一种基于介质电润湿效应的光开关的制作方法

本发明涉及一种基于介质电润湿效应的光开关，属于光互联网中光交叉连接、光分插复用器件的技术领域。

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。目前已经实用化的光开关，除了mems等少数类型的光开关以外，现有光开关的交换容量总是有限，很难制成大阵列，而且mems光开关本身在抗机械摩擦、磨损或震动等方面也存在不足之处。所以研制一种微流控的光开关具有重要的技术价值和应用前景。

技术实现要素：

本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于介质电润湿效应的光开关，该光开关将介质电润湿效应应用于现代光通信技术中，通过驱动离散电解质液滴来控制光束的全反射和全透射，进而实现光开关的“开”和“关”动作。该光开关将电润湿效应与现代光通信技术相结合，该光开关无需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。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于介质电润湿效应的光开关，该光开关采用三层结构，第一层为上极板，该上极板包括方形透明玻璃1、透明电极2和疏水薄膜3；第二层为方形透明玻璃层10，沿它的对角线有一条微流道5、流道中有受控离散电解质液滴4，其折射率与透明玻璃匹配，在玻璃层同一水平面上有四个条形介质光波导6、7、8、9；第三层为下极板，该下极板包括方形透明玻璃基底15、多晶硅衬底14、衬底上扩磷及光刻图形化微电极阵列13、电极阵列上热氧化一层sio2作介质层12、介质层上涂覆一层疏水薄膜11。本发明将中下两层透明玻璃板键合后在微流道5注入一滴电解质液滴4，再将上极板与中层玻璃板键合，此时液滴夹持在上下极板之间，周围填充物质是空气。下极板微电极阵列13和上极板透明电极2分别由引线19、16引至交流电源17正负极。由于液滴的驱动是在某单个微电极阵列上施加电压，因此本发明设置了一个四控开关k18，可保证液滴在整个微流道中往返移动。

有益效果：

1、本发明将介质电润湿技术应用于光开关之中，通过电控离散液滴实现光开关的开和关，具有良好的操控性和适应性。

2、本发明结构简单、容易制作、成本低、电压低、能耗低、响应速度快、可集成封装，具有实际应用价值。

3、本发明属微流控光器件，无需使用电机等复杂器件，具有很重要的技术价值和经济价值，将会在光通信领域取得广泛应用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

标识说明：方形透明玻璃-1；透明电极-2；上极板疏水薄膜-3；方形透明玻璃层-10；微流道-5；受控离散电解质液滴-4；条形波导-6、7、8、9；下极板疏水薄膜-11；sio2介质层-12；微电极阵列-13；多晶硅衬底-14；方形透明玻璃基底-15；上极板电极引线-16；下极板电极引线-19；交流电源-17；四控开关k-19。

图2为光开关截面示意图。

标识说明：方形透明玻璃-1；透明电极-2；上极板疏水薄膜-3；受控离散电解质液滴4；微流道-5；方形透明玻璃层-10；下极板疏水薄膜-11；sio2介质层-12；微电极阵列-13；多晶硅衬底-14；方形透明玻璃基底-15。

图3、图4为基于介质电润湿原理驱动离散液滴的光开关示意图。

其中，图3为光束全部反射，即光开关的“开”状态；图4为光束全透射，即光开关的“关”状态。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种基于介质电润湿效应的光开关，该光开关采用三层结构，第一层为上极板，该上极板由方形透明玻璃1、透明电极2以及疏水薄膜3组成；第二层为方形透明玻璃层10，沿它的对角线开一条微流道5，流道中有受控离散电解质液滴4，其折射率与透明玻璃匹配，在玻璃层同一水平面上开4个条形介质光波导6、7、8、9。第三层为下极板，该下极板由方形透明玻璃作基底15、多晶硅作衬底14、衬底上扩磷及光刻图形化微电极阵列13、电极阵列上热氧化一层sio2作介质层12和介质层上涂覆一层疏水薄膜11。本发明将中下两层透明玻璃板键后在微流道5注入一滴电解质液滴4，再将上极板与中层玻璃板键合，此时液滴夹持在上下极板之间，周围填充物质是空气。下极板微电极阵列13和上极板透明电极2分别由引线19、16引至交流电源17正负极。由于液滴的驱动是在某单个微电极阵列上施加电压，因此本发明设置了一个四控开关k18,可保证液滴在整个微流道中往返移动。

如图2所示的三层结构介质电润湿驱动式光开关的截面图。光开关“开”和“关”的实现基于离散电解质液滴的介质电润湿驱动效应。具体地讲，本发明通过在介质膜下面的微电极阵列上施加电势来改变介质膜与表面液体的润湿特性，即通过局部改变液滴和固体表面的三相接触角(即在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线与固-液交界线之间的夹角)，造成液滴两端不对称形变，使液滴内部产生压强差，实现了对液滴传输的操作和控制。本发明设计的电润湿效应仅发生在上下极板与离散电解质液滴之间，微流道侧壁与液滴虽也会有接触角存在，但两侧壁没有加电极，因此可认为液体与侧壁的接触角在驱动过程中不变。当开关k打开时，液滴的形状成对称分布，见图中虚线部分，液滴与上、下极板的接触角分别是θt和θ0，忽略重力的影响，其值都为疏水表面的初始接触角；当开关k闭合时，由于介质上电润湿作用，液滴与右侧极板间的接触角发生变化，见图中实线部分。由于上极板疏水层厚度很薄，上层疏水层电容很大，外加电压的分压很小，因此在上极板的接触角θt几乎不发生变化；而外加电压大部分都压降在下极板上，所以液滴与下极板的接触角明显变小，其值θv可以由young-lippmann方程近似描述。

θ0是v＝0时的初始接触角，ε0、εr分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常数，d是疏水介质层有效厚度。γlg为电解质液滴与空气之间的表面张力，当在电极和离散电解质液滴间施加电势v后，由young-lippmann方程可以看出，液滴的三相接触角随外加电势v的绝对值增大而变小，而且它与介质层的厚度、介电常数都有关。需指出当外加电压增加到某一定值时，接触角变成最小，若再增加外加电势，接触角不再变化，这种现象称接触角饱和。因此，本发明在芯片设计过程中为避免该现象，提出用交流电源驱动。

本发明由于介质电润湿效应使液滴在右侧下电极上的三相接触角变小，造成了液滴不对称形变并产生内部压强差，利用解析方法以及压强与液滴两侧曲率半径和表面张力的关系可推导出简化的液滴两侧压强差表达式为：

其中d为上下极板间距，ε0、εr分别是真空的介电常数和介质层的有效介电常数，d是疏水介质层有效厚度。

所以本发明通过在液滴两侧中某一侧微型电极阵列上施加电势差v，可改变液滴单侧的三相接触角造成液滴非对称形变并产生内部压强差，从而实现对液滴的操作和控制。

本发明光开关的具体实施方式包括：初始时刻液滴位于任意两微电极阵列之间，当开关k闭合液滴某一侧微电极阵列时，由于介质上电润湿作用，液滴单侧三相接触角变小，造成液滴不对称形变并产生内部压强差，从而驱动液滴向施加电压的微电极阵列一侧移动。适当调节电压大小，当液滴运动到图3位置时，从条形光波导6入射的的光束在方形透明玻璃内到达微流道固-气界面时，光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于临界角，光束全部发生全反射并从条形光波导7出射，此为光开关的“开”状态；当液滴运动到图4位置时，从条形光波导6入射的光束在方形透明玻璃内到达微流道固-液界面时，由于方形透明玻璃和液滴折射率相同，光束全部透射进入条形光波导8然后出射，此为光开关的“关”状态。