新颖的微流控电调谐空间光开关

提出了一种微流控电调谐非机械空间光开关器件,该器件的基本形式为"光输入阵列+光交换空间+光输出阵列"的结构,采用"水/油/水"液体棱镜作为偏光控制单元.在特定电压范围(30～110V)内,通过电润湿效应作用的液体棱镜光束偏转角可在约-15°～15°之间连续可调.由此可构造多种平面甚至立体光开关阵列.     

微流控双稳振荡器光开关

针对光开关集成化、微型化、低能耗的要求,设计了一种微流控双稳振荡器1×2型光开关,其两个输出端口的插入损耗分别为1.03dB和0.18dB.微流控双稳振荡器由对称级联的两个常闭阀构成,光开关由三段嵌入在振荡器输出端的光纤波导构成,通过改变注射泵驱动微器件中液体流动的速率可以控制光开关的开关周期.利用有限元分析软件对影响开关周期的因素进行了仿真研究.结果表明,当液体的注入流速从0.2mm/s增大到1.0mm/s时,开关周期从1.25s减小到0.26s,周期占空比约为0.5,阀的阈值与开关时间常量呈线性关系.随着常闭阀阀座的增宽,开关周期变长;阀的宽长比增大,开关周期减小;振荡器的不对称设计可以调节周期的占空比.通过调节入口流速和阀的阈值特性,可以设计特定频率的光开关,这为单入多出、多入多出光开关的后续研究提供了依据.     

基于电润湿微棱镜技术的可调光衰减器特性分析

利用电控改变固液界面湿润角的电润湿微棱镜(EMPs)技术以及双自聚焦透镜组合设计了一类新颖的可调光衰减器,并对该衰减器的衰减性能进行了原理分析和实验测量.理论分析和实验结果表明其具有良好的光衰减控制效应,在不大的电压变化范围(例如135—139V)内即可实现2—60dB的光衰减范围.该器件构思新颖,具有结构简单、容易制作的优点,经过优化后将会在光通信领域得到广泛的应用.缺点是工作电压偏高,需要进一步筛选出介电系数高的物质来作为介电绝缘层材料,以便降低工作电压,达到实际可以使用的目的. 关键词： 微流控光学 电湿效应 可调光衰减器 电润湿微棱镜     

基于EWOD的微流控透镜变焦特性分析

随着光学技术的蓬勃发展,传统的固体光学器件难以满足日益增加的微型化、集成化、可调化的现代光学技术发展的需要,新兴的微流控光学器件则为这一需要提供了可能。基于介质上电润湿(EWOD)的液体变焦透镜就是一种微流控光学器件。介绍了该种透镜的几个基本结构和变焦原理,着重推导计算了外加电压与液体透镜曲率半径、焦距的变化关系,分析了其变焦特性,提出了相应消像差方案。     

微流控光学器件与系统的研究进展

微流控技术作为微全分析系统的关键与核心,一直是MEMS领域中的一个研究重点。随着微流控技术水平的不断提高以及与其它学科的不断渗透与融合,近年来已经涌现出一批令人注目的研究热点,其中微流控光学器件就是其典型代表。微流控技术与光学器件的融合,为传统光学器件的微型化、阵列化、低成本化以及高精度控制提供了可能。叙述了一些基于微流控技术的可变焦光透镜、显示器件、光开关、以及可调光纤光栅等新型光学器件的近期研究成果和应用背景。     

电润湿液滴微流控芯片液滴驱动的EHD数值模拟

利用液滴电水动力学方法,通过求解耦合的N-S方程,VOF方程以及电场方程,首次对电润湿非接地型单板式(开放式)液滴微流控芯片的液滴驱动过程进行了数值模拟研究.结果表明,在液滴向驱动电极运动的过程中,液滴形态呈现摇摆特性,前进和后退接触角呈现震荡特性,液滴运动速度逐渐下降,并最终停留在零电极和驱动电极的中间位置.     

基于微流控光学可调谐的渐变折射率特性研究

本文基于层流液体的对流扩散效应,提出了一种新型的具有渐变折射率分布特性并且可以实现调节的微腔流体透镜.利用有限元法分析微腔中芯层与包层流体在对流扩散过程达到稳定后的浓度分度,即混合流体的折射率分布,结果表明,分别调节芯层与包层流体的流速,微腔中的流体可以实现不同的渐变折射率分布.同时,本文还分析了即使考虑腔壁与流体之间的黏滞阻力因素,芯层与包层流体的流速组合依然是混合流体折射率分布的决定因素.应用微腔流体透镜的这种调节效果,可以实现不同要求的光束聚焦、分束、偏转等功能,在微流控光学检测系统以及微成像系统中有重要的应用.     

微流控光学透镜阵列内芯表面的电润湿特性测量

采用特定的“导电基片／绝缘膜层”微透镜阵列内芯材料,研究其表面的介质上电润湿（EWOD）特性。利用图像采集与数据处理方法测量了0～60V电压范围内硫酸钠水溶液液滴在“不锈钢基片／Parylene绝缘层”芯片表面的接触角变化数据,通过EWOD理论模型计算得到硫酸钠溶液的表面张力值,此值与理论值相吻合。进而计算了内芯与液滴的界面张力,这种方法可用于一般固液界面张力的测量。     

负非线性夹层式光开关原理

根据光致热效应讨论了负非线性夹层式光开关的时间响应特性。利用热传导方程和两个热力学方程，在绝热假设下分析了影响其全反射响应时间的因素，应用这一理论模式对Ｓｔｒｏｂｌ提出的样品材料进行了计算，理论与实验结果相吻合。     

N × N集成光开关阵列模型

报道了由2N个1 × N 多模干涉马赫-曾德尔光开关组成的N × N光开关阵列结构,分析了这种结构的开关阵列优势和局限性.用场传输矩阵方法建立了1 × N多模干涉光开关的光场传输方程.给出了光开关阵列从任一输入端输入、从任一输出端输出时阵列开关的工作条件.在上述原理及理论基础上分析了4×4光开关阵列的结构和工作条件.     

Optofluidic droplet router

This contribution presents an optofluidic droplet router which is able to route and steer microdroplets using optically induced forces created solely by the bulk photovoltaic effect on a nonlinear substrate. The combination of microfluidic tools with the properties of a photorefractive crystal allows for the generation of dielectrophoretic forces that can be either repulsive, leading to virtual barriers, or attractive, creating virtual rails. The sign of these forces is solely determined by the electrical properties of the liquid medium under investigation. Moreover, the induced structures on the bottom of the microfluidic channel are optically reconfigurable, so that the same device can easily be adopted for different purposes. Appropriate droplet‐generating devices are fabricated by UV illumination of SU‐8 and polydimethylsiloxane replica molding of the master structures. The bottom of the channels is formed by an iron‐doped lithium niobate crystal, whose internal electric fields are induced by structured illumination patterns and exert dielectrophoretic forces on droplets in the microfluidic section.

     

一种高速多通道光纤阵列光开关

为了对短时间大视场一维光强信息进行采集,采用编码转换技术和自聚焦透镜矩形阵列设计了光开关,用小口径电光晶体实现了大视场的测量.采用MOS管级联的高压同步电路,使得系统具有结构紧凑、性价比高、寿命长等优点.实验结果表明:开关选通时间100±5 ns,前后沿小于25 ns,消光比1 100∶1.     

一种基于聚合物材料的延迟线阵列与热光开关集成器件的设计

设计了一种基于聚合物材料的延迟线阵列与热光开关的集成器件.利用Rsoft软件设计并模拟了多模干涉热光开关的性能,可实现输出光场强度随电极加热温度变化.设计了螺旋结构的延迟线阵列,利用BPM软件对螺旋结构波导进行数值模拟,综合考虑器件尺寸和损耗参量设计出螺旋结构的弯曲半径.将延迟线阵列结构与热光开关进行集成,能够实现热光控制的聚合物延迟线阵列,该器件可实现的最大延迟时间为399.4ps,延迟间隔为9.2ps.以SiO2为下包层,SU-8紫外固化光刻胶为波导芯层,聚甲基丙烯酸甲脂为上包层,采用旋涂、光刻、湿法腐蚀等工艺制备了1×4延迟线阵列与MMI热光开关的集成器件,测试得到了延迟线阵列的近红外输出光斑,插入损耗为15~19dB.     

一种智能光网络中的亚毫秒光开关阵列

设计研制了一种亚毫秒级微机械光开关阵列.该阵列驱动电压为5V,开关时间小于750μs, 插入损耗在0.6 dB～0.8 dB之间,串扰<－70 dB.具有结构简单、成本低廉、可大规模集成的优点,能很好地解决智能光网络节点连接设备OADM快速信号转换和串扰问题.详细介绍了该光开关阵列实现原理,报告了器件性能测试,并应用FEA软件分析了开关单元中磁场和开关驱动过程.     

非线性一维光子晶体光开关与光双稳

设计和制备了ZnS/ZnSe叠层共 2 0个周期的非线性一维光子晶体光开关与光双稳器件 理论模拟了波长 5 14 .5nm的氩离子激光 ,在阈值功率密度 1.0× 10 5W/cm2 下 ,完全移出光子禁带 ,实现了光开关 同一器件也可作为光学双稳器件 ,实验测出其阈值功率密度为 1.38× 10 5W/cm2 ,双稳开关时间为 10 0ps 理论与实验结果基本一致     

偏振控制的Ce:KNSBN类光纤光折变光开关

在Ce:KNSBN光折变类光纤晶体中,用不同偏振的读出光控制衍射光强的大小从而实现光折变光开关的开－关功能.实验结果表明e光读出时的光栅衍射效率是o光读出的310倍,而且衍射效率比不随写入光光强比的变化而变化.与块状晶体做了比较,并用理论进行了分析,在光折变类光纤中的衍射效率比是块状晶体的10倍,光折变类光纤晶体有着更好的光开关性能.     

新型液晶光学相控阵的特性研究

将液晶作为平板光波导的上包层,构建了液晶光学相控阵器件.根据Frank-Oseen液晶连续体弹性形变理论与光栅衍射理论,研究分析了基于这种新型结构下液晶光学相控阵的传输特性,输出衍射特性和其它性能特性.研究结果表明,器件的传输电控相位延迟可以实现更大的光程差;阵列电极周期数目、电极宽度、电极间隔宽度等结构参量对器件的输出衍射光束的光强分布和半峰值全宽度影响很大,同时光束扫描的可行性得到论证;器件的响应时间提高了一个数量级,且其色散性能获得改善.为以后研制新型液晶光学相控阵提供了理论基础与技术设计依据.     

基于表面等离激元的偏振态控制光开关

利用四个Au纳米棒组成的类矩形纳米棒四聚体结构设计了一种基于偏振态控制的光开关,并采用有限元法研究了该结构对入射光偏振态的响应特性.研究发现,该结构的透射光谱对入射光的偏振方向具有很强的依赖性,当入射光的偏振角度变化π/2时,其特征峰的开关比分别能达到27.81dB和21.65dB.分析表明,该结构的开关效应主要由不同偏振态下所导致的水平双纳米棒和竖直双纳米棒之间的近场耦合强度不同而实现,该结构透射系数与偏振角度的关系服从Malus law.此外,通过改变类矩形纳米棒阵列结构参数,研究了结构参数对其光开关响应特性的影响.在此基础上,通过改变阵列的周期参数,研究了入射光水平偏振和垂直偏振下周期参数对单元结构透射光谱的影响.该研究结果能够为可调谐双波长偏振光开关的设计提供理论依据.