基于静电驱动的微流控光开关

1.本实用新型涉及一种基于静电驱动的微流控光开关，属于光通信技术领域。


背景技术：

2.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。
3.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。现有的光开关通常是基于光电效应、热光效应、磁光效应和mems系统的光开关，这些类型的光开关普遍具有光照敏感、温度敏感、偏振敏感和镜面抖动等问题。
4.有鉴于此，确有必要提出一种基于静电驱动的微流控光开关，以解决上述问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种基于静电驱动的微流控光开关，通过在微流控光开关上设有静电微驱动器，以解决光开关的高损耗和镜面抖动的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于静电驱动的微流控光开关，所述微流控光开关包括由上而下依次组装的盖板层、静电驱动层、波导层以及平板基底层，所述盖板层、静电驱动层、波导层以及平板基底层相互之间通过等离子辅助键合方式连接；所述静电驱动层上设有静电微驱动器，给所述静电微驱动器施加电压，以实现所述微流控光开关的开或关。
7.作为本实用新型的进一步改进，所述盖板层上设有用于连接所述静电微驱动器的接线柱；所述波导层上设有用于将光束反射或透射到相应的输出端口的条形波导、微流道以及气腔端口。
8.作为本实用新型的进一步改进，所述静电微驱动器包括依次设置的上电极、下电极、弹性薄膜、空气腔以及通气孔；所述上电极的尺寸小于所述下电极的尺寸，所述上电极的周围设有绝缘体，且所述绝缘体的厚度大于所述上电极的厚度。
9.作为本实用新型的进一步改进，所述上电极和所述下电极上分别连接有导线，所述导线向外延伸并分别与所述盖板层上的所述接线柱的正负极相连接。
10.作为本实用新型的进一步改进，所述上电极固定在所述静电微驱动器的内壁上，所述下电极与所述弹簧薄膜的上表面相粘连。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述波导层上设有两个条形波导，该两个条形波导相互垂直并均位于所述波导层的中央。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述微流道位于两个所述条形波导的交叉位置处，所述微流道与两个所述条形波导的夹角均为45
°
。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述微流道呈柱状设置，且其内充有空气和液体，
所述液体位于所述空气之间，所述微流道的一端与所述静电微驱动器的空气腔相通、另一端呈密封设置。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述空气腔和所述微流道通过所述气腔端口连通。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述液体的折射率与所述条形波导的折射率相同。
16.本实用新型的有益效果是：本实用新型通过在微流控光开关上设有静电微驱动器，外部电源给静电微驱动器施加电压，以实现微流控光开关的输出控制。本实用新型不但具有良好的操控性和适应性，机械磨损小，具有实际的应用价值，而且结构简单，制作成本、生产工艺也大大降低，具有重要的技术价值和经济价值，能够在光通信领域中得到广泛的应用。
附图说明
17.图1是本实用新型基于静电驱动的微流控光开关的结构示意图
18.图2是图1中静电微驱动器的截面示意图。
19.图3是本实用新型中静电微驱动器与微流道的一种工作原理图。
20.图4是本实用新型中静电微驱动器与微流道的另一种工作原理图。
具体实施方式
21.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细描述。
22.如图1所示，本实用新型揭示了一种基于静电驱动的微流控光开关，微流控光开关由上而下依次包括第一层结构、第二层结构、第三层结构和第四层结构。第一层结构、第二层结构、第三层结构和第四层结构相互之间通过等离子辅助键合方式连接。
23.优选地，第一层结构为盖板层1，盖板层1上设置有两个正负接线柱5；第二层结构为静电驱动层2，静电驱动层2上设置有一个静电微驱动器7，其中静电微驱动器7具有两根向外延伸的导线6。第三层结构为波导层3，波导层3上设置有两个条形波导10、微流道8和气腔端口9，其中微流道8内充有空气和一段液体柱，且液体的折射率与条形波导10的折射率相同；第四层结构为平板基底层4。
24.结合图1和图2，静电微驱动器7的内部结构具有两根导线6、上电极12、下电极13、弹性薄膜14、空气腔15和通气圆孔16，上电极12的尺寸小于下电极13的尺寸，上电极12周围设置有厚于上电极12厚度的绝缘体11。上电极12和下电极13分别具有一根导线6，导线6向外延伸分别与盖板层1上的接线柱5的正负极5相接。上电极12固定，下电极13与弹性薄膜14的上表面相粘连，下电极13可以带动弹性薄膜14向上移动，同时在不加电压时，弹性薄膜14将带动下电极13回弹到初始位置。
25.静电微驱动器7的上电极12的尺寸小于下电极13的尺寸，且上电极12的周围设置有厚于上电极12厚度的绝缘体11，具有一定厚度的绝缘体11保证了上电极12和下电极13在通电时保持一段不会产生静电摩擦的安全距离。
26.静电微驱动器7的空气腔15处于密封状态，仅通过通气圆孔16与波导层3内的微流
道8的气腔端口9相接，空气可以自由的在空气腔15和微流道8的一端流通。
27.条形波导10位于波导层3中，两个条形波导10以90
°
夹角十字相交。微流道8位于两个条形波导10交叉中心处中，微流道8条形波导10呈45
°
角，便于光束反射或透射到相应的输出端口。微流道8内充有两段空气和一段液体柱，微流道8一端的空气与静电微驱动器7的空气腔15相通，另一端空气密封，液体柱位于两段空气之间且液体的折射率与条形波导10的折射率相同，即为条形波导10的折射率匹配液。
28.本技术方案中光开关操控原理与工作过程包括：
29.如图3所示，当外部电源不给静电微驱动器7施加电压时，静电微驱动器7内的弹性薄膜14和微流道8内的液体柱位置都处于初始状态，此时波导层3内的光束在微流道8处发生全透射，实现微流控光开关的“关”。
30.如图4所示，当外部电源给静电微驱动器7施加电压u时，下电极13会在静电力的驱动下带动弹性薄膜14向上移动，此时密封的空气腔15由于弹性薄膜14的上移产生负压，将微流道8一端的空气吸入空气腔15，同时带动液体柱的移动，光束在微流道8处发生全反射，实现微流控光开关的“开”。
31.当外部电源给静电微驱动器7施加电压u后断开，弹性薄膜14会在自身弹性力的作用下带动下电极13向下移动，恢复初始状态，此时密封的空气腔15由于弹性薄膜14的下移产生正压，将空气腔15内的空气排入的微流道8一端，同时带动液体柱的移动，光束在微流道8处发生全透射，实现微流控光开关的“关”。
32.综上所述，本实用新型将微流控技术与光通信理论结合，提出了一种基于静电驱动的微流控光开关；该微流控光开关设计了一种静电微驱动器7，新型的结构设计可以解决电极间存在的静电摩擦问题，通过外部电源给静电微驱动器7提供电压，控制微流道8内的液体柱进行移动，利用反射和透射的原理实现微流控光开关的输出控制，具有良好的操控性。该微流控光开光易于集成，结构简单，制作成本低，可广泛应用在光线测试系统和光纤网络之中。本实用新型将静电驱动应用于微流控光开关之中，通过外部电源给静电微驱动器7施加电压，静电微驱动器7控制微流道8一端空气的流入和流出，同时带动液体柱的移动，光束在空气柱/液体柱处发生全反射/全透射实现光开关的输出控制。其具有良好的操控性和适应性，机械磨损小，具有实际的应用价值。将传统的静电微驱动器7进行改进：将静电微驱动器7的上电极12的尺寸设置成小于下电极13的尺寸，同时在上电极12的周围设置一圈厚于上电极12厚度的绝缘体11。这样的结构设计可以使得上电极12和下电极13保持一段安全距离避免出现静电摩擦问题，即上电极12和下电极13之间产生的静电摩擦使得两个电极相互接触后不再分离的现象。本实用新型由于未使用电机等复杂器件，其结构简单，因而制作成本、生产工艺也大大降低，具有重要的技术价值和经济价值，能够在光通信领域中得到广泛的应用。
33.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围。