蒙 列，萬 靜，張 偉，郭明瑞，羅曜偉，俞廷杰

(南京郵電大學(xué)，電子與光學(xué)工程學(xué)院、微電子學(xué)院，南京 210046)

0 引 言

光開關(guān)是全光通信網(wǎng)絡(luò)中的核心器件[1]，在光電子系統(tǒng)中也有廣泛的應(yīng)用，如超薄太陽能電池[2]和紅外超材料傳感系統(tǒng)[3]。矩陣光開關(guān)常用于云計(jì)算、深度學(xué)習(xí)和可編程處理器等領(lǐng)域。常見的光開關(guān)和矩陣光開關(guān)有微電機(jī)系統(tǒng)(Microelectromechanical System，MEMS)光開關(guān)、電光開關(guān)、磁光開關(guān)和干涉型開關(guān)等。后面幾種光開關(guān)操作帶寬窄，溫度敏感因而需要溫度補(bǔ)償，且偏振相關(guān)。MEMS光開關(guān)的光學(xué)性能較好，如Plander I等人[4]提出的MEMS光開關(guān)具有0.01 dB的插入損耗和2.3 ms的響應(yīng)時(shí)間，但是MEMS光開關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且有機(jī)械移動(dòng)裝置，不易集成。其他類型還有基于表面等離子激元或平面波導(dǎo)等光開關(guān)。如，Wang Q等人[5]提出的基于表面等離子激元光開關(guān)具有22.16 dB的消光比；Konoike R等人[6]報(bào)告的基于平面波導(dǎo)的8×8光矩陣開關(guān)有5.7 dB的插入損耗和-30 dB的串?dāng)_；Sun X等人[7]報(bào)道了一種基于氮化硅平臺(tái)的4×4光學(xué)矩陣開關(guān)，響應(yīng)時(shí)間為24.5 和 30.5 μs，插入損耗為7.2 dB，偏振相關(guān)損耗為0.65 dB。這些類型的光開關(guān)和矩陣光開關(guān)通常插入損耗也比較大，且偏振相關(guān)。此外，通常一種光開關(guān)只適用于一個(gè)特定的較窄領(lǐng)域。

微流控光學(xué)[8](Optofluidics)結(jié)合微流控技術(shù)與光學(xué)，在芯片上建立光學(xué)系統(tǒng)，相比固體光學(xué)器件具有微型可調(diào)的優(yōu)勢(shì)，其在生物診斷[9-10]、光學(xué)傳感[11-13]、透鏡成像[14-16]、光波導(dǎo)[17]和光信息處理[18-19]等領(lǐng)域已有一些研究。介質(zhì)上電潤(rùn)濕(Electrowetting on Dielectric，EWOD)微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)因操控精細(xì)、簡(jiǎn)便和無機(jī)械移動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)而備受歡迎。如，Wang J H等人[20]提出的EWOD光開關(guān)，具有0.28 dB的插入損耗和60 ms“開”響應(yīng)時(shí)間與100 ms “閉”響應(yīng)時(shí)間；Mo Z等人[21]報(bào)道的基于多模光纖和電潤(rùn)濕棱鏡的光開關(guān)具有1 dB的插入損耗和47 dB的消光比；Li Y等人[22]演示的EWOD光開關(guān)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間和弛豫時(shí)間分別為320和3 600 ms。目前，雖然有一些基于EWOD微流控光開關(guān)的報(bào)道，但是關(guān)于EWOD微流控矩陣光開關(guān)的報(bào)道卻很少。

本文提出一種微流控矩陣光開關(guān)，利用小液滴和EWOD效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光開關(guān)的功能，并設(shè)計(jì)了矩陣驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)給出兩種應(yīng)用方案。所提矩陣光開關(guān)不但可應(yīng)用于光通信，還可應(yīng)用于光電子系統(tǒng)中，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，易集成大型點(diǎn)陣式矩陣光開關(guān)。此外，其插入損耗遠(yuǎn)比一般矩陣光開關(guān)低，而且消光比大，偏振無關(guān)。

1 光開關(guān)單元的結(jié)構(gòu)和工作原理

開關(guān)單元如圖1所示，平面板為有機(jī)玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate , PMMA)，在互相垂直的兩塊平面板與基底的角落有一個(gè)液滴，液滴和下板之間依次是疏水層、絕緣介質(zhì)層和導(dǎo)電透明銦錫氧化物ITO電極。液滴與3個(gè)壁部分接觸區(qū)域涂有親水層以增加附著力。每個(gè)光開關(guān)單元中位于角落的不透明液滴是摻入少量NaCl的油墨溶液(密度為1 090 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.2 Pa·s)。液滴外的流體是透明不導(dǎo)電硅油(密度為1 090 kg/m3，動(dòng)力粘度為0.1 Pa·s)。填充硅油是為了增強(qiáng)液滴穩(wěn)定性。不透明液滴與透明硅油互不相溶，兩者密度相同可減少重力的影響。

圖1 光開關(guān)單元結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of optical switch unit

圖2所示為光開關(guān)原理圖。圖2(a)所示為在不施加外電壓的初始狀態(tài)下，液滴因親水層的作用力吸附在位于兩個(gè)平面板和基地的角落處，液滴與透明硅油和疏水層的接觸角由Young方程給出

式中：γs1為流體1與固體表面之間單位面積的表面能；γs2為流體2與固體表面之間單位面積的表面能；σ12為兩種流體界面處的表面張力；對(duì)于不透明油墨溶液、透明硅油和特氟龍疏水層的初始三相接觸角θ0約為110 °。

當(dāng)施加電壓時(shí)，液滴、硅油和疏水層之間的力平衡被打破，三相接觸角將發(fā)生改變，此時(shí)的接觸角可以用Young-Lippmann方程來表示，接觸角θew與外加電壓的關(guān)系可描述為

式中：ε為電介質(zhì)的介電常數(shù)；U為施加的勢(shì)差；df為電介質(zhì)厚度；θew為EWOD接觸角。三相接觸角隨電壓增加而變小，液滴的底部將伸展變形，如圖2(b)所示。

圖2 光開關(guān)原理圖Figure 2 Principle diagram of optical switch unit

因而，利用EWOD效應(yīng)，可通過改變液滴的外加電壓動(dòng)態(tài)地改變接觸角和液滴的形狀。如圖2所示，在不施加電壓的情況下，不透明液滴沒有遮擋光孔，從上部光孔入射的光束可以完全通過，開關(guān)處于“開”的狀態(tài)。施加電壓后，由于EWOD效應(yīng)，不透明液滴底部延伸變形，然后遮擋光孔，入射的光束不能通過，光開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)。由此實(shí)現(xiàn)光開關(guān)功能。

2 微流控矩陣光開關(guān)

本節(jié)設(shè)計(jì)了矩陣光開關(guān)的結(jié)構(gòu)以及矩陣驅(qū)動(dòng)控制電路，并給出了矩陣光開關(guān)的應(yīng)用案例。

2.1 矩陣結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)控制電路

基于上一節(jié)中的光開關(guān)單元，微流控矩陣光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)Figure 3 Matrix optical switch structure

對(duì)應(yīng)的m×n(m和n分別為矩陣光開關(guān)的行和列變量)矩陣開關(guān)的電壓供給以及陣列中各個(gè)光開關(guān)單元的開與關(guān)由圖4所示的控制電路和控制模塊控制，圖中：X1，…，Xm為連接控制模塊中的正電極；Y1，…，Yn為連接控制模塊中的負(fù)電極；D11，…，Dmn為各個(gè)光開關(guān)單元。

圖4 基于EWOD的m×n光開關(guān)陣列控制電路與控制模塊Figure 4 m×n Optical switch array control circuit and control module based on EWOD

通過矩陣控制電路和控制模塊對(duì)各個(gè)開關(guān)單元施加或不施加電壓，然后控制各個(gè)光開關(guān)單元的開與關(guān)。當(dāng)不施加電壓時(shí)，光開關(guān)單元“開”，能通光，設(shè)控制碼為“0”；當(dāng)施加電壓時(shí)，光開關(guān)單元“關(guān)”，不能通光，控制碼用數(shù)字“1”表示。

若矩陣控制碼如圖5所示，則僅D11開關(guān)單元的電極被施加電壓，即僅X1和Y1兩個(gè)端口被施電壓。此時(shí)，矩陣光開關(guān)中第1行第1列的液滴底部延伸，D11對(duì)應(yīng)的開關(guān)單元關(guān)閉。而矩陣中其他開關(guān)單元處于“開”狀態(tài)。此時(shí)對(duì)應(yīng)矩陣光開關(guān)通光情況如圖6所示。

圖5 僅D11開關(guān)單元關(guān)時(shí)矩陣控制碼Figure 5 Only D11 switch unit turn-off matrix control code

圖6 僅D11開關(guān)單元關(guān)時(shí)矩陣開關(guān)的通光情況Figure 6 The light-on condition of matrix switch when only D11 switch unit is turned off

2.2 應(yīng)用案例

基于EWOD驅(qū)動(dòng)的m×n矩陣光開關(guān)可應(yīng)用于通信中點(diǎn)陣式分布的多光束開關(guān)陣列的控制，也可應(yīng)用于光電子系統(tǒng)中，例如光電顯示器，如圖7所示。

圖7 應(yīng)用方案Figure 7 Application scheme

圖8 矩陣光開關(guān)后方顯示屏圖案Figure 8 Display screen pattern behind matrix optical switch

若此矩陣光開關(guān)應(yīng)用于顯示器，通過矩陣控制電路和控制模塊，使陣列中不同開關(guān)單元分別處于“開”或“關(guān)”的狀態(tài)，陣列光束被選擇性地通過，結(jié)果顯示屏可以顯示不同的圖案，如圖8所示。其中，光開關(guān)陣列表示字母“A”時(shí)的矩陣控制碼如圖9所示，其他類似。

圖9 顯示屏圖案為“A”時(shí)矩陣光開關(guān)的控制碼Figure 9 Control code of matrix optical switch when the display screen pattern is "A"

本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易集成、操作方便、成本低，可以制作大型點(diǎn)陣排列的矩陣光開關(guān)或顯示器，并且圖樣變換靈活、快捷。

3 光開關(guān)性能討論

設(shè)入射光束是束腰半徑為0.1 mm的基模高斯激光，入射功率為10 mW。不施加電壓時(shí)，光開關(guān)處于“開”的狀態(tài)，此時(shí)液滴在角落的初始狀態(tài)如圖10(a)所示。設(shè)液滴的體積為14.14 ml，不透明油墨溶液、硅油和特氟龍疏水層的液-液-固三相接觸角約為110 °，不透明液滴初始底部長(zhǎng)度為2.717 mm，液滴外側(cè)凸起部位距離固體側(cè)壁最遠(yuǎn)為2.845 mm，開關(guān)單元上方通光孔的圓心距離固體側(cè)壁3.050 mm，且通光孔的直徑為0.200 mm，此時(shí)通光孔不被液滴遮擋，完全通光。

施加電壓后，由于EWOD效應(yīng)，液滴底部延伸變長(zhǎng)。隨著外加電壓增大，液滴底部延伸的長(zhǎng)度逐漸增加，如表1和圖11所示。外加電壓為55 V時(shí)，液滴底部長(zhǎng)度為3.176 mm；外加電壓為58 V時(shí)，液滴底部長(zhǎng)度為3.232 mm。當(dāng)施加的電壓大于55 V時(shí)，延伸后的不透明液滴完全遮擋來自通光孔的光，開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)，如圖10 (b)所示。本文采用58 V電壓作為開關(guān)“關(guān)”狀態(tài)的工作電壓。

圖10 光開關(guān)性能示意圖Figure 10 Schematic diagram of optical switch performance

表1 不同電壓下液滴底部的穩(wěn)定長(zhǎng)度Table 1 Stable length of droplet bottom under different voltages

圖11 液滴底部的穩(wěn)定長(zhǎng)度隨外加電壓變化圖Figure 11 The variation diagram of the stable length of the droplet bottom with the applied voltage

圖12所示為光開關(guān)分別處于“開”和“關(guān)”狀態(tài)時(shí)的光場(chǎng)分布圖。

圖12 光開關(guān)光場(chǎng)分布圖Figure 12 Light field distribution diagram of optical switch

響應(yīng)時(shí)間是評(píng)價(jià)光開關(guān)性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。如圖13(a)所示，驅(qū)動(dòng)電壓為一個(gè)矩形脈沖，對(duì)于時(shí)間t，當(dāng)0

圖13 開關(guān)響應(yīng)時(shí)間Figure 13 Switch response time

光開關(guān)的額外損耗主要來自于透明硅油和下底PMMA材料對(duì)光的吸收。插入損耗和消光比也是光開關(guān)的重要性能參數(shù)。插入損耗IL與消光比ER的計(jì)算公式如下：

式中：Pin為從光開關(guān)上部光孔入射的光功率，Pout1為光開關(guān)處于“開”狀態(tài)時(shí)的出射光功率；Pout2為光開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)時(shí)的出射光功率。

在入射光波長(zhǎng)為λ=632.8 nm的情況下，根據(jù)出射和入射光功率得到的光開關(guān)插入損耗為0.26 dB，消光比為139.7 dB。由此可見，此矩陣光開關(guān)的插入損耗小、消光比大。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于EWOD驅(qū)動(dòng)技術(shù)的微流控矩陣光開關(guān)，并設(shè)計(jì)了矩陣控制電路。所提矩陣光開關(guān)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，偏振無關(guān)，易集成大型矩陣光開關(guān)。矩陣光開關(guān)的工作電壓為58 V，插入損耗為0.26 dB，遠(yuǎn)比一般矩陣光開關(guān)低，而消光比也大，為139.7 dB。從 “開”到“關(guān)”和從“關(guān)”到“開”對(duì)應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間分別是120和100 ms。此外，本文還給出兩種應(yīng)用方案，即光電顯示器和多光束陣列開關(guān)。本課題的工作可為大型可集成的矩陣光開關(guān)提供新的思路，并可促進(jìn)微流控光學(xué)在光電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。