本發(fā)明涉及一種基于微流控技術(shù)的介質(zhì)電潤(rùn)濕效應(yīng)的可調(diào)光衰減器，屬于光通信、光電子技術(shù)和光信息處理器件的技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

可調(diào)光衰減器(variableopticalattenuator，簡(jiǎn)稱voa)是智能化光網(wǎng)絡(luò)中的一種重要的光纖無(wú)源器件，是組成光放大器的關(guān)鍵部件，在光纖通信系統(tǒng)中起到功率平衡的作用，并廣泛應(yīng)用于波分復(fù)用系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱wdm/dwdm)的信道增益平衡和器件保護(hù)。可調(diào)光衰減器的制作方法包括機(jī)械型、波導(dǎo)型、液晶型、微機(jī)械(簡(jiǎn)稱mems)型等。其中，機(jī)械型可調(diào)光衰減器發(fā)展最成熟，但是，其體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于集成，而且波導(dǎo)型和液晶型可調(diào)光衰減器插入損耗大。而近年來(lái)利用微機(jī)械技術(shù)制造的mems式可調(diào)光衰減器具有體積小、重量輕、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，但其在抗擊機(jī)械摩擦、磨損或震動(dòng)等方面存在不足之處。而本發(fā)明能很好的解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于介質(zhì)電潤(rùn)濕效應(yīng)的可調(diào)光衰減器，該衰減器將微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)代光通信技術(shù)中，利用離散電解質(zhì)液滴和空氣來(lái)實(shí)現(xiàn)光衰減器的可變光衰減調(diào)節(jié)，液滴驅(qū)動(dòng)利用介質(zhì)電潤(rùn)濕效應(yīng)，具有良好的操控性和適應(yīng)性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：一種基于介質(zhì)電潤(rùn)濕效應(yīng)的可調(diào)衰光減器，該衰減器采用三層結(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以及疏水薄膜3；第二層為方形透明玻璃層8，沿它的對(duì)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，在玻璃層同一水平線上開兩個(gè)v型槽，分別放入射光纖準(zhǔn)直器6和出射光纖準(zhǔn)直器7；第三層為下極板，下極板包括方形透明玻璃基底13、多晶硅襯底12、襯底上擴(kuò)磷及光刻圖形化微電極陣列11、電極陣列上熱氧化一層sio2作介質(zhì)層10和介質(zhì)層上涂覆一層疏水薄膜9。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(shí)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11和上極板透明電極2分別由引線17、14引至交流電源15正負(fù)極。由于液滴的驅(qū)動(dòng)是在某單個(gè)微電極陣列上施加電壓，因此本發(fā)明設(shè)置有四控開關(guān)k16，可保證液滴在整個(gè)微流道中往返移動(dòng)。

有益效果：

1、本發(fā)明是將介質(zhì)電潤(rùn)濕技術(shù)應(yīng)用于光衰減器之中，很好地實(shí)現(xiàn)光衰減連續(xù)可調(diào)控目的，具有良好的操控性和適應(yīng)性。

2、本發(fā)明制作容易、成本低、能耗低、體積小、利于集成，且電解質(zhì)液滴驅(qū)動(dòng)裝置和操作簡(jiǎn)單，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

3、在性能上，本發(fā)明光功率的衰減調(diào)節(jié)范圍比一般可調(diào)光衰減器大，且插入損耗小。

4、本發(fā)明屬于微流控光器件，具有操作簡(jiǎn)單、體積小、可集成、衰減范圍大，插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)，并且具有重要的技術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

標(biāo)識(shí)說(shuō)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-8；微流道-5；受控離散電解質(zhì)液滴-4；入射光纖準(zhǔn)直器-6；出射光纖準(zhǔn)直器-7；下極板疏水薄膜-9；sio2介質(zhì)層-10；微電極陣列-11；多晶硅襯底-12；方形透明玻璃基底-13；上極板電極引線-14；下極板電極引線-17；交流電源-15；四控開關(guān)k-16。

圖2為光衰減器部分關(guān)截面示意圖。

標(biāo)識(shí)說(shuō)明：方形透明玻璃-1；透明電極-2；上極板疏水薄膜-3；受控離散驅(qū)動(dòng)液滴-4；微流道-5；方形透明玻璃層-8；下極板疏水薄膜-9；sio2介質(zhì)層-10；微電極陣列-11；多晶硅襯底-12；方形透明玻璃基底-13。

圖3、圖4、圖5為基于介質(zhì)電潤(rùn)濕效應(yīng)的可調(diào)光衰減器工作原理示意圖。

其中，圖3為光束全部透射，即衰減量最小狀態(tài)；圖4為光束部分反射、部分透射，即光功率部分衰減狀態(tài)；圖5為光束全反射，即衰減量最大狀態(tài)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖對(duì)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(rùn)濕效應(yīng)的可調(diào)衰光減器，該衰減器采用三層結(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8，沿它的對(duì)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，在玻璃層同一水平線上開兩個(gè)v型槽，分別放入射光纖準(zhǔn)直器6和出射光纖準(zhǔn)直器7；第三層為下極板，該下極板由方形透明玻璃作基底13、多晶硅作襯底12、襯底上擴(kuò)磷及光刻圖形化微電極陣列11、電極陣列上熱氧化一層sio2作介質(zhì)層10和介質(zhì)層上涂覆一層疏水薄膜9組成。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(shí)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11和上極板透明電極2分別由引線17、14引至交流電源15正負(fù)極。由于液滴的驅(qū)動(dòng)是在某單個(gè)微電極陣列上施加電壓，因此本發(fā)明設(shè)置一個(gè)四控開關(guān)k16，可保證液滴在整個(gè)微流道中往返移動(dòng)。

本發(fā)明操控過(guò)程與工作原理包括：

如圖2所示為三層結(jié)構(gòu)介質(zhì)電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)式可調(diào)光衰減器的截面圖。入射光連續(xù)可調(diào)衰減的實(shí)現(xiàn)基于離散電解質(zhì)液滴的介質(zhì)電潤(rùn)濕驅(qū)動(dòng)效應(yīng)。具體地講，本發(fā)明通過(guò)在介質(zhì)膜下面的微電極陣列上施加電勢(shì)來(lái)改變介質(zhì)膜與表面液體的潤(rùn)濕特性，即通過(guò)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(diǎn)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(duì)稱形變，使液滴內(nèi)部產(chǎn)生壓強(qiáng)差，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴傳輸?shù)牟僮骱涂刂?。本發(fā)明設(shè)計(jì)的電潤(rùn)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(huì)有接觸角存在，但兩側(cè)壁沒(méi)有加電極，因此可認(rèn)為液體與側(cè)壁的接觸角在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中不變。當(dāng)開關(guān)k打開時(shí)，液滴的形狀成對(duì)稱分布，見(jiàn)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(shí)，由于介質(zhì)上電潤(rùn)濕作用，液滴與右側(cè)極板間的接觸角發(fā)生變化，見(jiàn)圖中實(shí)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?jí)航翟谙聵O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(shí)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(shì)v后，由young-lippmann方程可以看出，液滴的三相接觸角隨外加電勢(shì)v的絕對(duì)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(shí)，接觸角變成最小，若再增加外加電勢(shì)，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(jì)過(guò)程中為避免該現(xiàn)象，提出用交流電源驅(qū)動(dòng)。

由于介質(zhì)電潤(rùn)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(duì)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(jiǎn)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(guò)在液滴兩側(cè)中某一側(cè)微型電極陣列上施加電勢(shì)差v，可改變液滴單側(cè)的三相接觸角造成液滴非對(duì)稱形變并產(chǎn)生內(nèi)部壓強(qiáng)差，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液滴的操作和控制。

本發(fā)明可調(diào)光衰減器的具體實(shí)施方式：初始時(shí)刻開關(guān)k打開，如圖3所示，液滴位于微流道中間部分，而且大致位于兩微電極陣列之間，由入射光纖準(zhǔn)直器6出射的光束在方形透明玻璃層8內(nèi)到達(dá)微流道固-液界面時(shí)，因?yàn)殡娊赓|(zhì)液滴的折射率與方形透明玻璃層相同或相近，全部光束透射進(jìn)入出射光纖準(zhǔn)直器7，處于零衰減狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)k閉合液滴某一側(cè)微電極陣列時(shí)，由于介質(zhì)上電潤(rùn)濕作用，液滴單側(cè)三相接觸角變小，造成液滴不對(duì)稱形變并產(chǎn)生內(nèi)部壓強(qiáng)差，從而驅(qū)動(dòng)液滴向施加電壓的微電極陣列一側(cè)移動(dòng)。適當(dāng)調(diào)節(jié)電壓大小，改變液滴兩側(cè)壓強(qiáng)差，當(dāng)液滴移動(dòng)到如圖4位置，入射在微流道固-液界面上的光可以透過(guò)液體，進(jìn)入出射光纖準(zhǔn)直器7，而入射到固-氣界面上的光發(fā)生全反射(即：光從光密入射至光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角)，不能透過(guò)微流道進(jìn)入出射光纖準(zhǔn)直器7，處于部分衰減狀態(tài)。通過(guò)介質(zhì)電潤(rùn)濕效應(yīng)調(diào)節(jié)微流道中離散電解質(zhì)液滴的位置，從而改變透、反射光能量比，達(dá)到衰減量可控調(diào)節(jié)目的；若驅(qū)動(dòng)液體移動(dòng)到如圖5位置，光束全部發(fā)生全反射不能進(jìn)入出射光纖準(zhǔn)直器7，此時(shí)光衰減處于最大狀態(tài)。總而言之，本發(fā)明通過(guò)施加于不同的微電極陣列不同的電壓，調(diào)節(jié)微流道中離散液滴的移動(dòng)，從而改變透、反射光能量比，來(lái)實(shí)現(xiàn)光的衰減可控調(diào)節(jié)。