專利名稱：光開關(guān)結(jié)構(gòu)的制作方法
光開關(guān)結(jié)構(gòu)所屬領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種光開關(guān)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種基于流體光波導(dǎo)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)，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。
現(xiàn)有技術(shù)光開關(guān)作為光交換系統(tǒng)的基本單元，在全光網(wǎng)絡(luò)中起到關(guān)鍵的作用。波導(dǎo)式光開 關(guān)作為光開關(guān)的一種，由于其體積小，便于集成的優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模集成化方面具有廣泛的應(yīng) 用前景。現(xiàn)有制備波導(dǎo)式光開關(guān)的方法基于熱光效應(yīng)形成波導(dǎo)式光開關(guān)，基于電光效應(yīng)形 成光開關(guān)，基于聲光效應(yīng)形成光開關(guān)，基于光光效應(yīng)形成光開關(guān)以及基于微流控技術(shù)形成 光開關(guān)等。(1)基于熱光效應(yīng)形成的光開關(guān)。陳媛媛等人2009年在激光與紅外第39卷 第1期46-49頁上發(fā)表的文章中提出了一種利用熱光效應(yīng)制備的波導(dǎo)式光開關(guān)，利用波 導(dǎo)材料的熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)材料折射率的調(diào)制，改變光的路徑達(dá)到開關(guān)的目的。肖司 淼等人獲得的中國專利(200810061435. 1)提出了一種基于狹縫波導(dǎo)的Mach-Zehnder型 波導(dǎo)式光開關(guān)，根據(jù)熱光效應(yīng)使得Si波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能。楊建義等人獲得的中國專利 (200520102222. 0)提出了一種基于多模干涉耦合器結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)式光開關(guān)，通過聚合物波導(dǎo) 實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。(2)基于電光效應(yīng)形成的光開關(guān)。Shinji Lio等人獲得的美國專利 (US7317848B2)中提出了一種利用電光效應(yīng)制備的波導(dǎo)式光開關(guān)，通過載流子注入的方法 實(shí)現(xiàn)對波導(dǎo)材料折射率的調(diào)制，改變光的路徑達(dá)到開關(guān)的目的。還可以參閱戚偉等人在 2009年CHIN. PHYS. LETT第26卷第3 (2009) 034215號上發(fā)表的文章以及Yi-Hsin Lin等人 在2009年Materials第1662-1673頁發(fā)表的文章。(3)基于聲光效應(yīng)形成光開關(guān)。David A. Smith等人在1996年JOURNAL OFLIGHTffAVE TECHNOLOGY第14卷第6期第1005-1020頁上發(fā)表的文章中提出了一種基于 聲光效應(yīng)形成的光開關(guān)。(4)基于光光效應(yīng)形成光開關(guān)。M. J. Potasek等人在2002年QUANTUM ELECTRONICS 第8卷第3期第714-722頁上發(fā)表的文章中提出了一種基于光光效應(yīng)形成光開關(guān)。 YujiKobayashi等人獲得的美國專利(5091984)提出了一種光開關(guān)，利用光引起光致變色 化合物發(fā)生光致變色反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對光致變色化合物周圍介質(zhì)折射率的調(diào)制，改變光的路徑 達(dá)到開關(guān)的目的。還可以參閱Yuji Kobayashi等人在MRS上發(fā)表的文章。 (5)基于微流控技術(shù)形成光開關(guān)。徐寧等人獲得的中國專利(200910191063. X) 利用電荷之間的作用力，控制與微流道交叉的細(xì)管中物質(zhì)的變化，實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。Alex Groisman等人在2008年OPTICS EXPRESS第16卷第18期上發(fā)表的文章中提出了一種基于 衍射的光流體開關(guān)。還可以參閱Kyle Campbell等人在2004年APL第85卷第25期上發(fā) 表的文章。上述基于熱光，電光，聲光以及光光效應(yīng)形成的光開關(guān)對材料有限制，不便于集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有利用波導(dǎo)材料的熱光效應(yīng)、電光效應(yīng)等制備的波導(dǎo)式 光開關(guān)對波導(dǎo)材料要求嚴(yán)格，不便于集成的現(xiàn)狀，提出一種結(jié)構(gòu)簡單，便于集成的基于流體 光波導(dǎo)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)。參閱附圖1，附圖2和附圖5，本發(fā)明的技術(shù)方案是一種光開關(guān)結(jié)構(gòu)，依次包括基 底II、結(jié)構(gòu)層2和基底113，結(jié)構(gòu)層2上有與基底Il和基底113平行的至少3段微管道，各 段微管道的一端在同一位置互相連通，其中一段微管道的另一端與輸入口 7連通，其余各 段微管道的另一端與輸出口 18連通；微管道里充滿流體；與微管道段數(shù)相同的若干對金屬 電極分別處在基底11和基底113上相應(yīng)的位置上以直接加熱相應(yīng)微管道中的流體；金屬電 極也可以處在結(jié)構(gòu)層2的多個內(nèi)壁上；基底Il上在與結(jié)構(gòu)層2上輸入口 7和輸出口 18相 應(yīng)的位置布有開孔。為了保證金屬電極和流體絕緣，可以在金屬電極表面覆蓋聚合物薄膜10，參閱附 圖5和附圖6。本發(fā)明有益效果是基于流體折射率隨著溫度的變化而變化的原理，采用電極加 熱的方法，通過對金屬電極施加恒定電流導(dǎo)致金屬電極溫度升高，由于熱量傳遞，微管道中 與金屬電極接觸的流體區(qū)域溫度升高，使得該區(qū)域流體的折射率降低，在微管道中的流體 形成具有不同折射率的區(qū)域，與金屬電極接觸的區(qū)域形成流體覆蓋層，夾在流體覆蓋層之 間的流體區(qū)域?yàn)榱黧w導(dǎo)波層。由于流體導(dǎo)波層與流體覆蓋層之間存在的折射率梯度，使得 光在流體導(dǎo)波層中穩(wěn)定傳播，形成流體光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)‘開’動作；當(dāng)對金屬電極未施加恒定電流時，微管道中流體的折射率未發(fā)生變化，不能形成流體光波導(dǎo)，因此光通過微管道周圍的 介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)’動作。本發(fā)明提出的基于流體光波導(dǎo)的光開關(guān)，由于在微管道中使用任意同種流體制作 流體光波導(dǎo)，使得流體光波導(dǎo)的材料選擇性更靈活；通過簡單的電路控制，實(shí)現(xiàn)光的穩(wěn)定傳 播和開關(guān)功能，為全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模集成化提供了可能。


圖1為本發(fā)明提出的光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為實(shí)施例1中流體光波導(dǎo)的橫截面示意圖；圖3為圖2中C-C截而的剖視圖；圖4為實(shí)施例1中結(jié)構(gòu)層2和金屬電極分布的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為實(shí)施例2和實(shí)施例3中流體光波導(dǎo)的橫截面示意圖；圖6為圖5中B-B截面的剖視圖；圖7為實(shí)施例2中結(jié)構(gòu)層2和金屬電極分布的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為實(shí)施例3中光開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1-基底I，2-結(jié)構(gòu)層，3-基底II，4-金屬電極I，5-金屬電極II，6_金屬電 極III，7-輸入口，8-輸出口 I，9-固體光波導(dǎo)I，10-聚合物薄膜，11_流體光波導(dǎo)I，12-流 體光波導(dǎo)II，13-流體光波導(dǎo)III，14流體光波導(dǎo)IV，15-金屬電極IV，16-微管道I，17-微管道II，18-微管道III，19-固體光波導(dǎo)II，20-微管道IV，21-輸出口 II，22-輸出口 III。具體實(shí)施方法實(shí)施例1 參閱附圖1，附圖2和附圖4，本發(fā)明提出的基于流體光波導(dǎo)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)依次包括基底11、結(jié)構(gòu)層2和基底113，所述基底11和基底113材料均為PI，結(jié)構(gòu)層2材料為PDMS ； 結(jié)構(gòu)層2上有與基底Il和基底113平行的3段成Y型結(jié)構(gòu)的微管道——微管道116，微管 道1117和微管道11118，3段微管道的一端在同一位置互相連通，其中微管道116的另一端 與輸入口 7連通，微管道1117和微管道III18的另一端與輸出口 18連通；微管道里充滿 去離子水；3對鎳金屬電極——鎳金屬電極14，鎳金屬電極115和鎳金屬電極1116，分別處 在結(jié)構(gòu)層2的內(nèi)壁上以直接加熱相應(yīng)微管道中的流體?；譏l上在與結(jié)構(gòu)層2上輸入口 7和輸出口 18相應(yīng)的位置上布有開孔。固體光波導(dǎo)19處在微管道116的一端，2段固體光 波導(dǎo)1119分別處在微管道1117和微管道III18的一端。參閱附圖4，去離子水從輸入口 7流入微管道116，經(jīng)過微管道1117和微管道 III18流入輸出口 18?；诹黧w折射率隨著溫度的變化而變化的原理，采用電極加熱的方 法，通過對鎳金屬電極14施加恒定電流導(dǎo)致鎳金屬電極14溫度升高，由于熱量傳遞，微管 道116中與鎳金屬電極I 4接觸的去離子水區(qū)域溫度升高，使得該區(qū)域去離子水的折射率 降低，在微管道116中的去離子水形成具有不同折射率的區(qū)域，與鎳金屬電極14接觸的區(qū) 域構(gòu)成流體覆蓋層，夾在流體覆蓋層之間的去離子水區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo)波層。由于流體導(dǎo)波 層與流體覆蓋層之間存在折射率梯度，使得光在流體導(dǎo)波層中穩(wěn)定傳播，形成流體光波導(dǎo) 111，通過固體光波導(dǎo)19將入射光耦合到微管道116中穩(wěn)定傳播，實(shí)現(xiàn)‘開’動作；當(dāng)對鎳金 屬電極14未施加恒定電流時，微管道116中去離子水的折射率未發(fā)生變化，因此不能形成 流體光波導(dǎo)111，光通過微管道116周圍的介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)’動作。并且流體光波導(dǎo) 111起到總開關(guān)的作用。當(dāng)流體光波導(dǎo)111處于‘開’狀態(tài)時，當(dāng)對鎳金屬電極115施加恒定電流而對鎳金 屬電極III6未施加恒定電流時，引起微管道1117中去離子水的折射率發(fā)生變化，形成流體 光波導(dǎo)1112，實(shí)現(xiàn)‘開’動作。通過流體光波導(dǎo)111的光部分被耦合到微管道1117中穩(wěn)定 傳播，最終通過一段固體光波導(dǎo)1119傳出；而由于微管道III18中去離子水的折射率未發(fā) 生變化，因此不能形成流體光波導(dǎo)11113，光通過微管道III18周圍的介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn) ‘關(guān)’動作。當(dāng)流體光波導(dǎo)111處于‘開’狀態(tài)時，當(dāng)對鎳金屬電極III6施加恒定電流而對鎳 金屬電極Π5未施加恒定電流時，引起微管道III18中去離子水的折射率發(fā)生變化，形成流 體光波導(dǎo)11113，實(shí)現(xiàn)‘開’動作。通過流體光波導(dǎo)111的光部分被耦合到微管道III18中 穩(wěn)定傳播，最終通過一段固體光波導(dǎo)1119傳出；而由于微管道1117中去離子水的折射率未 發(fā)生變化，因此不能形成流體光波導(dǎo)1112，光通過微管道1117周圍的介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn) ‘關(guān)’動作。實(shí)施例2 參閱附圖1，附圖5和附圖7，本實(shí)施例提出的基于流體光波導(dǎo)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)依次 包括基底II、結(jié)構(gòu)層2和基底113，所述基底Il和基底113材料均為玻璃，結(jié)構(gòu)層2材料為 SU-8 ；結(jié)構(gòu)層2上有與基底Il和基底113平行的3段成Y型結(jié)構(gòu)的微管道——微管道116，微管道1117和微管道11118，3段微管道的一端在同一位置互相連通，其中微管道116的另 一端與輸入口 7連通，微管道1117和微管道III18的另一端與輸出口 18連通；微管道里充 滿去離子水；3對鎳金屬電極——鎳金屬電極14，鎳金屬電極115和鎳金屬電極1116，分別 處在基底Il和基底Π3上相應(yīng)的位置上以直接加熱相應(yīng)微管道中的流體?；譏l上在與 結(jié)構(gòu)層2上輸入口 7和輸出口 18相應(yīng)的位置上布有開孔。固體光波導(dǎo)I 9位于微管道的 兩端，用于光的輸入和輸出。為了保證鎳金屬電極和去離子水絕緣，在鎳金屬電極表面覆蓋 材料為PI的聚合物薄膜10。參閱附圖7，去離子水從輸入口 7流入微管道116，經(jīng)過微管道1117和微管道 III18流入輸出口 18?；诹黧w折射率隨著溫度的變化而變化的原理，采用電極加熱的方 法，通過對鎳金屬電極14施加恒定電流導(dǎo)致鎳金屬電極14溫度升高，由于熱量傳遞，微管 道116中與鎳金屬電極14接觸的去離子水區(qū)域溫度升高，使得該區(qū)域去離子的折射率降 低，在微管道116中的去離子水形成具有不同折射率的區(qū)域，與鎳金屬電極14接觸的區(qū)域 構(gòu)成流體覆蓋層，夾在流體覆蓋層之間的去離子水區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo)波層。由于流體導(dǎo)波 層與流體覆蓋層之間存在折射率梯度，使得光在流體導(dǎo)波層中穩(wěn)定傳播，形成流體光波導(dǎo) 111，通過固體光波導(dǎo)19將入射光耦合到微管道116中穩(wěn)定傳播，實(shí)現(xiàn)‘開’動作；當(dāng)對鎳金 屬電極14未施加恒定電流時，微管道116中去離子水的折射率未發(fā)生變化，不能形成流體 光波導(dǎo)111，因此光通過微管道116周圍的介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)’動作。當(dāng)流體光波導(dǎo)111處于‘開’狀態(tài)時，當(dāng)對鎳金屬電極115施加恒定電流而對鎳金 屬電極III6未施加恒定電流時，引起微管道1117中去離子水的折射率發(fā)生變化，形成流體 光波導(dǎo)1112，實(shí)現(xiàn)‘開’動作。通過流體光波導(dǎo)111的光部分被耦合到微管道1117中穩(wěn)定傳 播，最終通過一段固體光波導(dǎo)19傳出；而由于微管道III18中去離子水的折射率未發(fā)生變 化，不能形成流體光波導(dǎo)11113，因此光通過微管道III18周圍的介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)’ 動作。當(dāng)流體光波導(dǎo)111處于‘開’狀態(tài)時，當(dāng)對鎳金屬電極III6施加恒定電流而對鎳 金屬電極Π5未施加恒定電流時，引起微管道III18中去離子水折射率的變化，形成流體光 波導(dǎo)11113，實(shí)現(xiàn)‘開’動作。通過流體光波導(dǎo)111的光部分被耦合到微管道III18中穩(wěn)定 傳播，最終通過一段固體光波導(dǎo)19傳出；而由于微管道1117中去離子水的折射率未發(fā)生變 化，不能形成流體光波導(dǎo)1112，因此光通過微管道1117周圍的介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)’動 作。實(shí)施例3. 參閱附圖5和附圖8，本實(shí)施例提出的基于流體光波導(dǎo)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)依次包括基 底II、結(jié)構(gòu)層2和基底113，所述基底Il和基底113材料均為PMMA，結(jié)構(gòu)層2材料為PDMS ； 結(jié)構(gòu)層2上有與基底Il和基底113平行的4段微管道——微管道116，微管道1117，微管 道III18和微管道IV20。4段微管道的一端在同一位置互相連通，其中微管道116的另一 端與輸入口 7連通，微管道III18的另一端與輸出口 18連通；微管道IV20的另一端與輸 出口 1121連通；微管道1117的另一端與輸出口 III22連通；微管道里充滿氯化鈣溶液；4 對鎳鋁合金金屬電極——鎳鋁合金金屬電極14，鎳鋁合金金屬電極115，鎳鋁合金金屬電極 III6和鎳鋁合金金屬電極IV15，分別處在基底Il和基底113上相應(yīng)的位置上以直接加熱 相應(yīng)微管道中的流體?；譏l上在與結(jié)構(gòu)層2上輸入口 7，輸出口 18，輸出口 1121和輸出口 III22相應(yīng)的位置上布有開孔。固體光波導(dǎo)19處在微管道116的一端，3段固體光波導(dǎo) 1119分別處在微管道1117，微管道III18和微管道IV20的一端。參閱附圖8，基于流體折射率隨著溫度的變化而變化的原理，采用電極加熱的方法，通過對鎳鋁合金金屬電極14施加恒定電流導(dǎo)致鎳鋁合金金屬電極14溫度升高，由于熱 量傳遞，微管道116中與鎳鋁合金金屬電極14接觸的氯化鈣溶液區(qū)域溫度升高，使得該區(qū) 域氯化鈣溶液的折射率降低，在微管道116中的氯化鈣溶液形成具有不同折射率的區(qū)域， 與鎳鋁合金金屬電極14接觸的區(qū)域構(gòu)成流體覆蓋層，夾在流體覆蓋層之間的氯化鈣溶液 區(qū)域構(gòu)成流體導(dǎo)波層。由于流體導(dǎo)波層與流體覆蓋層之間存在折射率梯度，使得光在流體 導(dǎo)波層中穩(wěn)定傳播，形成流體光波導(dǎo)111，通過固體光波導(dǎo)19將入射光耦合到微管道116中 穩(wěn)定傳播，實(shí)現(xiàn)‘開’動作；當(dāng)對鎳鋁合金金屬電極14未施加恒定電流時，微管道116中的 氯化鈣溶液的折射率未發(fā)生變化，因此不能形成流體光波導(dǎo)111，光通過微管道116周圍的 介質(zhì)散射出去，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)，動作。并且流體光波導(dǎo)111起到總開關(guān)的作用。當(dāng)流體光波導(dǎo)111處于‘開’狀態(tài)時，通過對鎳鋁合金金屬電極115，鎳鋁合金金屬 電極III6和鎳鋁合金金屬電極IV15中任意一鎳鋁合金金屬電極施加恒定電流而其余的未 施加恒定電流，會引起相對應(yīng)微管道中氯化鈣溶液的折射率發(fā)生變化，形成流體光波導(dǎo)，實(shí) 現(xiàn)‘開’動作。通過流體光波導(dǎo)111的光部分被耦合到相對應(yīng)的微管道中，最終通過一段固 體光波導(dǎo)1119輸出。而未施加恒定電流的鎳鋁合金金屬電極，其相對應(yīng)的微管道中氯化鈣 溶液的折射率未發(fā)生變化，因此不能形成流體光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)‘關(guān)’動作。
權(quán)利要求
一種光開關(guān)結(jié)構(gòu)，依次包括基底I(1)、結(jié)構(gòu)層(2)和基底II(3)，結(jié)構(gòu)層(2)上有與基底I(1)和基底II(3)平行的至少3段微管道，各段微管道的一端在同一位置互相連通，其中一段微管道的另一端與輸入口(7)連通，其余各段微管道的另一端與輸出口(8)連通；微管道里充滿流體；與微管道段數(shù)相同的若干對金屬電極分別處在基底I(1)和基底II(3)上相應(yīng)的位置上以直接加熱相應(yīng)微管道中的流體；基底I(1)上與結(jié)構(gòu)層(2)上輸入口(7)和輸出口(8)相應(yīng)的位置上布有開孔。
2.一種如權(quán)利要求1所述的光開關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬電極布置位置替換為處在結(jié)構(gòu)層(2)上的內(nèi)壁上。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述的光開關(guān)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬電極表面覆蓋聚合 物薄膜(10)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于流體光波導(dǎo)的光開關(guān)結(jié)構(gòu)，其依次包括基底I、結(jié)構(gòu)層和基底II，結(jié)構(gòu)層上有與基底I和基底II平行的至少3段微管道，各段微管道的一端在同一位置互相連通，其中一段微管道的另一端與輸入口7連通，其余各段微管道的另一端與輸出口8連通；與微管道段數(shù)相同的若干對金屬電極分別處在基底I和基底II上相應(yīng)的位置上或者處在結(jié)構(gòu)層的多個內(nèi)壁上；基底I上與結(jié)構(gòu)層上輸入口7和輸出口8相應(yīng)的位置上布有開孔。本發(fā)明由于可以使用任意同種流體制作流體光波導(dǎo)，使得波導(dǎo)的材料選擇性更靈活；通過簡單電路控制，實(shí)現(xiàn)光的穩(wěn)定傳播和開關(guān)功能，為全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低成本的大規(guī)模集成化提供了可能。
文檔編號G02F1/01GK101840076SQ20101012884
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者丁麗娟, 王寧博, 黎永前 申請人:西北工業(yè)大學(xué)