專利名稱：一種電濕活塞式光開關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的電控活塞式光開關(guān)結(jié)構(gòu)及其工作原理，屬于光通信的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中國的光通信市場的網(wǎng)絡(luò)光化發(fā)展趨勢將持續(xù)向用戶端延伸，F(xiàn)TTH普及只是時間問題，全光通信網(wǎng)的時代正在到來。隨著光通信帶寬需求的不斷增長，未來光網(wǎng)絡(luò)不僅需要支持大容量的傳輸，還需要提升交換容量，而全光交換技術(shù)是近一步提升交換容量的關(guān)鍵所在，是未來全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。在全光網(wǎng)中，光分插復用器件(OADM)和光交叉連接(OXC)是不可缺少的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備，而大容量的光路可調(diào)器件一全光開關(guān)則是這些設(shè)備中的核心器件。就目前的光開關(guān)發(fā)展現(xiàn)狀而言，其主要類型有微電子機械系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)和波導開關(guān)。MEMS開關(guān)工藝成熟，已經(jīng)實現(xiàn)了大端口數(shù)目的開關(guān)陣列。但MEMS利用移動部件實現(xiàn)光在不同埠間的轉(zhuǎn)換，在可靠性和開關(guān)速度、器件大小方面都不盡人意。波導型光開光開關(guān)速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，將是未來光開關(guān)的發(fā)展方向。在高速開關(guān)的研究方面，雖然不少波導型電光開關(guān)的速度理論上可以達到ns量級，但實際制作的ns開關(guān)速度的器件卻報導不多，因傳統(tǒng)的電光開關(guān)是利用電光效應(yīng)，即通過施加一個電場來產(chǎn)生材料折射率的相應(yīng)變化，從而可以方便地控制光在傳播中的強度、位相和傳播方向。但電光效應(yīng)是利用晶體的非線性光學效應(yīng)，其控制電壓較高，要降低該電壓需要的與之相應(yīng)的制作材料和加工工藝的要求較高。至于OADM中的光開關(guān)應(yīng)用，則主要要求光開關(guān)矩陣規(guī)模的擴大和成本的降低，對開關(guān)速度的要求相對較低。未來的研究主要集中在發(fā)展大容量、高性價比的波導開關(guān)矩陣。下一代光路可調(diào)技術(shù)之一就是液態(tài)光器件。傳統(tǒng)的液態(tài)光路可調(diào)器件中的光開關(guān)包括噴墨氣泡光開關(guān)、熱光效應(yīng)光開關(guān)、液晶光開關(guān)、液體光柵光開關(guān)等。Agilent公司結(jié)合熱噴墨打印和硅平面光波導兩種技術(shù)，開發(fā)出的二維光交叉連接系統(tǒng)；其由許多交叉的硅波導和經(jīng)過交叉點的溝道 組成，溝道中填充特定的折射率匹配液；缺省條件下，入射光可沿著波導無交換傳輸；當需要交換時，一個熱敏硅片會在液體中波導交叉點處產(chǎn)生一個氣泡，氣泡將入射波導中的光信號全反射至輸出波導，實現(xiàn)光路的選擇、轉(zhuǎn)換；Agilent氣泡光開關(guān)具有毫秒級交換速度、偏振不敏感性、低串擾、高消光比的特性，經(jīng)過不斷改進，32X32光開關(guān)陣列已經(jīng)達到商業(yè)化要求；目前該技術(shù)困難是封裝液體，還有必需要在飽和蒸汽壓(亦即密死循環(huán)境中保持氣體及液體狀態(tài)共存的溫度及壓力條件)下操作，而且該技術(shù)的氣泡產(chǎn)生所必需的熱噴墨打印技術(shù)國內(nèi)尚無知識產(chǎn)權(quán)?；诙趸杌臒峁忾_關(guān)矩陣具有功耗低、容量大等優(yōu)點，但是二氧化硅受其熱光系數(shù)大小的限制，無法實現(xiàn)高速開關(guān)。液體光柵光開關(guān)通過控制電壓，使布拉格光柵產(chǎn)生和消失方法控制特定波長的光反射或透射，其缺點是僅能實現(xiàn)單波長的切換。液晶光開關(guān)的技術(shù)基于液晶在電場作用下引起入射光極化狀態(tài)改變，對某些光束進行極化狀態(tài)的改變實現(xiàn)空間交換。為了使器件對極化不敏感，就必須引入某些極化差異，這使得該技術(shù)更加復雜?；贓WOD等效應(yīng)的電控微流體具有高的切換速度( ms)、無偏振化影響、良好的操控性和適應(yīng)性，作為取代光學元件可應(yīng)用于光開關(guān)和光互連、三維光存儲、光掃描、光學雷達等系統(tǒng)?，F(xiàn)有的EWOD研究和應(yīng)用主要集中于液體透鏡變焦成像技術(shù)，比較典型的如荷蘭Philips公司發(fā)布的FluidFocus和法國Varioptic公司發(fā)布的小型液體變焦透鏡,這些透鏡的變焦是利用無機械裝置電控方法通過改變液體的界面曲率進而調(diào)節(jié)焦距。這種電控液體技術(shù)現(xiàn)已取得了成熟的發(fā)展，但應(yīng)用于光通信領(lǐng)域的光路可調(diào)器件涉及很少，國內(nèi)僅限于南京郵電大學“微流控光學技術(shù)研究中心”的微流控光開關(guān)陣列和可調(diào)光衰減器器件?，F(xiàn)有的專利如ZL200910145198.1公開的基于微流控技術(shù)的二維電光開關(guān)陣列裝置，包括儲氣容器、儲液容器、矩陣形式排列的波導，每個交叉點均有盛有液體的微容器，每個微容器均有相對應(yīng)的電濕控制器以選擇性加電的電濕驅(qū)動裝置。該裝置的缺點第一在基板上同時安裝波導、電極和容器就要求非常精確和復雜繁瑣的加工工藝，體積也不?。坏诙?，它的驅(qū)動裝置與分光部件集成在一塊，限制了導電層、絕緣層、疏水層的選擇(必須要求透明材料)，同時光路進入該分光部件時經(jīng)過導電層、絕緣層、疏水層的多次反射，造成光的強烈衰減；第三，該裝置所有的光開關(guān)節(jié)點共用一個儲氣容器，不可能針對每一個微液柱位置進行精確定位和初始化；第四，該裝置儲液池和儲氣容器相通易導致儲液池的液體大量流入儲氣容器而使器件失效。針對上述器件不足，本專利設(shè)計了一種新穎的電濕效應(yīng)控制的光開關(guān)陣列裝置，創(chuàng)新性地改進復雜器件結(jié)構(gòu)使得制作成本、生產(chǎn)工藝進一步降低，具有重要的技術(shù)價值和經(jīng)濟價值，將會在光通信領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種基于電濕效應(yīng)驅(qū)動的活塞式光開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)，解決光開關(guān)陣列的電控調(diào)諧問題。
技術(shù)方案:本器件有四層分布，采用上蓋板、平板波導基底、電濕活塞內(nèi)芯、下蓋板的結(jié)構(gòu)；平板基底(含波導及其陣列)與電濕活塞內(nèi)芯位于上下蓋板之間，形成具有氣液共同作用于光路可調(diào)節(jié)點及陣列的雙層三明治夾心結(jié)構(gòu)。其中上蓋板設(shè)置有氣穴，為電濕驅(qū)動的光開關(guān)節(jié)點提供氣室；中間平板基底除微液腔外，還有二次離子交換或軟光刻制作的波導結(jié)構(gòu)；下層的電濕活塞內(nèi)芯則是采用可變液體透鏡制作工藝實現(xiàn)的電濕驅(qū)動結(jié)構(gòu)，控制動力由本層產(chǎn)生；底層的下蓋板連同凸起柱，與導電內(nèi)芯經(jīng)粘膠膠合后形成彈性液盒，用于存儲電濕活塞液體材料一兩種互不相溶的液體，下蓋板留有壓強平衡孔，以彈性膜覆蓋與大氣或其它氣壓控制室相通；電濕活塞由電濕驅(qū)動通孔連同與之對應(yīng)設(shè)置的波導節(jié)點微液腔、上蓋板氣穴共同組成，電濕驅(qū)動通孔內(nèi)側(cè)全部設(shè)有導電層和相應(yīng)的絕緣層，與液體接觸的內(nèi)側(cè)設(shè)有疏水層，導電層作為第一電極并通過設(shè)置在電濕活塞內(nèi)芯的電路與外部電路相連，第二電極即公共電極為導電流體。當電壓施加與去除時配合彈性膜的凹/凸起繼而控制電濕活塞往復運動；微液柱在電濕和氣壓雙重作用驅(qū)動下序列控制波導節(jié)點微液腔處氣泡的有無，氣泡可將入射波導中的光信號全反射至輸出波導，實現(xiàn)光路的選擇、轉(zhuǎn)換。蓋板可用任何材料制作，只需在與波導節(jié)點微液腔相應(yīng)位置設(shè)置凹槽作為氣穴即可；平板基底待波導結(jié)構(gòu)制備后，也只需在其交叉點處設(shè)置三角形或其它形狀微型通孔作為微液腔，所以對其材料要求并不高；控制內(nèi)芯因采用的液體可變透鏡制作工藝完成(但尺寸要小，因要利用毛細效應(yīng))，成本也很低。四層結(jié)構(gòu)分開制作，有效降低加工難度和提高成品率，同時對材料也無特別要求，節(jié)約生產(chǎn)成本。四層結(jié)構(gòu)經(jīng)過粘結(jié)和注液后，進行封裝，當外界不施加電壓時，兩種液體在液腔中處于相對密封狀態(tài)，能保持靜止不動。電濕活塞內(nèi)芯的主體是具有圓錐狀、圓柱狀或其它類似形狀的毛細通孔(電濕驅(qū)動通孔)的平板，通孔的上下兩面分別連接波導基底板和彈性液盒；通孔與波導節(jié)點微液腔以及上蓋板氣穴一一對應(yīng)，孔內(nèi)可作疏水處理減少匹配液運動阻力，其上半部分存放有折射率匹配液(一般是油)，下半部分和彈性液盒共同儲存有與上述折射率匹配液互不相溶的導電液體作為公共電極，形成電濕驅(qū)動結(jié)構(gòu)。電濕驅(qū)動通孔內(nèi)側(cè)在有導電膜層處設(shè)置相應(yīng)的絕緣層，與液體接觸的最外層設(shè)有疏水層便于液體流動和改善表面張力特性；控制內(nèi)芯上表面控制電極與通孔導電膜層相連，導電液體作為公共電極。由于通孔是內(nèi)層設(shè)有疏水層的毛細管，在自然表面張力作用下，孔內(nèi)液體有向下運動趨勢，通過電濕效應(yīng)改變導電液體與疏水層間表面張力配合下蓋板壓強平衡孔的彈性膜，可驅(qū)動孔內(nèi)液體向上運動。同時密封在與波導節(jié)點微液腔對應(yīng)的上蓋板氣穴內(nèi)的氣體被壓縮，壓強增加，在運動過程中對匹配液的運動也產(chǎn)生一定的阻礙，從而達到“自鎖”的作用。隨著施加電壓的有無，整個匹配液的運動將是一個“活塞”效應(yīng)的過程。因電濕驅(qū)動通孔腔內(nèi)進行了疏水處理，毛細表面張力作用對腔內(nèi)液體有壓低作用，如圖3，波導交叉點I處全部被氣泡填充，光路A的光通過此處時，光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，被氣泡全反射進入光路B，完成對光路D的“斷”;在控制電極與公共電極間施加電壓后，導電液體與通孔腔側(cè)壁間的表面張力因電濕效應(yīng)的作用而降低，通孔腔內(nèi)液面上升，驅(qū)動折射率匹配液向上運動，波導交叉點2微液腔內(nèi)完全填充匹配液，因匹配液選擇與波導折射率一致，光路B的光全透射，完成對光路C的選“通”。設(shè)計時，為了盡可能減少溫度敏感性，需仔細設(shè)計氣穴的容積和初始氣壓以期望與氣、液體的熱脹效應(yīng)抵消。`本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明將液體可變透鏡制造技術(shù)與現(xiàn)代光通信技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一種新穎的基于電濕效應(yīng)的活塞式光開關(guān)陣列結(jié)構(gòu)，具有非常重要的技術(shù)價值。本發(fā)明設(shè)計的光開關(guān)器件具有結(jié)構(gòu)簡單、成品率搞、成本低廉等優(yōu)點。I)將傳統(tǒng)的可變液體透鏡制造技術(shù)與光開關(guān)器件技術(shù)結(jié)合起來，打開了設(shè)計和制造光通信器件的新思路。2)本技術(shù)利用電濕效應(yīng)改變液體表面張力間接驅(qū)動光路節(jié)點上微容器內(nèi)液柱位置，將電濕驅(qū)動裝置與波導節(jié)點分層設(shè)計，簡化波導節(jié)點制作的同時提高光的透過率，大幅提高了整個器件的光學性能，同時液體在液腔中處于相對密封狀態(tài)，在器件移動狀態(tài)下也能保持靜止不動。3)將控制內(nèi)芯和波導網(wǎng)絡(luò)兩部分分開制作然后粘合的方式，簡化生產(chǎn)工藝、提高成品率。4)彈性液盒的設(shè)置可使用外部壓力/壓強調(diào)節(jié)設(shè)備對微液柱位置施加影響，使得微液柱位置的控制手段更豐富。
圖1是光開關(guān)陣列分層結(jié)構(gòu)說明圖。圖2是光開關(guān)結(jié)構(gòu)剖視圖。圖3是用于本發(fā)明光開關(guān)陣列工作側(cè)視圖和相應(yīng)的平視圖。圖中波導節(jié)點微液腔液面位置較高時(圖中用點填充)光從節(jié)點透射而過，液面較低時(圖中無點填充)光從節(jié)點全反射通過。圖中有上蓋板1、平板波導基底2、電濕活塞內(nèi)芯3、下蓋板4、氣穴5、網(wǎng)狀波導結(jié)構(gòu)6、波導節(jié)點微液腔7、電濕驅(qū)動通孔8、控制電路9、凸起柱10、帶彈性膜的壓強平衡孔11 ；導電流體12、折射率匹配液13、導電層14、相應(yīng)的絕緣層15、疏水層16、粘膠17。
具體實施方式
本器件有四層分布，采用上蓋板、平板波導基底、電濕活塞內(nèi)芯、下蓋板的結(jié)構(gòu)，四層結(jié)構(gòu)分開制作然后組裝。實施例一上蓋板采用易于做穴的，熱漲系數(shù)小，能大規(guī)?；a(chǎn)的材料制作而成，優(yōu)選的為隔熱的硬塑料，可通過模具注塑而成。波導板采用易于制作光滑三角形通孔材料，優(yōu)選為與上蓋板同樣材料且通過模具注塑而成，網(wǎng)狀波導結(jié)構(gòu)采用紫外光刻膠制作。電濕活塞內(nèi)芯主體可用ABS朔料鑄模成型、表面全部包括電濕驅(qū)動通孔內(nèi)側(cè)電鍍金屬導電層而成，再用腐蝕法在上表面制備控制電極和電路；全部導電層外部包裹一層絕緣層，優(yōu)選為采用真空鍍膜法生成3微米厚的派瑞林；與液體接觸面的疏水層采用Teflon涂層來實現(xiàn)。下蓋板選用隔熱塑料注塑形成并預留一較大通孔以彈性膜覆蓋之。利用樹脂粘膠膠合上述四層。
塑料腐蝕性低溶液甚至可以選擇去離子水，但在低溫使用時可能會有冰凍問題。可以用高濃度的鹽溶液來降低冰點。匹配液選擇一種與波導層折射率一致、與導電液體互不相溶的折射率匹配油即可。為防止溫度對該裝置的影響，可設(shè)置匹配液的位置比波導層稍低一些。具體實施時，如圖3所示，注入導電液體和匹配液，匹配液高度與波導層一致或略高一些，這樣能讓波導內(nèi)光束能全部透射通過波導節(jié)點；當在公共電極和通孔電極之間施加電壓，通過電濕效應(yīng)改變微容器內(nèi)部表面張力以降低液柱高度，原匹配液位置處被氣體填充，當光束從波導內(nèi)進入波導節(jié)點處微液腔時，光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)，入射角滿足全反射條件時，光束能全部反射通過交叉點。從而實現(xiàn)光束的全反射與全透射，進而實現(xiàn)光的“開”和“關(guān)”動作。實施例二由于波導節(jié)點微液腔很小使得注入液體到達指定位置較為困難，可以將上蓋板氣穴做成帶彈性膜的小孔，上下蓋板的彈性膜外面加設(shè)壓強調(diào)節(jié)裝置，這樣可通過外部加壓使得微孔內(nèi)液柱停駐在指定位置，同時可作為溫度變化太大時的歸零調(diào)節(jié)輔助裝置。特殊情況下，波導基板和其上的網(wǎng)狀波導陣列可以一體化注塑制作，同時可省去匹配液。
權(quán)利要求1.一種電濕活塞式光開關(guān)，結(jié)構(gòu)包括平板波導基底(2)，其特征在于:還包括上蓋板(I)、電濕活塞內(nèi)芯(3)、下蓋板(4)的結(jié)構(gòu)；平板波導基底(2)與電濕活塞內(nèi)芯(3)位于上下蓋板之間，形成雙層三明治夾心結(jié)構(gòu)； 其中，平板波導基底(2)上設(shè)置網(wǎng)狀波導結(jié)構(gòu)(6)，波導交叉節(jié)點處設(shè)有波導節(jié)點微液腔(7);平板波導基底(2)下方的電濕活塞內(nèi)芯(3)是設(shè)有與波導節(jié)點微液腔(7)相通的電濕驅(qū)動通孔(8)和控制電路(9)的平板，為光開關(guān)節(jié)點控制提供驅(qū)動力，電濕驅(qū)動通孔(8)另一面連通彈性液盒；上蓋板(I)設(shè)置有與波導節(jié)點微液腔(7)相對應(yīng)的氣穴(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電濕活塞式光開關(guān)，其特征在于:波導節(jié)點微液腔(7)為三角形或多邊形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電濕活塞式光開關(guān)，其特征在于:電濕驅(qū)動通孔(8)為圓錐形或圓柱狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電濕活塞式光開關(guān)，其特征在于:電濕活塞由電濕驅(qū)動通孔(8)連同與之對應(yīng)設(shè)置的波導節(jié)點微液腔(7)、上蓋板氣穴(5)共同組成，電濕驅(qū)動通孔(8)內(nèi)側(cè)全部設(shè)有導電層(14)和相應(yīng)的絕緣層(15)，與液體接觸的內(nèi)側(cè)設(shè)有疏水層(16)，導電層(14)作為第一電極并通過設(shè)置在電濕·活塞內(nèi)芯(3)的電路與外部電路相連，第二電極即公共電極為導電流體(12 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電濕活塞式光開關(guān)，其特征在于:彈性液盒由設(shè)有凸起柱(10 )的下蓋板(4 )與電濕活塞內(nèi)芯(3 )經(jīng)粘膠(17)膠合后組成；下蓋板(4 )設(shè)有被彈性膜覆蓋的壓強平衡孔(11);兩種互不相溶、具有不同表面張力的液體導電流體(12)和折射率匹配液(13)組成電濕活塞驅(qū)動介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電濕活塞式光開關(guān)，其特征在于上蓋板(I)設(shè)置的氣穴(5)與波導節(jié)點微液腔(7 )、電濕驅(qū)動通孔(8 ) 一一對應(yīng)。
專利摘要電濕活塞式光開關(guān)采用上蓋板(1)、平板波導基底(2)、電濕活塞內(nèi)芯(3)、下蓋板(4)結(jié)構(gòu)。其中，平板波導基底(2)上設(shè)置網(wǎng)狀波導結(jié)構(gòu)(6)，波導交叉節(jié)點處設(shè)有三角形或其它形狀的波導節(jié)點微液腔(7)；平板波導基底(2)下方的電濕活塞內(nèi)芯(3)是具有圓錐狀或其它形狀電濕驅(qū)動通孔(8)且設(shè)有控制電路(9)的平板，其表面設(shè)有導電層、絕緣層和疏水層；下蓋板(4)上設(shè)有凸起柱(10)和帶彈性膜的壓強平衡孔(11)，與電濕活塞內(nèi)芯(3)經(jīng)粘膠(17)膠合后形成彈性液盒，用于存儲導電流體(12)和折射率匹配液(13)；在上蓋板上設(shè)有與波導節(jié)點微液腔(7)、電濕驅(qū)動通孔(8)一一對應(yīng)的氣穴(5)以提供氣室和氣壓。
文檔編號G02B26/02GK203101726SQ20132011042
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者陳陶, 梁忠誠, 徐榮青 申請人:南京郵電大學