本發(fā)明涉及一種基于介質(zhì)電潤濕效應(yīng)的光開關(guān)，屬于光互聯(lián)網(wǎng)中光交叉連接、光分插復(fù)用器件的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光開關(guān)是光交換的核心器件，也是影響光網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素之一。光開關(guān)作為新一代全光聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，主要用來實現(xiàn)光層面上的路由選擇、波長選擇、光交叉連接和自愈保護(hù)等功能。在全光網(wǎng)中，光分插復(fù)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，而光開關(guān)和光開關(guān)陣列則是這些設(shè)備中的核心器件。目前已經(jīng)實用化的光開關(guān)，除了mems等少數(shù)類型的光開關(guān)以外，現(xiàn)有光開關(guān)的交換容量總是有限，很難制成大陣列，而且mems光開關(guān)本身在抗機(jī)械摩擦、磨損或震動等方面也存在不足之處。所以研制一種微流控的光開關(guān)具有重要的技術(shù)價值和應(yīng)用前景。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于介質(zhì)電潤濕效應(yīng)的光開關(guān)，該光開關(guān)將介質(zhì)電潤濕效應(yīng)應(yīng)用于現(xiàn)代光通信技術(shù)中，通過驅(qū)動離散電解質(zhì)液滴來控制光束的全反射和全透射，進(jìn)而實現(xiàn)光開關(guān)的“開”和“關(guān)”動作。該光開關(guān)將電潤濕效應(yīng)與現(xiàn)代光通信技術(shù)相結(jié)合，該光開關(guān)無需使用電機(jī)等復(fù)雜器件，使得制作成本、生產(chǎn)工藝大大降低，具有重要的技術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)價值。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于介質(zhì)電潤濕效應(yīng)的光開關(guān)，該光開關(guān)采用三層結(jié)構(gòu)，第一層為上極板，該上極板包括方形透明玻璃1、透明電極2和疏水薄膜3；第二層為方形透明玻璃層10，沿它的對角線有一條微流道5、流道中有受控離散電解質(zhì)液滴4，其折射率與透明玻璃匹配，在玻璃層同一水平面上有四個條形介質(zhì)光波導(dǎo)6、7、8、9；第三層為下極板，該下極板包括方形透明玻璃基底15、多晶硅襯底14、襯底上擴(kuò)磷及光刻圖形化微電極陣列13、電極陣列上熱氧化一層sio2作介質(zhì)層12、介質(zhì)層上涂覆一層疏水薄膜11。本發(fā)明將中下兩層透明玻璃板鍵合后在微流道5注入一滴電解質(zhì)液滴4，再將上極板與中層玻璃板鍵合，此時液滴夾持在上下極板之間，周圍填充物質(zhì)是空氣。下極板微電極陣列13和上極板透明電極2分別由引線19、16引至交流電源17正負(fù)極。由于液滴的驅(qū)動是在某單個微電極陣列上施加電壓，因此本發(fā)明設(shè)置了一個四控開關(guān)k18，可保證液滴在整個微流道中往返移動。

有益效果：

1、本發(fā)明將介質(zhì)電潤濕技術(shù)應(yīng)用于光開關(guān)之中，通過電控離散液滴實現(xiàn)光開關(guān)的開和關(guān)，具有良好的操控性和適應(yīng)性。

2、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、容易制作、成本低、電壓低、能耗低、響應(yīng)速度快、可集成封裝，具有實際應(yīng)用價值。

3、本發(fā)明屬微流控光器件，無需使用電機(jī)等復(fù)雜器件，具有很重要的技術(shù)價值和經(jīng)濟(jì)價值，將會在光通信領(lǐng)域取得廣泛應(yīng)用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

標(biāo)識說明：方形透明玻璃-1；透明電極-2；上極板疏水薄膜-3；方形透明玻璃層-10；微流道-5；受控離散電解質(zhì)液滴-4；條形波導(dǎo)-6、7、8、9；下極板疏水薄膜-11；sio2介質(zhì)層-12；微電極陣列-13；多晶硅襯底-14；方形透明玻璃基底-15；上極板電極引線-16；下極板電極引線-19；交流電源-17；四控開關(guān)k-19。

圖2為光開關(guān)截面示意圖。

標(biāo)識說明：方形透明玻璃-1；透明電極-2；上極板疏水薄膜-3；受控離散電解質(zhì)液滴4；微流道-5；方形透明玻璃層-10；下極板疏水薄膜-11；sio2介質(zhì)層-12；微電極陣列-13；多晶硅襯底-14；方形透明玻璃基底-15。

圖3、圖4為基于介質(zhì)電潤濕原理驅(qū)動離散液滴的光開關(guān)示意圖。

其中，圖3為光束全部反射，即光開關(guān)的“開”狀態(tài)；圖4為光束全透射，即光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種基于介質(zhì)電潤濕效應(yīng)的光開關(guān)，該光開關(guān)采用三層結(jié)構(gòu)，第一層為上極板，該上極板由方形透明玻璃1、透明電極2以及疏水薄膜3組成；第二層為方形透明玻璃層10，沿它的對角線開一條微流道5，流道中有受控離散電解質(zhì)液滴4，其折射率與透明玻璃匹配，在玻璃層同一水平面上開4個條形介質(zhì)光波導(dǎo)6、7、8、9。第三層為下極板，該下極板由方形透明玻璃作基底15、多晶硅作襯底14、襯底上擴(kuò)磷及光刻圖形化微電極陣列13、電極陣列上熱氧化一層sio2作介質(zhì)層12和介質(zhì)層上涂覆一層疏水薄膜11。本發(fā)明將中下兩層透明玻璃板鍵后在微流道5注入一滴電解質(zhì)液滴4，再將上極板與中層玻璃板鍵合，此時液滴夾持在上下極板之間，周圍填充物質(zhì)是空氣。下極板微電極陣列13和上極板透明電極2分別由引線19、16引至交流電源17正負(fù)極。由于液滴的驅(qū)動是在某單個微電極陣列上施加電壓，因此本發(fā)明設(shè)置了一個四控開關(guān)k18,可保證液滴在整個微流道中往返移動。

如圖2所示的三層結(jié)構(gòu)介質(zhì)電潤濕驅(qū)動式光開關(guān)的截面圖。光開關(guān)“開”和“關(guān)”的實現(xiàn)基于離散電解質(zhì)液滴的介質(zhì)電潤濕驅(qū)動效應(yīng)。具體地講，本發(fā)明通過在介質(zhì)膜下面的微電極陣列上施加電勢來改變介質(zhì)膜與表面液體的潤濕特性，即通過局部改變液滴和固體表面的三相接觸角(即在氣、液、固三相交點處所作的氣-液界面的切線與固-液交界線之間的夾角)，造成液滴兩端不對稱形變，使液滴內(nèi)部產(chǎn)生壓強(qiáng)差，實現(xiàn)了對液滴傳輸?shù)牟僮骱涂刂?。本發(fā)明設(shè)計的電潤濕效應(yīng)僅發(fā)生在上下極板與離散電解質(zhì)液滴之間，微流道側(cè)壁與液滴雖也會有接觸角存在，但兩側(cè)壁沒有加電極，因此可認(rèn)為液體與側(cè)壁的接觸角在驅(qū)動過程中不變。當(dāng)開關(guān)k打開時，液滴的形狀成對稱分布，見圖中虛線部分，液滴與上、下極板的接觸角分別是θt和θ0，忽略重力的影響，其值都為疏水表面的初始接觸角；當(dāng)開關(guān)k閉合時，由于介質(zhì)上電潤濕作用，液滴與右側(cè)極板間的接觸角發(fā)生變化，見圖中實線部分。由于上極板疏水層厚度很薄，上層疏水層電容很大，外加電壓的分壓很小，因此在上極板的接觸角θt幾乎不發(fā)生變化；而外加電壓大部分都壓降在下極板上，所以液滴與下極板的接觸角明顯變小，其值θv可以由young-lippmann方程近似描述。

θ0是v＝0時的初始接觸角，ε0、εr分別是真空的介電常數(shù)和介質(zhì)層的有效介電常數(shù)，d是疏水介質(zhì)層有效厚度。γlg為電解質(zhì)液滴與空氣之間的表面張力，當(dāng)在電極和離散電解質(zhì)液滴間施加電勢v后，由young-lippmann方程可以看出，液滴的三相接觸角隨外加電勢v的絕對值增大而變小，而且它與介質(zhì)層的厚度、介電常數(shù)都有關(guān)。需指出當(dāng)外加電壓增加到某一定值時，接觸角變成最小，若再增加外加電勢，接觸角不再變化，這種現(xiàn)象稱接觸角飽和。因此，本發(fā)明在芯片設(shè)計過程中為避免該現(xiàn)象，提出用交流電源驅(qū)動。

本發(fā)明由于介質(zhì)電潤濕效應(yīng)使液滴在右側(cè)下電極上的三相接觸角變小，造成了液滴不對稱形變并產(chǎn)生內(nèi)部壓強(qiáng)差，利用解析方法以及壓強(qiáng)與液滴兩側(cè)曲率半徑和表面張力的關(guān)系可推導(dǎo)出簡化的液滴兩側(cè)壓強(qiáng)差表達(dá)式為：

其中d為上下極板間距，ε0、εr分別是真空的介電常數(shù)和介質(zhì)層的有效介電常數(shù)，d是疏水介質(zhì)層有效厚度。

所以本發(fā)明通過在液滴兩側(cè)中某一側(cè)微型電極陣列上施加電勢差v，可改變液滴單側(cè)的三相接觸角造成液滴非對稱形變并產(chǎn)生內(nèi)部壓強(qiáng)差，從而實現(xiàn)對液滴的操作和控制。

本發(fā)明光開關(guān)的具體實施方式包括：初始時刻液滴位于任意兩微電極陣列之間，當(dāng)開關(guān)k閉合液滴某一側(cè)微電極陣列時，由于介質(zhì)上電潤濕作用，液滴單側(cè)三相接觸角變小，造成液滴不對稱形變并產(chǎn)生內(nèi)部壓強(qiáng)差，從而驅(qū)動液滴向施加電壓的微電極陣列一側(cè)移動。適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓大小，當(dāng)液滴運(yùn)動到圖3位置時，從條形光波導(dǎo)6入射的的光束在方形透明玻璃內(nèi)到達(dá)微流道固-氣界面時，光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角，光束全部發(fā)生全反射并從條形光波導(dǎo)7出射，此為光開關(guān)的“開”狀態(tài)；當(dāng)液滴運(yùn)動到圖4位置時，從條形光波導(dǎo)6入射的光束在方形透明玻璃內(nèi)到達(dá)微流道固-液界面時，由于方形透明玻璃和液滴折射率相同，光束全部透射進(jìn)入條形光波導(dǎo)8然后出射，此為光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)。