CN202230221U

CN202230221U - 一种电调谐光开关器件

Info

Publication number: CN202230221U
Application number: CN2011203115920U
Authority: CN
Inventors: 陈陶; 梁忠诚; 徐荣青
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing Post and Telecommunication University; Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2021-08-25

Abstract

一种电调谐光开关器件涉及一种基于电润湿效应的由电控流体棱镜构成的光开关器件结构，该开关器件具有长方体状或圆柱状单元的流体棱镜光输入阵列（1）和流体棱镜光输出阵列（3），上述两阵列之间的空间形成光交换空间（2）；当左前电源（15）与左后电源（16）、右前电源（18）与右后电源（17）之间分别加上电压后，导电流体与侧壁（19）（20）之间的界面张力因电润湿效应的作用而降低，从而改变流体界面的形状，实现透镜棱镜的构成及其形状的调整，进而实现光偏转角的调控，通过输入/输出液体棱镜阵列达到光的交换电控制目的。光输入棱镜单元和对应光输出棱镜单元的四组电源电压分别保持一致以保证输入/输出光的耦合。

Description

一种电调谐光开关器件

技术领域

本实用新型涉及一种新颖的电调谐光开关器件结构及其工作原理，属于光通信、光电传感和光信息处理器件的技术领域。

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。

经对现有技术的文献检索发现，专利公开号为CN02801257.7的日本松下专利《光开关》提出一种基于棱镜运动光开关器件。该器件由棱镜前进和缩进提供光耦合到对应光纤端部的准直透镜之间转换光路，包括安排固定棱镜的衔铁和驱动衔铁运动的线圈体的电磁驱动器及片簧，电磁驱动器和棱镜沿衔铁运动方向彼此相邻设置。光开关动作时衔铁和棱镜可垂直透镜之间的光路线性移动。基于这种棱镜结构的电光开光，由于需要衔铁、线圈等机械部件，所以造成体积较大，结构复杂，不易集成，价格较高等问题。

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。

本专利将微透镜变焦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器件，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：本实用新型的目的在于提出一种电调谐光开关器件结构，解决光开关器件的电控调谐问题。

技术方案：本实用新型的电调谐光开关器件具有长方体状或圆柱状单元的流体棱镜光输入阵列和流体棱镜光输出阵列，上述两阵列之间的空间形成光交换空间；上述阵列单元以设有侧面电极的长方体状或圆柱状通孔为主体，通孔位于镀有ITO导电层的透明玻璃之间，通孔内放置三种或两种互不相溶的流体，当放置三种即第一导电流体、绝缘流体和第二导电流体时，这三种液体在电压的作用下构成流体棱镜介质；通孔左侧面涂有导电材料作为左前电源的一个电极，左前电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第一导电流体，通孔左侧面的导电材料同时作为左后电源的一个电极，左后电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第二导电流体；同理设置右前电源和右后电源的电极。

所述的侧面电极的内侧设有绝缘层，绝缘层与流体接触的内侧设有疏水层，通孔内放置两种互不相溶的流体时，则去掉上述左后电源和右后电源。

一种方案是通孔内放置三种互不相溶的流体即第一导电流体、绝缘流体和第二导电流体，这三种液体在电压的作用下构成流体棱镜介质；流体棱镜形状的控制通过四组电源即左前、左后、右前和右后电源控制。其电极分布分别如下：通孔左侧面涂有导电材料作为左前电源的一个电极，左前电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第一导电流体，通孔左侧面的导电材料同时作为左后电源的一个电极，左后电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第二导电流体；同理设置右前电源和右后电源的电极。另一种方案是通孔内放置两种互不相溶的流体即导电流体和绝缘流体，同样这两种流体在电压的作用下构成流体棱镜介质。流体棱镜形状的控制通过两组电源即左电源、右电源控制。电极的分布为通孔左侧面的导电材料作为左电源的一个电极，左电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的导电流体，通孔右侧面的导电材料作为右电源的一个电极，右电源的另一个电极是通过ITO导电层相连的导电流体。为了防止电极和导电流体直接接触，所述的侧面电极的内侧设有绝缘层；为方便控制流体棱镜形状和减少阻力，绝缘层与流体接触的内侧设有疏水层。控制电源的电路可通过刻蚀玻璃上的导电层ITO，采用商用的外围IC集成电路来控制。

据上述方法可以构造三类光开关器件即平面型1×N光分路器，平面型N×N光开关阵列和立体型M×M光开关阵列。平面型1×N光分路器的光输入端由一个流体棱镜单元实现，单元的左右两个侧面设有导电层并分别作为左右电源的一个电极，导电流体作为左右电源的另一极。光输出端由N个流体棱镜单元组成，结构同上。工作时，当需要光从输入端耦合到输出端的第n个棱镜单元时，根据控制电压与偏转角的关系分别设定输入端棱镜单元的左右控制电压，同时设定输出端的第n个棱镜单元的左右控制电压与输入端棱镜单元的电压一致。即光输入棱镜单元和光输出棱镜单元的四组(或两组)电源电压分别保持联动以保证光的耦合。当平行光从输入端经流体棱镜偏折到输出端的流体棱镜时，由于两棱镜参数设置一样，根据光路可逆原则，则光从输出端的流体棱镜输出时也为与输入光方向一致的平行光，这样很方便地和高效率地实现光的耦合。

平面型N×N光开关阵列和立体型M×M光开关阵列单元的设置和工作原理基本与平面型1×N光分路器相同。但对于立体型M×M光开关阵列单元，则除了上述提供左右光的偏转控制外，还需增加上下光的偏转控制结构，其上下光偏转控制结构的设置和工作原理与左右光的偏转控制结构一样，由此实现立体空间光的偏转控制。

为了方便和光纤的耦合，可以分别在光输入阵列前面和输出阵列后面放置微透镜阵列，或者把阵列单元的通孔形状设计为圆柱状。

有益效果：根据以上叙述可知，本实用新型具有如下特点：

本实用新型将微透镜变焦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器件，具有非常重要的技术价值。本实用新型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)将液体的电润湿效应应用于光通信之中，实现了光开关器件的电控调谐。这种新颖的光开关器件将会在光通信领域中得到广泛的应用。

2)利用三种液体在电压的控制下形成液体棱镜，输入和对应输出棱镜单元的控制电压一致，保证了光的耦合效率。

3)利用电控液体棱镜可方便地构造1×N，平面型N×N，立体型M×N光开关。

4)基于电润湿效应的光开关技术由于是利用电容效应控制流体棱镜形状从而控制光的偏转，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平面型电调谐光开关器件结构示意图。图中有液体棱镜光输入阵列1、光空间交换腔2、液体棱镜光输出阵列3。

图2是三流体光开关输入/输出单元组成示意图。图中有第一导电流体4、绝缘流体5和第二导电流体6。

图3是双流体光开关输入/输出单元组成示意图。图中有导电流体7、绝缘流体8。

图4是三流体光开关输入/输出单元结构侧面投影示意图。图中有第一导电流体4、绝缘流体5、第二导电流体6、左导电极板9、右导电极板12、透明玻璃10、ITO导电层11、绝缘层13、疏水层14、左前电源15、左后电源16、右前电源18、右后电源17。

图5是三流体光开关输入/输出单元结构工作示意图。图示中左上电源、右上电源上电压大于左下电源、右下电源上电压。

图6是三流体光开关输入/输出单元结构工作示意图。图示中左上电源、右上电源上电压小于左下电源、右下电源上电压。

图7～图9为双液体光开关输入/输出单元结构工作示意图。

图10是N×N平面型电调谐光开关器件实现光交换示意图。

图11是1×N平面型电调谐光开关器件结构示意图。

图12是M×M立体型电调谐光开关器件结构示意图。图中19为左导电极板，20为右导电极板，21为上导电极板，22为下导电极板。

图13是M×M立体型电调谐光开关器件实现光交换示意图。

图14圆柱形液体棱镜单元的4电极横截面图。

图15圆柱形液体棱镜单元的6电极横截面图。

图16是N×N型电调谐光开关器件环形结构示意图。图中有偏光控制单元1、光空间交换腔2、偏光辅助反射面3。中间的控制单元可直接偏转耦合至输出单元(如实线所示)，外侧的偏转单元可通过偏光辅助反射面偏转耦合至输出单元(如虚线所示)

具体实施方式

本实用新型的基于电润湿效应的由电控液体棱镜构成电调谐光开关器件(如图1)以具有长方体状或圆柱状单元的流体棱镜光输入阵列1和流体棱镜光输出阵列3，上述两阵列之间的空间形成光交换空间2。上述阵列单元(如图4)以具有侧面导电能力的长方体状/圆柱状通孔为主体，通孔位于镀有ITO导电层11的透明玻璃10之间。通孔内放置三种(或两种)互不相溶的流体即第一导电流体4、绝缘流体5和第二导电流体6，这三种液体在电压的作用下构成流体棱镜介质；通孔左侧面涂有导电材料9作为左前电源15的一个电极19，左前电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第一导电流体4，通孔左侧面的导电材料同时作为左后电源的一个电极19，左后电源16的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第二导电流体6；同理设置右前电源18和右后电源17的电极。如果使用两种流体材料构成棱镜，则去掉上述左后电源和右后电源。所述的侧面电极的内侧设有绝缘层13，绝缘层13与流体接触的内侧设有疏水层14。

具体实施例1：

以平面型1×N光分路器为例。流体棱镜单元采用三液体形式(如图4)，左右两侧面导电材料9、12为Si，在Si的表面氧化一层500nm的SiO₂作为绝缘层13。疏水层14通过浸蘸疏水剂FOTs来实现。导电流体4或6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。绝缘流体5采用混合的苯基甲基硅氧烷，它具有高折射率和良好的电湿性能。溶解几个百分点碳四溴化合物(ρ＝2.96kg/m³)的绝缘液体的密度与盐溶液的密度相匹配。由此得到的折射率为1.55。这两种液体的温度相关折射率大体相同(dn/dT＝-0.0003/K)。因此，在所需的温度范围内，对流体棱镜形状的影响是很小的，这种影响可以通过微调电压来补偿。透明玻璃10采用高性能的薄玻璃片(如VWR Scientific公司生产的一种生化实验专用的盖玻片。型号：WEST Chester，PA19380)，该玻片韧性很好，透光率高，在其上溅射一层ITO导电层11。

通过对图4中15-18电源施加一特定等值电压V_等如60V，可以实现实现三液体呈直条状使光的传播方向不发生偏折。如果电源15、16的电压小于V_等而电源17、18电压大于V_等，则可形成图5示的流体棱镜来实现光向右偏折，反之则可形成图6示的流体棱镜来实现光向左偏折。根据耦合棱镜单元间的位置关系来推算光的偏折角从而确定电源的控制电压，此电压由外围IC电路提供。

工作时，当需要光从输入端耦合到输出端的第n个棱镜单元时，根据控制电压与偏转角的关系分别设定输入端棱镜单元的左右控制电压，同时设定输出端的第n个棱镜单元的左右控制电压与输入端棱镜单元的电压一致。当平行光从输入端经流体棱镜偏折到输出端的流体棱镜时，由于两棱镜参数设置一样，根据光路可逆原则，则光从输出端的流体棱镜输出时也为与输入光方向一致的平行光，这样很方便地和高效率地实现光的耦合。

具体实施例2：

以平面型N×N光开关器件为例。透明基片仍然采用高性能的盖玻片溅射ITO膜层。光输入、输出阵列采用硅橡胶铸模而成，存放电润湿棱镜材料的腔内镀上导电膜，腔体的棱上由绝缘物质隔断。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

TeflonAF)涂层来实现。绝缘流体采用溴代十二烷(密度1.0399，折射率1.4583)，导电流体采用配置为密度与之相等的食盐水溶液，以去除重力的影响。电压控制绝缘流体和导电流体界面的形状来调整液体棱镜形状和位置，从而调整输入棱镜-输出棱镜的光耦合。导电液体也可采用室温离子液体，因为室温离子液体是一种重要的绿色新型“软”材料，具有许多优点，如非挥发性，高热稳定性，低熔点，良好的导电与导热性，良好的透光性与折射率等，而且品种非常多，可供选择的余地很大。可以选择密度与导电液体相差不多而折射率与准直器接近的离子液体。同样第一导电液体也可选择与第二导电液体一样。

Claims

1.一种电调谐光开关器件，其特征在于该开关器件具有长方体状或圆柱状单元的流体棱镜光输入阵列（1）和流体棱镜光输出阵列（3），上述两阵列之间的空间形成光交换空间（2）；上述阵列单元以设有侧面电极的长方体状或圆柱状通孔为主体，通孔位于镀有ITO导电层（11）的透明玻璃（10）之间，通孔内放置三种或两种互不相溶的流体，当放置三种即第一导电流体（4）、绝缘流体（5）和第二导电流体（6）时，这三种液体在电压的作用下构成流体棱镜介质；通孔左侧面涂有导电材料（9）作为左前电源（15）的一个电极（19），左前电源的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第一导电流体（4），通孔左侧面的导电材料同时作为左后电源的一个电极（19），左后电源（16）的另一个电极则是通过ITO导电层相连的第二导电流体（6）；同理设置右前电源（18）和右后电源（17）的电极。

2. 根据权利要求1所述的一种电调谐光开关器件，其特征在于所述的侧面电极的内侧设有绝缘层（13），绝缘层（13）与流体接触的内侧设有疏水层（14），通孔内放置两种互不相溶的流体时，则去掉上述左后电源和右后电源。