[发明专利]一种电湿活塞式光开关

说明书

技术领域

本发明涉及一种新颖的电控活塞式光开关结构及其工作原理，属于光通信的技术领域。

背景技术

中国的光通信市场的网络光化发展趋势将持续向用户端延伸，FTTH普及只是时间问题，全光通信网的时代正在到来。随着光通信带宽需求的不断增长，未来光网络不仅需要支持大容量的传输，还需要提升交换容量，而全光交换技术是近一步提升交换容量的关键所在，是未来全光网络的发展趋势。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,而大容量的光路可调器件--全光开关则是这些设备中的核心器件。就目前的光开关发展现状而言，其主要类型有微电子机械系统（MEMS）开关和波导开关。MEMS开关工艺成熟，已经实现了大端口数目的开关阵列。但MEMS利用移动部件实现光在不同埠间的转换，在可靠性和开关速度、器件大小方面都不尽人意。波导型光开光开关速度快，结构紧凑，将是未来光开关的发展方向。在高速开关的研究方面，虽然不少波导型电光开关的速度理论上可以达到ns量级，但实际制作的ns开关速度的器件却报导不多，因传统的电光开关是利用电光效应，即通过施加一个电场来产生材料折射率的相应变化，从而可以方便地控制光在传播中的强度、位相和传播方向。但电光效应是利用晶体的非线性光学效应，其控制电压较高，要降低该电压需要的与之相应的制作材料和加工工艺的要求较高。至于OADM中的光开关应用，则主要要求光开关矩阵规模的扩大和成本的降低，对开关速度的要求相对较低。未来的研究主要集中在发展大容量、高性价比的波导开关矩阵。

下一代光路可调技术之一就是液态光器件。传统的液态光路可调器件中的光开关包括喷墨气泡光开关、热光效应光开关、液晶光开关、液体光栅光开关等。Agilent公司结合热喷墨打印和硅平面光波导两种技术，开发出的二维光交叉连接系统；其由许多交叉的硅波导和经过交叉点的沟道组成，沟道中填充特定的折射率匹配液；缺省条件下，入射光可沿着波导无交换传输；当需要交换时，一个热敏硅片会在液体中波导交叉点处产生一个气泡，气泡将入射波导中的光信号全反射至输出波导，实现光路的选择、转换；Agilent 气泡光开关具有毫秒级交换速度、偏振不敏感性、低串扰、高消光比的特性，经过不断改进，32×32 光开关阵列已经达到商业化要求；目前该技术困难是封装液体，还有必需要在饱和蒸汽压（亦即密死循环境中保持气体及液体状态共存的温度及压力条件）下操作，而且该技术的气泡产生所必需的热喷墨打印技术国内尚无知识产权。

基于二氧化硅基的热光开关矩阵具有功耗低、容量大等优点，但是二氧化硅受其热光系数大小的限制，无法实现高速开关。液体光栅光开关通过控制电压，使布拉格光栅产生和消失方法控制特定波长的光反射或透射，其缺点是仅能实现单波长的切换。液晶光开关的技术基于液晶在电场作用下引起入射光极化状态改变，对某些光束进行极化状态的改变实现空间交换。为了使器件对极化不敏感，就必须引入某些极化差异，这使得该技术更加复杂。

基于EWOD等效应的电控微流体具有高的切换速度（～ms）、无偏振化影响、良好的操控性和适应性，作为取代光学元件可应用于光开关和光互连、三维光存储、光扫描、光学雷达等系统。现有的EWOD研究和应用主要集中于液体透镜变焦成像技术，比较典型的如荷兰Philips公司发布的FluidFocus和法国Varioptic公司发布的小型液体变焦透镜，这些透镜的变焦是利用无机械装置电控方法通过改变液体的界面曲率进而调节焦距。这种电控液体技术现已取得了成熟的发展，但应用于光通信领域的光路可调器件涉及很少，国内仅限于南京邮电大学“微流控光学技术研究中心”的微流控光开关阵列和可调光衰减器器件。

现有的专利如ZL200910145198.1公开的基于微流控技术的二维电光开关阵列装置，包括储气容器、储液容器、矩阵形式排列的波导，每个交叉点均有盛有液体的微容器，每个微容器均有相对应的电湿控制器以选择性加电的电湿驱动装置。该装置的缺点第一在基板上同时安装波导、电极和容器就要求非常精确和复杂繁琐的加工工艺，体积也不小；第二，它的驱动装置与分光部件集成在一块，限制了导电层、绝缘层、疏水层的选择（必须要求透明材料），同时光路进入该分光部件时经过导电层、绝缘层、疏水层的多次反射，造成光的强烈衰减；第三，该装置所有的光开关节点共用一个储气容器，不可能针对每一个微液柱位置进行精确定位和初始化；第四，该装置储液池和储气容器相通易导致储液池的液体大量流入储气容器而使器件失效。