段；微流体腔体包括微流体输入端、微流体输出端、微流体通道；微流体腔体内部结构包括上包层、芯层、下包层和衬底；多角度光导段的光导传播方向与水平方向设置多处夹角。本申请的光导一部分是包括了多处弯曲角度的，一部分是包含着微流体通道的，可以实现光开关的功能，还可以在支路光导光输出端口处实现光强的调整。

进一步地，光输出端口包括光导段光输出端口和微流体段光输出端口，通过光输出端口输出调控光。

进一步地，微流体通道段光输出端口通过级联方式设置为多个，通过调整多个微流体腔内的液体折射率，控制输出光线的光场强度，满足多改光的要求。

进一步地，微流体输入端设置为多个，不同微流体输入端注入的不同折射率的流体，通过调整液体的混合比例，得到了折射率介于输入液体折射率之间的混合液体。

进一步地，混合液体折射率控制在1.400-1.550之间。

进一步地，多角度光导段光导传播的的方向与水平面方向的夹角分别、设置为θ、2θ和3θ，可以有效地增大分开的角度。

进一步地，多角度光导段光导传播的方向与水平面方向的夹角设置为2θ＝1°。

进一步地，微流体腔体采用有机聚合物材料。

一种微流控光纤型可调光导的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过微流泵，微流体输入端分别注入折射率不同的流体，调控不同流体的注入比例以调控混合液体的折射率。

在微流腔的入口处，通过微流泵，往微流腔内注入液体，两种液体的折射率要不相同，当两种液体按照一定的比例混合时，就得到了折射率介于两者折射率之间的混合液体。

步骤2：光输入端口放置激光光源。

将一激光光源放置在光输入端口，光线就会顺着光纤光导向前传播。

步骤3：调控输入的液体折射率在微流体通道内低于微流体通道外围的光导芯层的折射率。

若输入的液体折射率在微流体通道内低于微流体通道外围的光导芯层的折射率时，光纤就会在固体和液体的交界面处发生全发射，不会进入注入液体的光纤光导中，在这种情况下，光线沿着上端的光纤光导传输，其输出光功率并没有多少的损耗。

步骤4：逐步增加微流腔内液体的折射率，调控光输出光线的光线强度。

逐步增加微流腔内液体的折射率，光线将不再会在固体和液体之间的交界面的发生全反射，其中的一部分的输入光线在光导中一部分发生全反射，继续在向上方的光导中传播，另外一部分光线将会进入到光导微流体通道的芯层内，在下方的光导传播，逐渐改变混合液体的折射率，可以调控光导中传输光线的光线强度，从而实现输出光线的可控的加强和衰减。

步骤5：依次调节各个微流体腔体微流体输入端的混合液体折射率，调控各个光输出端口输出光线的光线强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明由微流体腔体和多角度光导段组成，多处弯曲角度的，可实现光开关和光强的调整。

2、本发明通过级联方式设置多个光输出端口，控制多个输出光线的光场强度。

3、本发明通过改变微流体通道中液体的折射率来控制光导的输出端口中光线的衰减和加强。从控制实验的结果来看，此微流控器件具有良好的光学性能。

4、本发明采用有机聚合物制作器件，此微流控光导不仅在制造上相对简单，而且制造成本低廉。

5、本发明提出的微流控光纤型可调光导结构简单，设计紧凑，结构微小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明微流控光纤型可调光导结构示意图；

图2为本发明5通道的微流控光纤型可调光导结构示意图；

图3为本发明2通道光导注入液体折射率为1.400的光场分布对比图；

图4为本发明输出光功率随液体折射率变化示意图；

图5为本发明在注入不同折射率混合液体下的光导中的光场分布图；

图6为本发明5通道输出光功率图；

图7为本发明输出光的归一化功率随波长的变化情况图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-7，本发明提供一种微流控光纤型可调光导：

如图1的(a)所示，是微流控光纤型可调光导的结构。光纤光导使用黑色的条状表示，白色的位置是表示微流体的腔体，Q₁和Q₂分别是光导中微流体的输入端，Q为微流体的输出端。光纤光导的光输入端口使在图中的左侧部分，光纤光导的光输出端口在图中的右侧，用A和B表示。在图1的(b)和(c)中，是光纤光导在图1(a)中的A₁A₂处和B₁B₂处的横截面处的原理图。在微流腔的入口处，通过微流泵，往微流腔内注入液体，两种液体的折射率要不相同，当两种液体按照一定的比例混合时，就得到了折射率介于两者折射率之间的混合液体。我们将一激光光源放置在光输入端口，光线顺着光纤光导向前传播。此时输入的液体折射率在微流体通道内低于微流体通道外围的光导芯层的折射率时，光纤在固体和液体的交界面处发生全发射，不会进入注入液体的光纤光导中，在这种情况下，光线沿着上端的光纤光导传输，其输出光功率没有损耗。接着逐步增加微流腔内液体的折射率，光线将不在固体和液体之间的交界面的发生全反射，其中的一部分的输入光线在光导中一部分发生全反射，继续在向上方的光导中传播，另外一部分光线将会进入到光导微流体通道的芯层内，在下方的光导传播，逐渐改变混合液体的折射率，进而调控光导中传输光线的光线强度，从而实现输出光线的可控的加强和衰减。

如图1的(b)(c)所示，光纤光导下方的微流腔的部分，其内部是一种山状的结构，内部结构分别是上包层、芯层、下包层和衬底，上包层、芯层、下包层的折射率分别为n₁、n₂、n₃。所用的材料也是有机聚合物材料。此光纤光导的芯层厚度为d，宽度为w，山层结构的高度为h。上部分光导传播的的方向与水平面方向的夹角分别为θ、2θ和3θ。与以往关于全反射光导器件的相比，该装置可以有效地增大分开的角度。

本发明的光导一部分是包括了多处弯曲角度的，一部分是包含着微流体腔体的，因此不仅可以实现光开关的功能，还能在支路光导光输出端口处实现光强的调整。

如图2所示，通过级联的方式，设计出一个拥有5处输出端口的光纤型光导，是由四个微流体腔输出端口构成，通过调整4个微流体腔内的液体折射率，控制输出光线的光场强度。

仿真计算：

本发明的微结构光导是一种三维的山脊型光导结构，为方便建模与计算，将三维的微结构光导模型转换为二维的微结构光导模型，同样也能够达到模拟的效果。采用光学控制软件LightTools来模拟计算，通过计算机的运算，可以大致的得到在不同输入光的条件下改变微流体的折射率，得到的光导各个输出端口的输出光强情况。

在软件的控制中，将输入光的波长设定为1.55μm，采用有机高分子材料作为光导的芯层材料，查阅资料可知，这种材料的折射率大约微1.485，选取另外一种不同折射率的有机高分子材料作为光导包层的材料，下包层折射率略大，折射率为1.497，上包层材料折射率略小，其折射率为1.492，把注入微流体通道中的液体折射率控制在1.400～1.550之间变化。光导结构芯层厚度为0.8μm，山状结构高为0.5μm，山状结构的宽微5μm，偏转角2θ＝1°。通过有效折射率算法，器件的对应部分的折射率可以被算出。

首先，先对2输出端口的光导在注入的微粒体折射率为最小值时进行模拟，其光导内的光线传播的路径如图2所示，为2通道光导注入液体折射率为1.400的光场分布对比图。

如图3所示，(a)和(b)分别是输入光的TE模和TM模，从中可以看出，无论是在TE模还是在TM模，输入光在传播到光导的分叉处就会产生，并沿着折线光导继续向前传播，不会进入微流体腔内。

慢慢的增加微流体腔内的混合液体的折射率，此时，A输出端口和B输出端口处输出光功率就会发生变化。如图4所示，为输出光功率随液体折射率变化示意图，是在输出端口A和B处，输出光光功率随液体折射率变化的示意图。从中可以得到，当混合液体的折射率从1.400增大到1.550的过程中，端口A的输出光功率减小，端口B的输出光功率在增大。并且在液体折射率达到与芯层折射率差不多相同时，端口A和端口B的输出光功率大致相同。

如图5所示，为在注入不同折射率混合液体下的光导中的光场分布图，(a)和(b)是混合液体折射率分别为1.480和1.535时，输入光的光功率分布情况。

从图5中可以得出，输出端口的光传输变化与混合液体的折射率的变化有着密切的关系，因此基于韦利卡技术，通过调节微通道内混合液体折射率，来控制调整光导输出端口的光强分布的方式是可行的。所以，基于微流控技术所设计的微结构光导具有良好的光学性能，并且兼具无明显的偏振依赖性，控制精度大，光传输损耗低等优点。

接下来，对5端口的微结构光纤光导进行模拟分析，同样的为了方便计算，使用二维模型代替三维模型。如图6所示，为5通道输出光功率图，为了测试该结构的性能，直接设置4个光输出端口的输出光功率为输入光功率的20％，通过计算机的计算控制，可以得到从左到右微流通道内混合液体的折射率分别为1.463，1.470，1.479，1.483。

从控制的结果上看，该微结构光导同样也可应用在多通道的光导上，控制多条输出通道的输出光功率，该微结构光导有着不错的光学性能。

在上述微结构光导的控制实验中，认为输入光是理想的单色光，但实际上，真实的激光光源的波长不是固定值，波长的范围大概为几纳米到几十纳米，并不是理想的。于是，设置输入光的波长在1.45μm到1.65μm之间变化，并分析器件对波长的依赖性。首先设置混合溶液的折射率为1.480，设置输入波长为1450nm到1650nm，并在波长每间隔10nm的位置进行一次记录，将每次得出的数据汇总在一起，控制的结果如图7所示，为输出光的归一化功率随波长的变化情况图。

在图7中，表示的是在不同输入光波长下，输出光的光功率变化。从图中可以看出，设计的这款微流控可调光导的输出端口A和B的归一化功率随波长的变化不大。因此，说明所设计的微流控光导器件没有明显对波长影响的相关性。设计的这类微结构光纤型光导，将具有良好的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (9)

1.一种微流控光纤型可调光导，其特征在于包括光输入端口、光输出端口、微流体腔体、多角度光导段；所述微流体腔体包括微流体输入端、微流体输出端、微流体通道；所述微流体腔体内部结构包括上包层、芯层、下包层和衬底；所述多角度光导段的光导传播方向与水平方向设置多处夹角；通过改变所述微流体腔体中液体的折射率控制所述光输出端口中光线强度。

2.根据权利要求1所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述光输出端口包括光导段光输出端口和微流体段光输出端口。

3.根据权利要求2所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述微流体通道段光输出端口通过级联方式设置为多个。

4.根据权利要求1所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述微流体输入端设置为多个，不同微流体输入端注入的不同折射率的流体，控制混合液体折射率。

5.根据权利要求4所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述混合液体折射率控制在1.400-1.550之间。

6.根据权利要求1所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述多角度光导段光导传播的方向与水平面方向的夹角分别设置为θ、2θ和3θ。

7.根据权利要求6所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述多角度光导段光导传播的方向与水平面方向的夹角设置为2θ＝1°。

8.根据权利要求1所述的一种微流控光纤型可调光导，其特征在于所述微流体腔体采用有机聚合物材料。

9.一种如权利要求1-8中任一项所述的一种微流控光纤型可调光导的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：通过微流泵，微流体输入端分别注入折射率不同的流体，调控不同流体的注入比例以调控混合液体的折射率；

步骤2：光输入端口放置激光光源；

步骤3：调控输入的液体折射率在微流体通道内低于微流体通道外围的光导芯层的折射率；

步骤4：逐步增加微流腔内液体的折射率，调控光输出光线的光线强度；

步骤5：依次调节各个微流体腔体微流体输入端的混合液体折射率，调控各个光输出端口输出光线的光线强度。

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