蒙 列，萬 靜，袁文志，陳一凈，朱 旭

(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)和可變光衰減器是光通信網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵組成器件，廣泛應(yīng)用于光波分復(fù)用系統(tǒng)，在其他光電子系統(tǒng)中也經(jīng)常用到。目前，光開關(guān)和可變光衰減器大多基于電光效應(yīng)[1-3]、聲光效應(yīng)[4-5]和磁光效應(yīng)[6]，但這些器件偏振相關(guān)損耗大且需要溫度補(bǔ)償，衰減范圍較窄。常用的微電機(jī)械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)光開關(guān)和MEMS可變光衰減器的光學(xué)性能較好，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？勺児馊蓜?dòng)態(tài)改變進(jìn)光能量，常用于攝像和光學(xué)測試類儀器。傳統(tǒng)機(jī)械式可變光圈通過金屬葉片實(shí)現(xiàn)通光孔徑的調(diào)節(jié)，有響應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的延遲、通光孔徑調(diào)節(jié)不精確和響應(yīng)時(shí)間長[7]等問題。

微流控光學(xué)[8](Optofulidics)利用微量流體可形變可流動(dòng)的特殊性質(zhì)在芯片上形成可調(diào)的光學(xué)系統(tǒng)，因而比傳統(tǒng)固體光學(xué)器件更具優(yōu)勢。微流控光學(xué)在光信息處理、成像、生物、醫(yī)藥和化學(xué)檢測等諸多領(lǐng)域已有廣泛的應(yīng)用研究[9-11]，在可變光衰減器和光開關(guān)中也有一些報(bào)道，如：Seow Y C[12]等人提出了一種基于流體動(dòng)力學(xué)和全反射定律的光開關(guān)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對流體流速的控制存在一定的不穩(wěn)定性；Zhu L[13]等人報(bào)道的微流控可變光衰減器通過更換不同折射率的流體實(shí)現(xiàn)可變光衰減，可變衰減僅28 dB； Chang J[14]等人提出了一種微流控可變光圈，通光孔徑變化范圍為0.85～4.20 mm，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

本文提出一種基于介質(zhì)上電潤濕(Electrowetting on Dielectric, EWOD)的微流控多功能器件，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)可變光圈、可變光衰減器和光開關(guān)的功能，因而用途廣，應(yīng)用靈活。所提微流控多功能器件無機(jī)械移動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作簡便和插入損耗小?？勺児馑p器的衰減范圍大，可實(shí)現(xiàn)0～100 % 的可變衰減。

1 器件結(jié)構(gòu)與工作原理

所提微流控多功能器件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了EWOD微流控驅(qū)動(dòng)技術(shù)。圓柱形的封閉空腔最外層為有機(jī)玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate , PMMA)，在圓柱腔中充有互不相溶的液體，上層是水，下層是油與黑色染料的混合物。圓柱腔的頂部和底部都是涂有導(dǎo)電透明銦錫氧化物(Indium Tin Oxide, ITO)層的玻璃板，腔內(nèi)表面涂有特氟龍疏水層。水和油與黑色染料的混合物互不相溶且密度匹配。油是癸烷，染料是蘇丹黑和蘇丹紅。油與染料的混合物可吸收光，使入射的光不能透過油層。

圖1 微流控多功能器件結(jié)構(gòu)示意圖

改變外加電壓U時(shí)，液體與固體邊界的接觸角將發(fā)生改變，水油界面的形狀也會(huì)改變。初始未施加電壓，即外加電壓U=0時(shí)，水-油混合物界面自然向下彎曲，如圖1所示，此時(shí)初始接觸角即楊氏接觸角θ0約為70 °[15]。兩流體界面與固體表面的接觸角由接觸點(diǎn)處的力平衡決定。通過施加在上下腔內(nèi)的工作電壓U，破壞接觸點(diǎn)的平衡力，改變液體和固體表面的接觸角，打破液-液面的平衡界面。

根據(jù)EWOD理論和Young-Lippman方程(式(1))，隨著工作電壓增大，接觸角θ不斷減小。且當(dāng)水和下層ITO玻璃之間施加電壓時(shí)，油內(nèi)產(chǎn)生電場。由于產(chǎn)生的電應(yīng)力，水-油混合物彎月界面進(jìn)一步向下彎曲。界面的形狀是由電應(yīng)力和表面拉應(yīng)力(或分別等效為麥克斯韋應(yīng)力和拉普拉斯壓力)之間的平衡決定的[16-17]。

式中：ε0為真空介電常數(shù)；εr為相對介電常數(shù)；γ為液體界面張力；d為介電層厚度。

圖2所示為微流控多功能器件工作原理。根據(jù)上述工作原理和接觸角變化分析，水-油混合物界面隨施加的電壓變化如下：(1) 不加電壓或施加的電壓較小時(shí)，流體界面向下彎曲但未觸底，由于下層油染料混合物不透光，因此入射光全部被衰減，不能通過器件如圖2(a)所示；(2) 隨著電壓的增加，界面彎曲程度加大，當(dāng)電壓大于某個(gè)值時(shí)，流體界面與腔底接觸，水排開下層的油并占據(jù)底部中心，形成一個(gè)透光孔，相當(dāng)于一個(gè)可通光的光圈，如圖2(b)所示，此時(shí)部分光通過；(3)繼續(xù)增加電壓，底部水形成的透光孔即光圈的孔徑不斷增大，直至光能全通過，如圖2(c)所示。

圖2 微流控多功能器件工作原理

根據(jù)上述描述，圖2(a)為光開關(guān)的“關(guān)”狀態(tài)，圖2(c)為光開關(guān)的“開”狀態(tài)。水-油混合物彎月界面與底板接觸形成的通光孔徑從圖2(b)到圖2(c)的變化即為可變光圈，應(yīng)用于光通信器件即可作可變光衰減器，理論上衰減量從0～100% 可變。因此本文提出的微流控多功能器件能同時(shí)實(shí)現(xiàn)可變光圈、可變光衰減器和光開關(guān)的功能。

2 微流控多功能器件性能分析

本文基于EWOD理論、流體動(dòng)力學(xué)、應(yīng)用光學(xué)、激光傳播與光通信理論以及Comsol仿真軟件，研究和討論了基于EWOD的微流控多功能器件的特性。

2.1 微流控可變光圈

圖3所示為不同電壓下的水油界面形狀圖。如圖3(a)所示，當(dāng)電壓為0時(shí)，水油流體-流體界面是向下彎曲的，但與底部邊界尚未接觸；當(dāng)電壓增加至90 V時(shí)，水油彎月界面與底部開始接觸，如圖3(b)所示；繼續(xù)增加電壓，水油彎月界面與底部接觸面積增大，透明的水將下部的油向周邊排開，腔底部形成一定大小的通光孔徑，如圖3(c)所示。當(dāng)電壓達(dá)到135 V時(shí)，可變光圈的孔徑達(dá)到0.506 mm。

圖3 不同電壓下的水油界面形狀圖

不同電壓下液體可變光圈的通光孔徑如表1和圖4(a)所示。當(dāng)電壓越大時(shí)，液體可變光圈通光孔徑越大，在90～135 V電壓范圍內(nèi)，通光孔徑可變范圍為0～0.506 mm。若將液體可變光圈應(yīng)用于攝像鏡頭或均勻光場中，在均勻光入射時(shí)，相對進(jìn)光能量與光圈通光孔徑的平方成正比。均勻光入射時(shí)，不同電壓控制下相對進(jìn)光能量如圖4(b)所示，假設(shè)電壓為135 V時(shí)的進(jìn)光光通量為1 lm。

表1 不同電壓下液體可變光圈的通光孔徑

圖4 不同電壓下液體可變光圈的通光孔徑和相對進(jìn)光能量

2.2 微流控可變光衰減器

電壓從90 V逐漸增加時(shí)，可變光圈通光孔徑由“0”逐漸增大，進(jìn)光量也逐漸增大，而光功率衰減量則逐漸由100% 降低。設(shè)入射光束是束腰半徑為0.18 mm的基模高斯激光，入射功率為10 mW，則不同電壓下對應(yīng)的光衰減量如表2與圖5所示。

表2 不同電壓下可變光衰減器的衰減量

圖5 不同電壓下可變光衰減器的衰減量

當(dāng)電壓為90.0 V時(shí)，微流控可變光衰減器的衰減量為83.480 dB；當(dāng)電壓為91.1 V時(shí)，衰減量約為40.000 dB；當(dāng)電壓為91.7 V時(shí)，衰減量約為20.000 dB。當(dāng)電壓大于135.0 V時(shí)，衰減量不再變化，說明光已全部通過液體光圈，此時(shí)0.014 dB的衰減量是光通過器件時(shí)由于液體與玻璃底吸收帶來的損耗，因而所提微流控多功能器件的插入損耗是0.014 dB。

圖6所示為不同電壓下的光場圖。初始不加電壓時(shí)，光完全不能通過，處于全衰減狀態(tài)；當(dāng)電壓大于90 V而小于 135 V時(shí)，隨著液體光圈通光孔徑逐漸增大，部分光可以通過，發(fā)生部分衰減；當(dāng)電壓大于135V時(shí)，光能全部通過液體光圈。

圖6 不同電壓下的光場圖

2.3 微流控光開關(guān)

當(dāng)電壓小于90 V時(shí)，液體光圈通光孔徑為“0”，光處于全衰減狀態(tài)；當(dāng)電壓大于135 V時(shí)，光可以全通過。因而，不施加電壓時(shí)，可認(rèn)為光處于“關(guān)”狀態(tài)；而施加大于135 V電壓時(shí)，處于“開”狀態(tài)。這樣，所提微流控器件又可作光開關(guān)。圖7所示為微流控光開關(guān)對應(yīng)“關(guān)”和“開”狀態(tài)的光場圖。圖8所示為光開關(guān)“開”狀態(tài)出射光強(qiáng)分布圖，可見經(jīng)過光開關(guān)后光模式分布沒有發(fā)生變化，仍然是高斯分布形態(tài)。

圖7 光開關(guān)“關(guān)”與“開”狀態(tài)光場圖

圖8 光開關(guān)“開”狀態(tài)的出射光強(qiáng)分布圖

響應(yīng)時(shí)間是光開關(guān)的一個(gè)重要參數(shù)。通過光開關(guān)的流場分析探討其響應(yīng)時(shí)間。當(dāng)外加電壓從0調(diào)到135 V時(shí)，即光開關(guān)由“關(guān)”狀態(tài)變?yōu)椤伴_”狀態(tài)，兩液體界面發(fā)生變化的過程，以及流體由靜止開始運(yùn)動(dòng)再靜止時(shí)對應(yīng)不同時(shí)間的流速分布，如圖9所示。圖中，紅色區(qū)為流體流速較快的區(qū)域，藍(lán)色為流體流速較慢的區(qū)域。由圖可知，電壓剛剛施加的初始時(shí)刻，由于EWOD效應(yīng)，兩相流體與左右壁的接觸點(diǎn)率先發(fā)生速度變化，即三相接觸角發(fā)生改變，帶動(dòng)兩相流體界面發(fā)生速度變化。原來兩相流體與左右兩壁的力平衡被打破，在界面張力、電作用力和吸附力等的作用下，兩相流體將向著新的力平衡運(yùn)動(dòng)。隨著時(shí)間t的變化，兩相流體的流速由慢變快再變慢，最終靜止下來達(dá)到新的平衡。t=30 ms時(shí)，流速較大；t=200 ms時(shí)流速已很小，且t=200 ms后通光孔徑大小幾乎不再變化；t=400 ms時(shí)流速已非常微弱，兩相流界面基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)光路已被完全打開；而在t=500 ms之后，液體完全靜止下來。

圖9 由“關(guān)”變?yōu)椤伴_”狀態(tài)不同時(shí)間的流速分布

當(dāng)外加電壓從135 V變?yōu)?，即光開關(guān)由“開”狀態(tài)變?yōu)椤瓣P(guān)”狀態(tài)時(shí)，對應(yīng)不同時(shí)間的流速分布如圖10所示。t=500 ms時(shí)流速已很小，此時(shí)光路已被阻斷；t=600 ms時(shí)流速很微弱，兩相流界面基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)光路已被完全關(guān)閉；大約t=800 ms后完全靜止。

圖10 光開關(guān)由“開”變?yōu)椤瓣P(guān)”狀態(tài)時(shí)不同時(shí)間的流速分布

綜上可得，在通光孔徑為0.506 mm時(shí)，若以兩相流界面基本穩(wěn)定以及光路完全打開或關(guān)閉作判斷，則光開關(guān)由“關(guān)”狀態(tài)變?yōu)椤伴_”狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間約為400 ms，而由“開”狀態(tài)變?yōu)椤瓣P(guān)”狀態(tài)的響應(yīng)時(shí)間約為600 ms。

光開關(guān)廣泛應(yīng)用于光電子系統(tǒng)或器件中，也廣泛應(yīng)用于光通信。光通信中，單模光纖的纖芯直徑一般為8～9 μm，多模光纖的纖芯直徑通常為50.0或62.5 μm,因而光開關(guān)應(yīng)用于光通信時(shí)通光孔徑小于70 μm。如果所提多功能器件僅僅作為光開關(guān)應(yīng)用于光通信，整體縮小器件尺寸，則光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間可進(jìn)一步降低。比如，尺寸縮小到原來的1/4，“開”電壓使用67.5 V，開關(guān)的通光孔徑為147 μm時(shí)，仿真結(jié)果得到，從“關(guān)”到“開”和從“開”到“關(guān)”的響應(yīng)時(shí)間都是150 ms。

3 結(jié)束語

本文提出了一種微流控多功能器件，該器件同時(shí)具有可變光圈、可變光衰減器和光開關(guān)的功能。當(dāng)電壓從90 V調(diào)節(jié)到135 V時(shí)，可變光圈的通光孔徑可調(diào)范圍為0 ～ 0.506 mm；電壓小于90 V時(shí)，光開關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)；電壓大于135 V時(shí)，光開關(guān)處于“開”狀態(tài)。微流控可變光衰減器理論上具有0～100% 的可變衰減范圍。在90 ～135 V電壓調(diào)節(jié)過程中，其衰減范圍為0.014 ～83.480 dB。所提微流控多功能器件結(jié)構(gòu)簡單、體積小、操作方便且插入損耗小(0.014 dB)。多功能的設(shè)計(jì)使其用途廣且應(yīng)用靈活，可節(jié)約成本。本文的研究內(nèi)容可促進(jìn)微流控技術(shù)在光通信中的應(yīng)用。