[发明专利]微流控阵列光开关芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种微流控阵列光开关芯片结构，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

微流控光学是一项具有重要意义的新技术，它将现代微流控技术和微光电子技术相结合，研制一类能够根据外界环境变化、具有结构重组和自适应调节能力的光学集成器件和系统，将在传感、通信、等领域具有重要的应用前景。

微流控阵列光开关是一种二维集成器件，可实现光学元件的集成化，促进微光器件、波导器件、光集成器件的发展，这种器件在光通信及其它许多领域中有很广泛的应用，如利用微流控阵列光开关制作的光互连器件：光交叉连接、光分插复用器件等。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，现存光开关的交换容量总是有限，很难制成大阵列；而MEMS光开关本身在高端口密度及抗机械摩擦、磨损或震动等方面也存在不足之处。所以研制微流控阵列光开关具有重要的技术价值和应用前景。

随着光通信技术的飞速发展，新的光网络核心器件技术对光开关也提出了更高的要求。在光开关的技术指标上，要求光开关器件具有更高的工作速度、更低的插入损耗和更长的工作寿命；在器件的体积上，由于全光网单元器件的增多，为使器件小型化，就要求器件有更高的集成度。

微流控芯片的主要特征是其容纳流体的有效结构至少在一维度上为微米级尺度，显著增大了流体环境的面积/体积比例。

参考文献：

[1]Demetri Psaltis，Stephen R.Quake2 & Changhuei Yang，Developingoptofluidic technology through the fusion of microfluidics and optics，Nature，Vol.442，No.27，(2006)381-386

[2]MEMS与MEMS光开关  梁宏军张兴社 应用光学2005，01-021。

[3]吴建刚，岳瑞峰，曾雪锋，刘理天.微流控光学器件与系统的研究进展[J].光学技术，2006，(01).

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种微流控阵列光开关芯片，解决微流控光开关阵列的电控以及集成化制造方法问题。

技术方案：基本原理和芯片结构：

基本思想是利用电荷之间的作用力，即同性电荷的互斥力和异性电荷的相吸力，控制与微流道交叉的细管中的物质，如在电荷相吸力的作用下使液体压入细管，而在电荷排斥力的作用下将细管中的液体抽离。这样，光可穿过充有液体的细管到达微流道的另一端，实现‘开’动作；而不能通过装有空气的细管，因为光在液-气界面发生全反射，故这时实现了‘关’动作。

图1中，储液池1通过注液孔2将液体注入储液小槽6，在外力作用下，当储液小槽的盖向下压时，内部液体被挤进细管7，由于储液小槽相连的细管7中的液体和微通道8、9的液体相同，故折射率相等，光能够通过微通道8，这时表示‘开’状态；而当储液小槽的盖往上突起时，这时一方面细管7末端被压缩的空气将管中液体推入储液小槽，另一方面储液小槽的盖突起后，和槽底之间形成一个真空状态，也同样帮助液体倒流回小槽。此时细管7中充满空气，由于液体的折射率大于空气的折射率，在液体和空气的界面上发生全反射，光不能到达微通道8的另一端，光到达微通道9，这时表示‘关’状态。

本发明专利的微流控阵列光开关的结构如图1所示，光开关由四层组成，即该结构采用“上盖片+绝缘层+波导层+底板”结构，单元结构中，第一层为上盖片包括盖板，在盖板上面留有通气孔、注液孔和电极孔，底部还有用微流道工艺制作的凹槽；第二层为绝缘层，在绝缘层上镀有导电膜块，导电膜块通过电导线与外部控制电压相连，盖板上第一小孔、第二小孔对应匹配通气孔和注液孔；第三层是光波导层，其中设有微流道工艺制作的第一微流道、第二微流道，中部设有储液小槽及其穿过的细管；第四层为底板，在底板的PDMS上镀有一层导电膜；构成光波导层的PDMS基质上表面镀有聚乙烯醇膜即形成绝缘层；盖板下表面与绝缘层上表面通过等离子辅助键合方式连接，盖板上的通气孔和注液孔贯穿绝缘层，并通过储液小槽连通光波导层中的细管；在底板的上表面镀的导电膜通过等离子辅助键合方式与光波导层的PDMS基质下表面实现连接粘合。

绝缘层上的导电模块采用导电材料并作为一个电极，另一个电极则是镀在底板的PDMS上的一层导电膜。

光波导层中由第一微流道和第二微流道组成的的开关阵列区域，阵列区域可以根据需要做成m×n维阵列的排列形式，其中m，n为正整数。