CN203101726U - 一种电湿活塞式光开关 - Google Patents

Abstract

电湿活塞式光开关采用上盖板（1）、平板波导基底（2）、电湿活塞内芯（3）、下盖板（4）结构。其中，平板波导基底（2）上设置网状波导结构（6），波导交叉节点处设有三角形或其它形状的波导节点微液腔（7）；平板波导基底（2）下方的电湿活塞内芯（3）是具有圆锥状或其它形状电湿驱动通孔（8）且设有控制电路（9）的平板，其表面设有导电层、绝缘层和疏水层；下盖板（4）上设有凸起柱（10）和带弹性膜的压强平衡孔（11），与电湿活塞内芯（3）经粘胶（17）胶合后形成弹性液盒，用于存储导电流体（12）和折射率匹配液（13）；在上盖板上设有与波导节点微液腔（7）、电湿驱动通孔（8）一一对应的气穴（5）以提供气室和气压。

Description

一种电湿活塞式光开关

技术领域

本发明涉及一种新颖的电控活塞式光开关结构及其工作原理，属于光通信的技术领域。

背景技术

中国的光通信市场的网络光化发展趋势将持续向用户端延伸，FTTH普及只是时间问题，全光通信网的时代正在到来。随着光通信带宽需求的不断增长，未来光网络不仅需要支持大容量的传输，还需要提升交换容量，而全光交换技术是近一步提升交换容量的关键所在，是未来全光网络的发展趋势。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,而大容量的光路可调器件--全光开关则是这些设备中的核心器件。就目前的光开关发展现状而言，其主要类型有微电子机械系统（MEMS）开关和波导开关。MEMS开关工艺成熟，已经实现了大端口数目的开关阵列。但MEMS利用移动部件实现光在不同埠间的转换，在可靠性和开关速度、器件大小方面都不尽人意。波导型光开光开关速度快，结构紧凑，将是未来光开关的发展方向。在高速开关的研究方面，虽然不少波导型电光开关的速度理论上可以达到ns量级，但实际制作的ns开关速度的器件却报导不多，因传统的电光开关是利用电光效应，即通过施加一个电场来产生材料折射率的相应变化，从而可以方便地控制光在传播中的强度、位相和传播方向。但电光效应是利用晶体的非线性光学效应，其控制电压较高，要降低该电压需要的与之相应的制作材料和加工工艺的要求较高。至于OADM中的光开关应用，则主要要求光开关矩阵规模的扩大和成本的降低，对开关速度的要求相对较低。未来的研究主要集中在发展大容量、高性价比的波导开关矩阵。

下一代光路可调技术之一就是液态光器件。传统的液态光路可调器件中的光开关包括喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、液体光栅光开关等。Agilent公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出的二维光交叉连接系统；其由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液；缺省条件下，入射光可沿着波导无交换传输；当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全反射至输出波导，实现光路的选择、转换；Agilent 气泡光开关具有毫秒级交换速度、偏振不敏感性、低串扰、高消光比的特性，经过不断改进，32×32 光开关阵列已经达到商业化要求；目前该技术困难是封装液体，还有必需要在饱和蒸汽压（亦即密死循环境中保持气体及液体状态共存的温度及压力条件）下操作，而且该技术的气泡产生所必需的热喷墨打印技术国内尚无知识产权。

基于二氧化硅基的热光开关矩阵具有功耗低、容量大等优点，但是二氧化硅受其热光系数大小的限制，无法实现高速开关。液体光栅光开关通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失方法控制特定波长的光反射或透射，其缺点是仅能实现单波长的切换。液晶光开关的技术基于液晶在电场作用下引起入射光极化状态改变，对某些光束进行极化状态的改变实现空间交换。为了使器件对极化不敏感，就必须引入某些极化差异，这使得该技术更加复杂。

基于EWOD等效应的电控微流体具有高的切换速度（～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EWOD研究和应用主要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无机械装置电控方法通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种电控液体技术现已取得了成熟的发展，但应用于光通信领域的光路可调器件涉及很少，国内仅限于南京邮电大学“微流控光学技术研究中心”的微流控光开关阵列和可调光衰减器器件。

现有的专利如ZL200910145198.1公开的基于微流控技术的二维电光开关阵列装置，包括储气容器、储液容器、矩阵形式排列的波导，每个交叉点均有盛有液体的微容器，每个微容器均有相对应的电湿控制器以选择性加电的电湿驱动装置。该装置的缺点第一在基板上同时安装波导、电极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；第二，它的驱动装置与分光部件集成在一块，限制了导电层、绝缘层、疏水层的选择（必须要求透明材料），同时光路进入该分光部件时经过导电层、绝缘层、疏水层的多次反射，造成光的强烈衰减；第三，该装置所有的光开关节点共用一个储气容器，不可能针对每一个微液柱位置进行精确定位和初始化；第四，该装置储液池和储气容器相通易导致储液池的液体大量流入储气容器而使器件失效。

针对上述器件不足，本专利设计了一种新颖的电湿效应控制的光开关阵列装置，创新性地改进复杂器件结构使得制作成本、生产工艺进一步降低，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

本发明的目的在于提出一种基于电湿效应驱动的活塞式光开关阵列结构，解决光开关阵列的电控调谐问题。

技术方案：本器件有四层分布，采用上盖板、平板波导基底、电湿活塞内芯、下盖板的结构；平板基底（含波导及其阵列）与电湿活塞内芯位于上下盖板之间，形成具有气液共同作用于光路可调节点及阵列的双层三明治夹心结构。其中上盖板设置有气穴，为电湿驱动的光开关节点提供气室；中间平板基底除微液腔外，还有二次离子交换或软光刻制作的波导结构；下层的电湿活塞内芯则是采用可变液体透镜制作工艺实现的电湿驱动结构，控制动力由本层产生；底层的下盖板连同凸起柱，与导电内芯经粘胶胶合后形成弹性液盒，用于存储电湿活塞液体材料--两种互不相溶的液体，下盖板留有压强平衡孔，以弹性膜覆盖与大气或其它气压控制室相通；电湿活塞由电湿驱动通孔连同与之对应设置的波导节点微液腔、上盖板气穴共同组成，电湿驱动通孔内侧全部设有导电层和相应的绝缘层，与液体接触的内侧设有疏水层，导电层作为第一电极并通过设置在电湿活塞内芯的电路与外部电路相连，第二电极即公共电极为导电流体。当电压施加与去除时配合弹性膜的凹/凸起继而控制电湿活塞往复运动；微液柱在电湿和气压双重作用驱动下序列控制波导节点微液腔处气泡的有无，气泡可将入射波导中的光信号全反射至输出波导，实现光路的选择、转换。

盖板可用任何材料制作，只需在与波导节点微液腔相应位置设置凹槽作为气穴即可；平板基底待波导结构制备后，也只需在其交叉点处设置三角形或其它形状微型通孔作为微液腔，所以对其材料要求并不高；控制内芯因采用的液体可变透镜制作工艺完成（但尺寸要小，因要利用毛细效应），成本也很低。四层结构分开制作，有效降低加工难度和提高成品率，同时对材料也无特别要求，节约生产成本。四层结构经过粘结和注液后，进行封装，当外界不施加电压时，两种液体在液腔中处于相对密封状态，能保持静止不动。

电湿活塞内芯的主体是具有圆锥状、圆柱状或其它类似形状的毛细通孔（电湿驱动通孔）的平板，通孔的上下两面分别连接波导基底板和弹性液盒；通孔与波导节点微液腔以及上盖板气穴一一对应，孔内可作疏水处理减少匹配液运动阻力，其上半部分存放有折射率匹配液（一般是油），下半部分和弹性液盒共同储存有与上述折射率匹配液互不相溶的导电液体作为公共电极，形成电湿驱动结构。

电湿驱动通孔内侧在有导电膜层处设置相应的绝缘层，与液体接触的最外层设有疏水层便于液体流动和改善表面张力特性；控制内芯上表面控制电极与通孔导电膜层相连，导电液体作为公共电极。由于通孔是内层设有疏水层的毛细管，

在自然表面张力作用下，孔内液体有向下运动趋势，通过电湿效应改变导电液体与疏水层间表面张力配合下盖板压强平衡孔的弹性膜，可驱动孔内液体向上运动。同时密封在与波导节点微液腔对应的上盖板气穴内的气体被压缩，压强增加，在运动过程中对匹配液的运动也产生一定的阻碍，从而达到“自锁”的作用。随着施加电压的有无，整个匹配液的运动将是一个“活塞”效应的过程。

因电湿驱动通孔腔内进行了疏水处理，毛细表面张力作用对腔内液体有压低作用，如图3，波导交叉点1处全部被气泡填充，光路A的光通过此处时，光从光密介质进入光疏介质，被气泡全反射进入光路B，完成对光路D的“断”；在控制电极与公共电极间施加电压后，导电液体与通孔腔侧壁间的表面张力因电湿效应的作用而降低，通孔腔内液面上升，驱动折射率匹配液向上运动，波导交叉点2微液腔内完全填充匹配液，因匹配液选择与波导折射率一致，光路B的光全透射，完成对光路C的选“通”。

设计时，为了尽可能减少温度敏感性，需仔细设计气穴的容积和初始气压以期望与气、液体的热胀效应抵消。

本发明的有益效果为：

本发明将液体可变透镜制造技术与现代光通信技术相结合，设计了一种新颖的基于电湿效应的活塞式光开关阵列结构，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、成品率搞、成本低廉等优点。

1）将传统的可变液体透镜制造技术与光开关器件技术结合起来，打开了设计和制造光通信器件的新思路。

2）本技术利用电湿效应改变液体表面张力间接驱动光路节点上微容器内液柱位置，将电湿驱动装置与波导节点分层设计，简化波导节点制作的同时提高光的透过率，大幅提高了整个器件的光学性能，同时液体在液腔中处于相对密封状态，在器件移动状态下也能保持静止不动。

3) 将控制内芯和波导网络两部分分开制作然后粘合的方式，简化生产工艺、提高成品率。

4）弹性液盒的设置可使用外部压力/压强调节设备对微液柱位置施加影响，使得微液柱位置的控制手段更丰富。

附图说明

图1 是光开关阵列分层结构说明图。

图2是光开关结构剖视图。

图3是用于本发明光开关阵列工作侧视图和相应的平视图。图中波导节点微液腔液面位置较高时（图中用点填充）光从节点透射而过，液面较低时（图中无点填充）光从节点全反射通过。

图中有上盖板1、平板波导基底2、电湿活塞内芯3、下盖板4、气穴5、网状波导结构6、波导节点微液腔7、电湿驱动通孔8、控制电路9、凸起柱10、带弹性膜的压强平衡孔11；导电流体12、折射率匹配液13、导电层14、相应的绝缘层15、疏水层16、粘胶17。

具体实施方式

本器件有四层分布，采用上盖板、平板波导基底、电湿活塞内芯、下盖板的结构，四层结构分开制作然后组装。

实施例一

上盖板采用易于做穴的，热涨系数小，能大规模化生产的材料制作而成，优选的为隔热的硬塑料，可通过模具注塑而成。波导板采用易于制作光滑三角形通孔材料，优选为与上盖板同样材料且通过模具注塑而成，网状波导结构采用紫外光刻胶制作。电湿活塞内芯主体可用ABS朔料铸模成型、表面全部包括电湿驱动通孔内侧电镀金属导电层而成，再用腐蚀法在上表面制备控制电极和电路；全部导电层外部包裹一层绝缘层，优选为采用真空镀膜法生成3微米厚的派瑞林；与液体接触面的疏水层采用Teflon涂层来实现。下盖板选用隔热塑料注塑形成并预留一较大通孔以弹性膜覆盖之。利用树脂粘胶胶合上述四层。

导电液体使用对塑料腐蚀性低溶液甚至可以选择去离子水，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。匹配液选择一种与波导层折射率一致、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，可设置匹配液的位置比波导层稍低一些。

具体实施时，如图3所示，注入导电液体和匹配液，匹配液高度与波导层一致或略高一些，这样能让波导内光束能全部透射通过波导节点；当在公共电极和通孔电极之间施加电压，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波导节点处微液腔时，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。

实施例二

由于波导节点微液腔很小使得注入液体到达指定位置较为困难，可以将上盖板气穴做成带弹性膜的小孔，上下盖板的弹性膜外面加设压强调节装置，这样可通过外部加压使得微孔内液柱停驻在指定位置，同时可作为温度变化太大时的归零调节辅助装置。特殊情况下，波导基板和其上的网状波导阵列可以一体化注塑制作，同时可省去匹配液。

Claims (6)

1.一种电湿活塞式光开关，结构包括平板波导基底（2），其特征在于：还包括上盖板（1）、电湿活塞内芯（3）、下盖板（4）的结构；平板波导基底（2）与电湿活塞内芯（3）位于上下盖板之间，形成双层三明治夹心结构；

其中，平板波导基底（2）上设置网状波导结构（6），波导交叉节点处设有波导节点微液腔（7）；平板波导基底（2）下方的电湿活塞内芯（3）是设有与波导节点微液腔（7）相通的电湿驱动通孔（8）和控制电路（9）的平板，为光开关节点控制提供驱动力，电湿驱动通孔（8）另一面连通弹性液盒；上盖板（1）设置有与波导节点微液腔（7）相对应的气穴（5）。

2.根据权利要求1所述的电湿活塞式光开关，其特征在于：波导节点微液腔（7）为三角形或多边形。

3.根据权利要求1所述的电湿活塞式光开关，其特征在于：电湿驱动通孔（8）为圆锥形或圆柱状。

4.根据权利要求1所述的电湿活塞式光开关，其特征在于：电湿活塞由电湿驱动通孔（8）连同与之对应设置的波导节点微液腔（7）、上盖板气穴（5）共同组成，电湿驱动通孔（8）内侧全部设有导电层（14）和相应的绝缘层（15），与液体接触的内侧设有疏水层（16），导电层（14）作为第一电极并通过设置在电湿活塞内芯（3）的电路与外部电路相连，第二电极即公共电极为导电流体（12）。

5.根据权利要求1所述的电湿活塞式光开关，其特征在于：弹性液盒由设有凸起柱（10）的下盖板（4）与电湿活塞内芯（3）经粘胶（17）胶合后组成；下盖板（4）设有被弹性膜覆盖的压强平衡孔（11）；两种互不相溶、具有不同表面张力的液体导电流体（12）和折射率匹配液（13）组成电湿活塞驱动介质。

6.根据权利要求1所述的电湿活塞式光开关，其特征在于上盖板（1）设置的气穴（5）与波导节点微液腔（7）、电湿驱动通孔（8）一一对应。

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