微流控矩阵光开关

蒙 列，万 静，张 伟，郭明瑞，罗曜伟，俞廷杰

(南京邮电大学，电子与光学工程学院、微电子学院，南京 210046)

0 引 言

光开关是全光通信网络中的核心器件[1]，在光电子系统中也有广泛的应用，如超薄太阳能电池[2]和红外超材料传感系统[3]。矩阵光开关常用于云计算、深度学习和可编程处理器等领域。常见的光开关和矩阵光开关有微电机系统(Microelectromechanical System，MEMS)光开关、电光开关、磁光开关和干涉型开关等。后面几种光开关操作带宽窄，温度敏感因而需要温度补偿，且偏振相关。MEMS光开关的光学性能较好，如Plander I等人[4]提出的MEMS光开关具有0.01 dB的插入损耗和2.3 ms的响应时间，但是MEMS光开关结构复杂且有机械移动装置，不易集成。其他类型还有基于表面等离子激元或平面波导等光开关。如，Wang Q等人[5]提出的基于表面等离子激元光开关具有22.16 dB的消光比；Konoike R等人[6]报告的基于平面波导的8×8光矩阵开关有5.7 dB的插入损耗和-30 dB的串扰；Sun X等人[7]报道了一种基于氮化硅平台的4×4光学矩阵开关，响应时间为24.5 和 30.5 μs，插入损耗为7.2 dB，偏振相关损耗为0.65 dB。这些类型的光开关和矩阵光开关通常插入损耗也比较大，且偏振相关。此外，通常一种光开关只适用于一个特定的较窄领域。

微流控光学[8](Optofluidics)结合微流控技术与光学，在芯片上建立光学系统，相比固体光学器件具有微型可调的优势，其在生物诊断[9-10]、光学传感[11-13]、透镜成像[14-16]、光波导[17]和光信息处理[18-19]等领域已有一些研究。介质上电润湿(Electrowetting on Dielectric，EWOD)微流控驱动技术因操控精细、简便和无机械移动部件等优点而备受欢迎。如，Wang J H等人[20]提出的EWOD光开关，具有0.28 dB的插入损耗和60 ms“开”响应时间与100 ms “闭”响应时间；Mo Z等人[21]报道的基于多模光纤和电润湿棱镜的光开关具有1 dB的插入损耗和47 dB的消光比；Li Y等人[22]演示的EWOD光开关的驱动时间和弛豫时间分别为320和3 600 ms。目前，虽然有一些基于EWOD微流控光开关的报道，但是关于EWOD微流控矩阵光开关的报道却很少。

本文提出一种微流控矩阵光开关，利用小液滴和EWOD效应实现光开关的功能，并设计了矩阵驱动电路，同时给出两种应用方案。所提矩阵光开关不但可应用于光通信，还可应用于光电子系统中，且结构简单、操作方便，易集成大型点阵式矩阵光开关。此外，其插入损耗远比一般矩阵光开关低，而且消光比大，偏振无关。

1 光开关单元的结构和工作原理

开关单元如图1所示，平面板为有机玻璃即聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate , PMMA)，在互相垂直的两块平面板与基底的角落有一个液滴，液滴和下板之间依次是疏水层、绝缘介质层和导电透明铟锡氧化物ITO电极。液滴与3个壁部分接触区域涂有亲水层以增加附着力。每个光开关单元中位于角落的不透明液滴是掺入少量NaCl的油墨溶液(密度为1 090 kg/m3，动力粘度为0.2 Pa·s)。液滴外的流体是透明不导电硅油(密度为1 090 kg/m3，动力粘度为0.1 Pa·s)。填充硅油是为了增强液滴稳定性。不透明液滴与透明硅油互不相溶，两者密度相同可减少重力的影响。

图1 光开关单元结构图Figure 1 Structure diagram of optical switch unit

图2所示为光开关原理图。图2(a)所示为在不施加外电压的初始状态下，液滴因亲水层的作用力吸附在位于两个平面板和基地的角落处，液滴与透明硅油和疏水层的接触角由Young方程给出

式中：γs1为流体1与固体表面之间单位面积的表面能；γs2为流体2与固体表面之间单位面积的表面能；σ12为两种流体界面处的表面张力；对于不透明油墨溶液、透明硅油和特氟龙疏水层的初始三相接触角θ0约为110 °。

当施加电压时，液滴、硅油和疏水层之间的力平衡被打破，三相接触角将发生改变，此时的接触角可以用Young-Lippmann方程来表示，接触角θew与外加电压的关系可描述为

式中：ε为电介质的介电常数；U为施加的势差；df为电介质厚度；θew为EWOD接触角。三相接触角随电压增加而变小，液滴的底部将伸展变形，如图2(b)所示。

图2 光开关原理图Figure 2 Principle diagram of optical switch unit

因而，利用EWOD效应，可通过改变液滴的外加电压动态地改变接触角和液滴的形状。如图2所示，在不施加电压的情况下，不透明液滴没有遮挡光孔，从上部光孔入射的光束可以完全通过，开关处于“开”的状态。施加电压后，由于EWOD效应，不透明液滴底部延伸变形，然后遮挡光孔，入射的光束不能通过，光开关处于“关”状态。由此实现光开关功能。

2 微流控矩阵光开关

本节设计了矩阵光开关的结构以及矩阵驱动控制电路，并给出了矩阵光开关的应用案例。

2.1 矩阵结构与驱动控制电路

基于上一节中的光开关单元，微流控矩阵光开关的结构如图3所示。

图3 矩阵光开关结构Figure 3 Matrix optical switch structure

对应的m×n(m和n分别为矩阵光开关的行和列变量)矩阵开关的电压供给以及阵列中各个光开关单元的开与关由图4所示的控制电路和控制模块控制，图中：X1，…，Xm为连接控制模块中的正电极；Y1，…，Yn为连接控制模块中的负电极；D11，…，Dmn为各个光开关单元。

图4 基于EWOD的m×n光开关阵列控制电路与控制模块Figure 4 m×n Optical switch array control circuit and control module based on EWOD

通过矩阵控制电路和控制模块对各个开关单元施加或不施加电压，然后控制各个光开关单元的开与关。当不施加电压时，光开关单元“开”，能通光，设控制码为“0”；当施加电压时，光开关单元“关”，不能通光，控制码用数字“1”表示。

若矩阵控制码如图5所示，则仅D11开关单元的电极被施加电压，即仅X1和Y1两个端口被施电压。此时，矩阵光开关中第1行第1列的液滴底部延伸，D11对应的开关单元关闭。而矩阵中其他开关单元处于“开”状态。此时对应矩阵光开关通光情况如图6所示。

图5 仅D11开关单元关时矩阵控制码Figure 5 Only D11 switch unit turn-off matrix control code

图6 仅D11开关单元关时矩阵开关的通光情况Figure 6 The light-on condition of matrix switch when only D11 switch unit is turned off

2.2 应用案例

基于EWOD驱动的m×n矩阵光开关可应用于通信中点阵式分布的多光束开关阵列的控制，也可应用于光电子系统中，例如光电显示器，如图7所示。

图7 应用方案Figure 7 Application scheme

图8 矩阵光开关后方显示屏图案Figure 8 Display screen pattern behind matrix optical switch

若此矩阵光开关应用于显示器，通过矩阵控制电路和控制模块，使阵列中不同开关单元分别处于“开”或“关”的状态，阵列光束被选择性地通过，结果显示屏可以显示不同的图案，如图8所示。其中，光开关阵列表示字母“A”时的矩阵控制码如图9所示，其他类似。

图9 显示屏图案为“A”时矩阵光开关的控制码Figure 9 Control code of matrix optical switch when the display screen pattern is "A"

本文所设计的开关单元结构简单、体积小、易集成、操作方便、成本低，可以制作大型点阵排列的矩阵光开关或显示器，并且图样变换灵活、快捷。

3 光开关性能讨论

设入射光束是束腰半径为0.1 mm的基模高斯激光，入射功率为10 mW。不施加电压时，光开关处于“开”的状态，此时液滴在角落的初始状态如图10(a)所示。设液滴的体积为14.14 ml，不透明油墨溶液、硅油和特氟龙疏水层的液-液-固三相接触角约为110 °，不透明液滴初始底部长度为2.717 mm，液滴外侧凸起部位距离固体侧壁最远为2.845 mm，开关单元上方通光孔的圆心距离固体侧壁3.050 mm，且通光孔的直径为0.200 mm，此时通光孔不被液滴遮挡，完全通光。

施加电压后，由于EWOD效应，液滴底部延伸变长。随着外加电压增大，液滴底部延伸的长度逐渐增加，如表1和图11所示。外加电压为55 V时，液滴底部长度为3.176 mm；外加电压为58 V时，液滴底部长度为3.232 mm。当施加的电压大于55 V时，延伸后的不透明液滴完全遮挡来自通光孔的光，开关处于“关”状态，如图10 (b)所示。本文采用58 V电压作为开关“关”状态的工作电压。

图10 光开关性能示意图Figure 10 Schematic diagram of optical switch performance

表1 不同电压下液滴底部的稳定长度Table 1 Stable length of droplet bottom under different voltages

图11 液滴底部的稳定长度随外加电压变化图Figure 11 The variation diagram of the stable length of the droplet bottom with the applied voltage

图12所示为光开关分别处于“开”和“关”状态时的光场分布图。

图12 光开关光场分布图Figure 12 Light field distribution diagram of optical switch

响应时间是评价光开关性能好坏的一个重要指标。如图13(a)所示，驱动电压为一个矩形脉冲，对于时间t，当0

图13 开关响应时间Figure 13 Switch response time

光开关的额外损耗主要来自于透明硅油和下底PMMA材料对光的吸收。插入损耗和消光比也是光开关的重要性能参数。插入损耗IL与消光比ER的计算公式如下：

式中：Pin为从光开关上部光孔入射的光功率，Pout1为光开关处于“开”状态时的出射光功率；Pout2为光开关处于“关”状态时的出射光功率。

在入射光波长为λ=632.8 nm的情况下，根据出射和入射光功率得到的光开关插入损耗为0.26 dB，消光比为139.7 dB。由此可见，此矩阵光开关的插入损耗小、消光比大。

4 结束语

本文提出了一种基于EWOD驱动技术的微流控矩阵光开关，并设计了矩阵控制电路。所提矩阵光开关结构简单、操作简便，偏振无关，易集成大型矩阵光开关。矩阵光开关的工作电压为58 V，插入损耗为0.26 dB，远比一般矩阵光开关低，而消光比也大，为139.7 dB。从 “开”到“关”和从“关”到“开”对应的响应时间分别是120和100 ms。此外，本文还给出两种应用方案，即光电显示器和多光束阵列开关。本课题的工作可为大型可集成的矩阵光开关提供新的思路，并可促进微流控光学在光电子系统中的应用。