TWI422882B - 流體式光波導元件及其形成方法 - Google Patents

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Description

流體式光波導元件及其形成方法
本發明係有關一種光波導元件，特別是指一種流體式光波導元件及其形成方法。
光流體學是由微流體學以及光學這兩個領域結合的，在微流道的網狀系統中，在層流的條件下，不同液體間穩定又平滑的介面對於設計光學元件而言是理想的，像是波導、透鏡以及鏡面。液體的折射率是可以調整以適合任何的應用。除此之外，可藉由更改液體的系統來輕易調配元件的光學性質，這項特徵是獨一無二的，且對具有相當功能的固態材料，像是玻璃、金屬以及半導體來說是不能達成的。
Jong-Min Lim等人在2008年發表“Fluorescent liquid-core/air-cladding waveguides towards integrated optofluidic light sources”。此文獻是利用氣壓施加於液體邊界固定波導的形狀，選定液體作為纖核層，可使得包層與纖核層間的折射率差異值夠大以至提升光傳導的效率。
Wolfe等人在2004年提出“Dynamic control of liquid-core/liquid-cladding optical waveguides,”其實現了液體纖核液體包層波導在一個由聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)製作成的元件。利用外加注射針幫浦驅動液體，在微小尺寸裡纖核液體與包層液體在低雷諾數的條件下以層流的方式流動，液體與液體的介面相較於固態光纖的介面平滑，因此能減少經由散射所造成的光損失。然而，液體的相對折射率差值在流道的一開始維持的很好，可是隨著液體的行進，包層液體以纖核液體間的橫向分子擴散越 來越明顯，降低了液體間的折射率差值。
由上述的先前技術可發現目前流體式波導系統大部分使用液體，且製作方式為元件必須製作出封閉流道提供液體流動，並且沒有元件內驅動液體的元件，而是以外加幫浦施加壓力讓液體流動，液體在微小尺寸下以層流的方式流動雖然擁有液體之間介面平滑的優點，但卻無法避免相同液體間橫向的分子擴散或是熱擴散，造成光波導系統的折射率差值減少。若是使用不同的液體形成流體式波導系統，雖然減少液體間擴散的問題，但卻有液體回收的問題。另外，若是纖核液體受到流速或壓力的影響而接觸到流道的管壁，則相對液體介面更粗糙的固體介面會讓在纖核液體內傳播的光因散射而產生更多的光損失。
有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種嶄新的流體式光波導元件及其形成方法，以有效克服上述之該等問題。
本發明之主要目的在提供一種流體式光波導元件及其形成方法，其是在具有低折射率之包層流體中，藉由施加電場方式，於電極上驅動具有高折射率之纖核流體，並藉由電極圖形控制纖核液體所形成之二維形狀。
本發明之另一目的在提供一種流體式光波導元件及其形成方法，其係利用電場界定出纖核流體所形成之流道位置，具有操作簡易與快速的優點。
本發明之再一目的在提供一種流體式光波導元件及其形成方法，其無不同折射率流體擴散的疑慮，且因為屬於非流動之流體，具有不需補充流體，界面維持穩定與可降低成本的優勢。
本發明之又一目的在提供一種流體式光波導元件及其方法，其係利用施加電場來形成流體式光波導元件，因此不需額外外加幫浦。
為達上述之目的，本發明提供一種流體式光波導元件，其包含有：一中空本體；一容設於中空本體內的包層流體；一設於包層流體內的纖核流體，其折射率高於包層流體；以及一設於中空本體上的驅動電極，其係用以驅動纖核流體。
本發明尚提供一種形成流體式光波導元件的方法，其包含有下列步驟：提供一中空本體；於中空本體內填入一第一流體與一位於第一流體周圍之第二流體，其中第一流體之折射率高於第二流體；以及施加一驅動電場，使第一流體形成一纖核流體，第二流體形成包覆於纖核流體周圍之包層流體，以構成一流體式光波導元件。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明之精神所在係是在具有低折射率之包層流體中，藉由施加電場方式，於電極上驅動具有高折射率之纖核流體，以組構成一流體式光波導元件。且流體可以包含有液體與氣體。
以下的說明，係用以使熟悉該項技藝更清楚明白如何施行本發明，但並不能因此界定本發明之權利範疇需完全依照實施例所載，任何基於本發明之精神所做的潤釋或修改，例如材料的選用等，均當仍屬本發明之範疇。
請一併參閱第1(a)圖、第1(b)圖與第1(c)圖，其係各為利用本發明之精神所建構成之流體式光波導元件的截面結構示意圖、AA’截面處的折射率變化示意圖與BB’截面處的折射率變化示意圖。如圖所示，本發明之流體式光波導元件主要包含有一設有一驅動電極10的中空本體12、一容設於中空本體12內的包層流體14；以及一設於包層流體14內且由驅動電極10驅動成型的纖核流體16，其中纖核流體16的折射率較包層流體14高，如第1(b)圖所示，纖核流體16之折射率n16 明顯高於包層流體之折射率n14 ，以讓光可以在纖核流體中以全反射的方式傳播。
其中，纖核流體16的介電常數也可高於包層流體14之介電常數。
此設有驅動電極10的中空本體12係由一上基板18、一下基板20；以及二個分設於上基板18與下基板20間且位於兩側邊的間隔壁22、24所組構成。上基板18與下基板20可以是玻璃。上基板18之底面形成有一上電極26與一上疏水層28。下基板20之頂面依序形成有一圖案化下電極30與一下疏水層32。上電極26與圖案化下電極30構成驅動電極10。舉例來說，上電極26為接地電極，而圖案化下電極30是具有圖案設計，以產生不同的二維圖案驅動效果。
上述之上電極26也可視需求具有圖案設計。
請參閱第1(c)圖，本發明之流體式光波導元件在BB’截面處的折射率變化，其中n18 是代表上基板18的折射率，n26 是代表上電極26的折射率，n28 是代表上疏水層28的折射率，n16 是代表纖核流體16之折射率，n32 是代表下疏水層32的折射率，n20 是代表下基板20的折射率。
上疏水層28與下疏水層32之材質可以是鐵氟龍(Teflon)。纖核流體16與包層流體14各可選自於液體或氣體，例如空氣等無害氣體。當纖核流體16與包層流體14皆為液體時，纖核流體16的材質可以為γ-丁內酯(γ-butyrolactone)，簡稱為GBL(n16 =1.442,)，包層流體14可以選用黏滯度為20cSt的矽油(Dow CorningFluid,n14 =1.401)。
本發明在驅動電極10上施加電壓34，在此實施例中是採交流電壓，利用產生的交流電場形成沿著圖案化電極30設定的形狀驅動且位於包層流體14中的纖核流體16，並利用纖核流體16與包層流體14的折射率差作為流體式光波導元件。本發明利用交流電場將纖核流體形成圖案化電極所設定之圖形，在形狀固定的穩定度上優於氣壓固定的方式，再者包層流體14與纖核流體16都是流體因此具有界面平滑的優勢，可以減少散射所造成的能量損失。
此外，本發明可利用疏水層(28、32)作為介電層，當施加電壓時，在介電層上形成電場使流體式光波導元件成型。
本發明相較於先前技術利用幫浦驅動液體且利用液體本身擴散因素所形成之流體式光波導元件來說，本發明能夠減少液體的遲延時間，進而增加液態波導形成的效率，甚至加快光切換的速率。
使用流體所形成光波導元件的優點為材料的調變度很大，藉由改變材料便可改變光在纖核液體層中發生全內反射的最小彎曲半徑，再加上本發明只需設計驅動電極圖案即可利用電場驅動纖核流體為任何二維形狀，無論在任何方面之應用，均不需額外的外加元件設計，使得成本降低、更具方便性。
請參見第2圖，其係本發明之形成流體式光波導元件的方法。如圖所示，首先，如步驟S1所述，提供一中空本體；接續，如步驟S2所述，於中空本體內依序填入第一流體與位於第一流體周圍之第二流體，其中第一流體之折射率高於第二流體；以及如步驟S3所述，施加一驅動電場，使第一流體形成纖核流體，第二流體形成包覆於纖核流體周圍之包層流體，以構成如第1(a)圖所示之流體式光波導元件。
其中，中空本體可以如先前所述由上基板、下基板；以及二個分設於上基板與下基板間且位於兩側邊的間隔壁所組構成。而驅動電場是可由第1(a)圖所示之形成於上基板底面之上電極與形成於下基板頂面之圖案化下電極經施加一交流電壓驅動所形成。
而作為纖核流體之第一流體與作為包層流體之第二流體的材料選用，以及疏水層的材料選用係如先前所述，於此不再贅述。
以下係本發明與先期技術的比較，請參表一。
請一併參閱第3(a)圖與第3(b)圖。第3(a)圖係用以描述本發明形成漸縮L型流體式光波導元件時的圖案化下電極的圖形設計，以及雷射光源(Nd：YAG 532nm)與觀測器(CCD)相對於圖案化下電極的設置位置示意圖。第3(b)圖為利用第3(a)圖之圖案化下電極所驅動成型的流體式光波導元件影像圖。而第3(c)圖與第3(d)圖則是為了觀察第3(b)圖之流體式光波導元件在光學上表現時，於纖核流體中加入一濃度為1mM的若丹明6G染色後利用一位於本發明之漸縮L型流體式光波導元件上方之CCD(圖中未示)所觀察到之上視影像圖與側視影像圖。此實施例中，末端彎曲的電極設計，是為了避免從流體式光波導元件輸出點量到的光訊號是直接來自於雷射光源。由圖中可發現光成功的傳輸到流體式光波導元件元件的輸出點。再者，從側視影像圖中可看見輸出點處光亮點的右側有一整條亮帶，那是因為螢光分子在纖核流體裡面經雷射光激發後形成螢光散射，進而可以從任何角度觀察到螢光。
請一併參閱第4(a)圖與第4(b)圖，其各為本發明另一種圖案化下電極的實施例示意圖；以及纖核流體經由施加電場沿著此種圖案化下電極驅動成型後的流體式波導元件影像圖。如圖所示，可發現本發明可利用螺旋狀之圖案化下電極來驅動纖核流體形成複雜的螺旋狀流體式光波導元件元件。
再者，因本發明之纖核流體16是沿著圖案化電極30所設定的形狀驅動，因此也可作為光學切換系統，舉例來說，請一併參閱第1(a)圖、第5(a)圖與第5(b)圖。如第1(a)圖所示，圖案化電極30可圖案化為次電極30a、次電極30b與次電極30c。當次電極30a相對其他次電極(30b、30c)具有較高電場時，第一流體將沿著次電極30a形成纖核流體16a，因此光將沿著次電極30a上之纖核流體16a前進，如第5(a)圖所示。相對的，如果次電極30b具有較高電場時，次電極30b上將形成纖核流體16b，第5(b)圖所示。而第6(a)圖、第6(b)圖與第6(c)圖，為上述之本發明之光學切換系統之側視影像亮點隨纖核流體成型於不同次電極上時的光波導變換情形的影像圖。
因此，本發明不僅可以藉由預設之圖案化下電極的圖案，來驅動位於包層流體中之纖核流體形成不同二維圖形，以作為流體式光波導元件，也可將圖案化電極形成數個次電極，來驅動纖核流體於不同次電極上成型，以作為光學切換系統。
唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。
10‧‧‧驅動電極
12‧‧‧中空本體
14‧‧‧包層流體
16‧‧‧纖核流體
16a、16b‧‧‧纖核流體
18‧‧‧上基板
20‧‧‧下基板
22‧‧‧間隔壁
24‧‧‧間隔壁
26‧‧‧上電極
28‧‧‧上疏水層
30‧‧‧圖案化下電極
30a、30b、30c‧‧‧次電極
32‧‧‧下疏水層
34‧‧‧電壓
第1(a)圖、第1(b)圖與第1(c)圖，其係各為本發明之流體式光波導元件的截面結構示意圖、AA’截面處的折射率變化示意圖與BB’截面處的折射率變化示意圖。
第2圖係本發明之形成流體式光波導元件的方法流程圖。
第3(a)圖為本發明之一漸縮L型流體式光波導元件之架構示意圖。
第3(b)圖為在第3(a)圖之架構下所形成之流體式光波導元件影像圖。
第3(c)圖與第3(d)圖則是第3(b)圖之流體式光波導元件在光學上表現時之上視影像圖與側視影像圖。
第4(a)圖與第4(b)圖係各為本發明另一種流體式光波導元件之電極設計的示意圖與其流體式光波導元件影像圖。
第5(a)圖與第5(b)圖係為本發明作為光學切換系統的示意圖。
第6(a)圖與第6(b)圖與第6(c)圖，其係本發明之光學切換系統之側視影像亮點隨纖核流體成型於不同次電極上時的光波導變換情形的影像圖。
10‧‧‧驅動電極
12‧‧‧中空本體
14‧‧‧包層流體
16‧‧‧纖核流體
18‧‧‧上基板
20‧‧‧下基板
22‧‧‧間隔壁
24‧‧‧間隔壁
26‧‧‧上電極
28‧‧‧上疏水層
30‧‧‧圖案化下電極
30a、30b、30c‧‧‧次電極
32‧‧‧下疏水層
34‧‧‧電壓

Claims (12)

  1. 一種流體式光波導元件，其包含有：一中空本體，其係包括一上基板、一下基板，以及二個分設於該上基板與該下基板間且位於兩側邊的間隔壁；一包層流體，其係容設於中空本體內；一纖核流體，其係設於該包層流體內，該纖核流體的折射率高於該包層流體；以及一驅動電極，其係設於該中空本體上，該驅動電極係用以驅動該纖核流體，該驅動電極包括一形成於該上基板底面之上電極與一形成於該下基板頂面之圖案化下電極，使該纖核流體在一電壓下沿著該圖案化下電極之形狀驅動且位於該包層流體中，以引導光在該纖核流體中傳播。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之流體式光波導元件，其中該上電極與該圖案化下電極之表面上各形成有一疏水層。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之流體式光波導元件，其中該上電極也具有圖案化。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之流體式光波導元件，其中該上電極與該圖案化下電極之表面上各形成有一介電層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之流體式光波導元件，其中該圖案化下電極係形成有數個次電極，該纖核流體係沿任一該次電極所設定的形狀驅動，以作為一光學切換系統。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之流體式光波導元件，其中該纖核流體與該包層流體各可選自於液體或氣體。
  7. 一種形成流體式光波導元件的方法，其包含有下列步驟：提供一中空本體，其係包括一上基板、一下基板，以及二個分設於該上基板與該下基板間且位於兩側邊的間隔壁，該上基板底面具有一上電極以及該下基板頂面具有一圖案化下電極；於該中空本體內填入一第一流體與一位於該第一流體周圍之第二流體，其中該第一流體之折射率高於該第二流體；以及施加一驅動電壓至該上電極及該圖案化下電極，使該第一流體形成一纖核流體，該第二流體形成包覆於該纖核流體周圍之包層流體，使該纖核流體在該驅動電壓下沿著該圖案化下電極之形狀驅動且位於該包層流體中，以引導光在該纖核流體中傳播而構成一光波導元件。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之形成流體式光波導元件的方法，其中該圖案化下電極包含有數個次電極，該交流電係選擇性施加於一該次電極，以使該纖核流體係沿著該次電極的形狀驅動，以作為一光學切換系統。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之形成流體式光波導元件的方法，其中該上電極與該圖案化下電極之表面上各形成有一疏水層。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之形成流體式光波導元件的方法，其中該上電極也具有圖案化。
  11. 如申請專利範圍第7項所述之形成流體式光波導元件的方法，其中該上電極與該圖案化下電極之表面上各形成有一介電層。
  12. 如申請專利範圍第7項所述之形成流體式光波導元件的方法，其中該纖核流體與該包層流體各可選自於液體或氣體。
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