ОПТИЧЕСКИЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ С КОНТРОЛЕМ СОСТОЯНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП ЭЛЕКТРОКАПИЛЛЯРНОСТИ Российский патент 2003 года по МПК G02F1/315 

Предлагаемое изобретение относится к оптическим переключателям и может быть использовано как элемент оптических сетей связи, а также в оптике и оптоэлектронике.

Известен оптический переключатель на основе MEMS технологии [1], в котором для переключения оптических каналов используют собранные в матрицу миниатюрные зеркала, угол поворота которых меняется под действием электростатических сил.

Известен термооптический переключатель [2] на основе интерферометров Маха-Цандера, в котором переключение оптических каналов осуществляется за счет изменения оптических путей лучей в плечах интерферометров, путем нагрева находящихся там объемов газа.

Известен оптический пузырьковый переключатель [2], в котором направление распространения светового сигнала изменяется под действием полного внутреннего отражения на границе жидкость/пар, представляющей собой стенку парового пузырька, сформированного путем нагрева жидкости до температуры кипения.

Известен термокапиллярный оптический переключатель [2], в котором имеется канавка, на одну половину заполненная жидкостью, а на другую - воздухом, причем одна из половин канавки находится в области пересечения путей световодов. Для переключения оптических каналов используют полное внутреннее отражение на границе световод/воздух, а для перемещения жидкости в ту или иную половину канавки применяют термокапиллярный эффект.

Недостатком оптического переключателя на основе MEMS технологии [1] является то, что в нем используются подвижные механические элементы (зеркала), что уменьшает его надежность и сокращает срок службы. Кроме того, такой переключатель сложен в изготовлении.

Недостатком термооптического переключателя [2] является то, что при его изготовлении интерферометры настраивают на определенную рабочую длину волны. Использовать этот переключатель на другой длине волны невозможно из-за резкого возрастания потерь световой энергии [2]. Указанный недостаток не позволяет включать термооптический переключатель в состав современных оптических линий связи, где для увеличения их пропускной способности используют несколько несущих длин волн.

Недостатком оптического пузырькового переключателя [2] является то, что для вскипания жидкости и образования пузырька необходим подвод сравнительно большой мощности.

Общим недостатком MEMS [1], термооптического [2] и пузырькового [2] переключателей является то, что для поддержания состояния переключателя нужен постоянный подвод электроэнергии.

Недостатком термокапиллярного оптического переключателя [2] является большое время переключения, определяемое скоростью перетекания жидкости из одной канавки в другую, которое в 2-50 раз больше времен переключения других оптических переключателей [1, 2].

Общим недостатком всех вышеприведенных оптических переключателей является невозможность контролировать состояние переключателя без ответвления части информационного (переключаемого) светового сигнала.

Целью изобретения является создание оптического переключателя, обладающего одновременно высокой надежностью, малым потреблением энергии на переключение, малым временем переключения, а также не требующим подвода энергии для поддержания своего состояния и позволяющим осуществлять контроль его состояния без ответвления части информационного сигнала.

Поставленная цель достигается использованием в переключателе двух групп световодов, оптические пути которых пересекаются и одна из которых служит для переключения оптических каналов, а другая - для контроля состояния переключения и частично заполненного жидкостью замкнутого канала, применением для перемещения жидкости к областям пересечения путей световодов электрокапиллярных сил и использованием в качестве подвижного элемента капли ртути, которая под действием лапласова давления занимает два устойчивых положения в расширениях канала перед сетками. Каплю перемещают путем подачи на электроды напряжения соответствующей полярности.

Устройство предлагаемого оптического переключателя поясняется на фиг.1 (общий вид), фиг. 2 (вид спереди), фиг.3 (вид сверху), фиг.4 (вид сбоку), фиг. 5 (вид в сечении ВВ') и фиг.6 (вид в сечении АА'). Здесь 1 - подложка (например, стеклянная или кварцевая), 2 - первая группа световодов, 3 - вторая группа световодов, 4 - замкнутый канал, 5 - сетки из материала подложки или другого не смачиваемого ртутью материала в канале перед областями пересечения у путей световодов, 6 - жидкий электролит с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления материала световода, 7 - не смачиваемое электролитом покрытие, 8 - капля ртути, 9 - изолированные от электролита электроды. На фиг.4-6 масштаб увеличен в 2 раза по сравнению с фиг.2 и фиг.3.

Рассмотрим принцип работы предлагаемого оптического переключателя. Пусть капля ртути находится у сетки, ближайшей к первой группе световодов (фиг.2 и фиг.3). При таком положении капли, между световодами первой группы находится жидкий электролит, и световой сигнал будет распространяться по прямой от одного конца световода через электролит к другому концу световода, практически без потерь (фиг. 5). Между световодами второй группы находится газ (фиг. 2 и фиг.3), и за счет полного внутреннего отражения на границе подложка/газ световой пучок отклонится в поперечный отрезок световода (фиг.6). Это отклонение можно зарегистрировать с помощью фотодатчика (например, фотодиода), размещенного на конце указанного поперечного отрезка световода (фотодиод не показан).

Благодаря тому что канал перед сетками имеет расширения, а ртуть не смачивает стенки канала (краевой угол смачивания в системе ртуть/стекло составляет около θ =130-150^o [3], а в системе ртуть/кварц 145^o [4]), то на каплю ртути действует лапласово давление, выталкивающее ее в широкую часть канала и прижимающее каплю к сеткам, ограничивающим ее смещение. Для канала квадратного сечения это давление равно P_l = 4σcosθ(1/d₂-1/d₁), где σ =466 мН/м - поверхностное натяжение ртути [4], θ≈140^o, d₁ и d₂ - меньшая и большая ширина канала в сечениях трехфазных границ подложка/ртуть/газ, относящихся к противоположным концам капли. Для канала с типичными размерами d₁=10 мкм [4] и d₂=11 мкм получим давление P_l=13 кПа, то есть значительную величину. Такому давлению при площади сечения канала
S=d₁ ²=10^-10 м²
будет отвечать лапласова сила
F₁=P•S=13•10³ Па • 10^-10 м²=13•10^-7 Н.

Полученную величину лапласовой силы сравним с силой инерции F_i, действующей на d₁•d₁•.d₁ каплю ртути при ускорении свободного падения g≈10 м/с² и плотности ртути ρ =13,6•10³ кг/м [5]. Эта сила определяется как F_i=m•g= ρ•d₁ ³•g=13,6•10^-11 H, где m - масса капли. Следовательно, F_l/F_i≈10⁴, то есть капля будет удерживаться в расширениях канала у сеток при действии на переключатель ускорения вплоть до 10⁴ g.

Таким образом, благодаря наличию расширения канала и сеток, крайние положения капли ртути являются устойчивыми, то есть состояния переключателя фиксируются автоматически, без потребления энергии.

Для переключения оптического сигнала к электродам прикладывается напряжение так, чтобы отрицательный потенциал был на удаленном от капли электроде. Под действием электрокапиллярности капля начинает двигаться к этому электроду [6] и вовлекает в свое движение электролит. Поскольку поверхностное натяжение ртути велико, то лапласово давление, вызванное кривизной поверхности капли, будет прижимать ее к стенкам канала и препятствовать перетеканию электролита из одной части его объема в другую. Это давление для канала квадратного сечения с шириной 10 мкм равно
P = (4σ|cosθ|)/d₁ = 143 кПа.
После того как капля войдет в расширенную часть канала, она под действием лапласова давления займет устойчивое положение у сетки, расположенной перед областью пересечения второй группы световодов. При таком положении капли, между световодами первой группы будет находиться газ, и за счет полного внутреннего отражения на границе подложка/газ оптические каналы окажутся переключенными. Между световодами второй группы будет находиться жидкость, и световой пучок будет распространяться по прямой от одного отрезка световода в другой, то есть не будет попадать в поперечный отрезок световода второй группы, что можно зарегистрировать вышеупомянутым фотодатчиком.

Чтобы избежать растекания электролита по каналу, на поверхность канала за областями пересечения световодов нанесено не смачиваемое электролитом покрытие.

Обратное переключение оптического переключателя производится подачей на электроды напряжения обратной полярности.

Оценить время переключения предлагаемого устройства можно по известной из экспериментов скорости движения капли ртути в замкнутом канале сечением 250•20 мкм², которая при разности потенциалов между электродами 3 В и потребляемом токе 10 мкА составляет около 100 мм/с [6]. Тогда на расстояние порядка ширины световода, около 10 мкм [2], капля сместится за 0,1 мс. Это время на порядок меньше времени переключения термооптического и пузырькового переключателей [2] и на два порядка меньше времени переключения MEMS и термокапиллярного переключателя [1, 2]. При этом потребление энергии на переключение составит 3 В•10 мкА•0,1 мc=3•10^-9 Дж, то есть ничтожную по сравнению с термокапиллярным переключателем [2] величину, которая равна 0,5 Вт•50 мс= 25-10^-3 Дж. Увеличение разности потенциалов между электродами приводит к прямо пропорциональному росту скорости перемещения капли [6], что позволяет достичь, по крайней мере, на порядок меньшего времени переключения.

Таким образом, предложенный оптический переключатель обладает следующими преимуществами: благодаря наличию в переключателе двух групп световодов, пути которых пересекаются, и частично заполненного жидкостью канала, перемещению жидкости к областям пересечения путей световодов под действием электрокапиллярных сил, использованием в качестве подвижного элемента капли ртути, которая занимает два устойчивых положения в расширениях канала перед сетками под действием лапласова давления, устройство допускает простой контроль его состояния без отвода части информационного сигнала, обладает малым временем переключения, потребляет мало энергии на переключение, не требует подвода энергии для поддержания его состояния и надежно.

Источники информации
1. Optical coupling analysis and vibrational characterization for packaging of 2•2 MEMS vertical torsion mirrr switches. L.-S. Huang, S.-S. Lee, E. Motamedi, M.C. Wu, C.-J. Kim. SPIE Symp. Microelectronic Structures and MEMS for Optical Processing IV, Santa Clara, Sept. 1998, Vol. 3513, pp. 135-143. (URL: http//: cjmems.seas.ucla.edu/papers/LongSun-SPIE98.pdf).

2. Thermo-capillary optical switch. Makoto Sato, Makoto Horie, Nobuaki Kitano, Katsuya Ohtomo, Hiroaki Okano. Hitachi Cable Review, No. 2 (August 2001), pp. 19-24.

3. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. М.: Мир, 1979.

4. A micromechanical relay with a thermally-driven micro-drop. J. Simon, S. Saffer and C. -J. Kim. Proc. IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop, San Diego, USA, Feb. 1996, pp. 515-520. (URL: http//: cjmems.seas. ucla.edu/papers/Simon_MEMS 96. pdf).

5. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К.Кикоина, М.: Атомиздат, 1976.

6. Microactuation by continuous electrowetting phenomenon and silicon deep RIE process. J. Lee, C. -J. Kim. ASME Int. Mechanical Engineering Congress and Exposition, Anahein, CA. Nov. 1998. pp. 475-480. (URL: http//: cjmems.seas.ucla.edu/papers/Jung_imece 98. pdf).

Использование: в качестве оптического переключателя в оптических сетях связи, а также в оптике и оптоэлектронике. Сущность: переключатель содержит две группы световодов, оптические пути которых пересекаются. Одна группа служит для переключения оптических каналов, а другая - для контроля состояния переключателя. Замкнутый канал частично заполнен жидким электролитом с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления материала световодов, так, что когда электролит находится в области пересечения путей одной из групп световодов, то в области пересечения путей другой группы световодов находится газ. В качестве подвижного элемента, перемещающего электролит, служит расположенная в канале капля ртути, которую перемещают путем подачи на два изолированных от электролита электрода напряжения соответствующей полярности. В канале перед областями пересечения путей световодов имеются сетки, перед каждой из сеток канал имеет расширение. На стенки канала за этими областями нанесено не смачиваемое электролитом покрытие. Технический результат изобретения заключается в создании оптического переключателя с малым временем переключения и малым потреблением электроэнергии на переключение. Наличие двух групп световодов позволяет контролировать состояние переключателя без отвода части переключаемого светового сигнала. 6 ил.

Оптический переключатель, отличающийся тем, что имеются две группы световодов, в которых пересекаются оптические пути, одна из которых служит для переключения оптических каналов, а другая - для контроля состояния переключателя, и замкнутый канал, частично заполненный жидким электролитом с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления материала световодов, так, что когда электролит находится в области пересечения путей одной из групп световодов, то в области пересечения путей другой группы световодов находится газ, в качестве подвижного элемента, перемещающего электролит к указанным областям, служит находящаяся в его объеме капля ртути, которую перемещают под действием электрокапиллярных сил путем подачи на два изолированных от электролита электрода напряжения соответствующей полярности, в канале перед областями пересечения путей световодов имеются сетки, перед каждой из сеток канал имеет расширение, а на стенки канала за этими областями нанесено не смачиваемое электролитом покрытие.