Термокапиллярный оптический переключатель с лазерными нагревателями

Изобретение относится к оптоэлектронике. В переключателе имеется канавка, частично заполненная жидкостью, имеющей коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления материала трех световодов, которые расположены так, что когда жидкость находится в одной из половин канавки, то излучение проходит от первого световода через жидкость во второй световод, находящийся с противоположной первому световоду стороны канавки, а когда жидкость расположена в другой половине канавки, то излучение проходит по первому световоду, отражается от стенки канавки под углом полного внутреннего отражения и уходит в третий световод, расположенный с той же стороны канавки, что и первый световод. Нагрев жидкости для ее термокапиллярного перемещения в нужную часть канавки попеременно производится пучками двух полупроводниковых светодиодов или лазеров, излучение которых фокусируется расположенными перед ними линзами и направлено в разные половины канавки. Для прохождения излучения имеется прозрачное окно, а материалы жидкости и подложки подобраны из условия поглощения излучения светодиодов или лазеров. Технический результат - уменьшение времени переключения. 7 ил.

 

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

Известен термокапиллярный (ТК) оптический переключатель [1] с двумя металлическими микронагревателями, использующий для работы ТК эффект и эффект полного внутреннего отражения. Переключатель изготовлен на кварцевой подложке, в которой сформированы отрезки пересекающихся световодов и глубокая канавка в области их пересечения. Канавка заполнена наполовину своего объема маслом с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления вещества световодов. Другую половину объема канавки занимает воздушный пузырек. Когда на пересечении путей световодов находится пузырек, оптическая мощность перекачивается в поперечный световод вследствие полного внутреннего отражения от стенки канавки на границе стекло/воздух. Если между световодами находится жидкость, излучение распространяется в прямом направлении от одного отрезка световода через слой жидкости в другой, практически без потерь. Над канавкой, по разные ее стороны, находятся два металлических микронагревателя, служащие для создания вдоль нее градиента температуры. При включении нагревателя на стороне канавки, где находится жидкость, последняя нагревается и ее поверхностное натяжение уменьшается. На поверхности раздела жидкость/газ возникает касательное напряжение, направленное в сторону более холодной поверхности, где поверхностное натяжение больше. Под действием касательного напряжения жидкость перемещается в противоположную холодную часть канавки, а ее место в нагретой части канавки занимает пузырек. Такое движение жидкости, вызванное перепадом поверхностного натяжения вдоль ее свободной поверхности, называется термокапиллярным [2]. После того как воздушный пузырек переместится к нагретому концу канавки, дальнейший подвод энергии к микронагревателю для удержания пузырька не нужен. Таким образом, в ТК переключателе энергия расходуется только во время его переключения. Это является главным достоинством ТК переключателя, по сравнению с другими типами оптических переключателей [1].

Недостатком ТК оптического переключателя [1] с двумя металлическими микронагревателями является то, что длина микронагревателя составляет около половины длины канавки, и из-за высокой теплопроводности подложки (1,2 Вт/м·К у кварца [3]) тепловой поток от микронагревателя распространяется не только к ближайшему, но и к противоположному концу канавки. Из-за нагрева обоих концов канавки встроенный в подложку нагреватель не в состоянии создать большой градиент температуры на свободной поверхности жидкости вдоль канавки, который служит движущей силой ТК эффекта. Поэтому скорость перетекания жидкости невелика, что приводит к увеличению времени переключения ТК переключателя, которое составляет 50 мс, что от 5 до 50 раз больше времени переключения других известных типов оптических переключателей [1].

Кроме того, поскольку микронагреватель не имеет контакта с жидкостью, то тепло сначала распространяется через подложку к стенкам канавки, а затем через объем жидкости к ее свободной поверхности. Время распространения тепла от нагревателя к свободной поверхности жидкости можно оценить через время релаксации температуры [2], как τ=h²/4κ_s+l²/4κ_l, где h - высота канавки, l - ширина канавки, а κ_s и κ_l - температуропроводности подложки и жидкости соответственно. Подставив из [1] h=40 мкм, l=15 мкм, κ_s=0,8·10^-6 м²/с для кварца [3], и κ_l=0,1·10^-6 м²/с для масла [4, 5], получим τ=1 мс, что по порядку величины в 50 раз меньше измеренного времени переключения [1]. Следовательно, основной вклад во время переключения ТК переключателя вносит время перетекания жидкости.

Еще один недостаток состоит в том, что из-за более высокой теплопроводности кварца, 1,2 Вт/м·К [3], по сравнению с маслом, 0,15 Вт/м·К [4], тепло от нагревателя быстро уносится в подложку. Это приводит к излишнему расходу подводимой к нагревателю электроэнергии и одновременно к увеличению времени нагрева жидкости в канавке, то есть к увеличению времени переключения устройства.

Целью изобретения является уменьшение времени переключения ТК оптического переключателя и повышение его экономичности.

Поставленная цель достигается попеременным использованием для нагрева жидкости сфокусированного излучения двух полупроводниковых светодиодов или лазеров, которое поглощается жидкостью и подложкой, и направлено в разные половины канавки, а для прохождения излучения к жидкости применяется прозрачное для него окно.

Устройство предлагаемого ТК оптического переключателя поясняется на Фиг.1 (вид спереди) и Фиг.2 (вид сверху), а принцип работы на Фиг.3 (вид в сечении В-В'), Фиг.4 (вид в сечении А-А'), Фиг.5 (вид в сечении В-В'), Фиг.6 (вид в сечении А-А'), и Фиг.7 (вид в сечении В-В').

Здесь 1 и 2 - светодиоды или лазеры, 3 и 4 - конденсорные линзы, 5 - прозрачное для излучения светодиодов или лазеров окно, 6 - канавка, 7 - жидкость, 8 - воздушный пузырек, 9, 10 и 11 - световоды, 12 подложка.

Предлагаемый ТК оптический переключатель работает следующим образом. Излучение, которое необходимо переключать, вводится в световод 9, а выводится через световод 10 либо световод 11, в зависимости от состояния переключателя.

Пусть жидкость находится в той половине канавки 6, куда выходят концы всех световодов, Фиг.3 и Фиг.4. В этом случае, Фиг.4, излучение проходит через световод 9, затем через жидкость 7 и выходит через световод 10.

Если излучение необходимо направить в другой световод (световод 11), то включают лазер или светодиод 1, Фиг.5. Излучение этого лазера или светодиода фокусируется линзой 3 через прозрачное окно 5 в ту половину канавки 6, где сейчас расположена жидкость 7. Поскольку жидкость поглощает излучение светодиода или лазера, она нагревается. Возникающий на свободной поверхности жидкости градиент поверхностного натяжения, направленный в более холодную часть канавки, приводит к возникновению ТК течений, под действием которых жидкость перетекает в более холодную (т.е. противоположную) половину канавки.

Теперь, Фиг.6, когда жидкость 7 находится в половине канавки 6, противоположной ее половине со световодами, излучение проходит через световод 9, отражается под углом полного внутреннего отражения на границе раздела (световод 9)/(воздух 8) и уходит в световод 11.

Если излучение снова необходимо направить в световод 10, то включают лазер или светодиод 2, Фиг.7. Излучение лазера или светодиода фокусируется линзой 4 через прозрачное окно 5 на жидкость 7, и она под действием ТК сил перетекает в противоположную половину канавки.

Материалы линз 3 и 4, окна 5, жидкости 7 и подложки 12 подобраны так, что окно 5 прозрачно для излучения лазеров или светодиодов 1 и 2, а жидкость 7 и подложка 12 поглощают это излучение. При этом жидкость прозрачна для излучения, которое вводится в световод 9 и переключается на световоды 10 или 11.

Материалы элементов переключателя могут быть следующими. Лазеры или светодиоды могут быть на основе гетероструктур с активными слоями AlGaInP, которые излучают в красноволновой области спектра (например, на длине волны 639 нм), где их КПД максимален и достигает 25-55% [6]. Линзы 3 и 4, окно 5 и световоды 9, 10 и 11 изготовлены из любого типа оптического стекла (например, К8, БК10, БФ16 или Ф1) либо кварца, которые прозрачны во всей видимой области спектра [5]. Жидкость представляет собой раствор в органическом растворителе красителя, с большим коэффициентом поглощения в красноволновой области и малым для длин волн излучения, соответствующих зеленой и синей областям спектра. В качестве жидкости могут выступать растворы бриллиантового зеленого или кристаллического фиолетового в этаноле или ацетоне. Этанол и ацетон прозрачны в видимой области спектра и не оказывают влияния как на излучение светодиодов или лазеров, так и на переключаемое устройством излучение. Для указанных жидкостей переключаемое излучение должно иметь длину волны из зеленой или синей области спектра. Например, это может быть излучение светодиодов на основе гетероструктур InGaN/AlGaN/GaN с длинами волн 514, 472 или 451 нм [6]. В качестве подложки может служить окрашенное стекло, подобное тому, что используется при изготовлении синих или зеленых светофильтров (например, светофильтров СС2, СЗС7, СЗС24), или нейтральных серых светофильтров (например, НС1 или НС2) [5].

Поскольку излучение лазера или светодиода поглощается жидкостью, то нагрев ее свободной поверхности начинается сразу же после его включения, и ТК течение развивается практически мгновенно. Перетекающая в холодную часть канавки жидкость, быстро там охлаждается за счет высокой теплопроводности подложки, и градиент температуры сохраняется высоким во время всего процесса перетекания. После того как в нагреваемой части канавки остается тонкая пленка жидкости, величина поглощаемой ею световой энергии уменьшается. Чтобы процесс перетекания жидкости не замедлялся, используют подложку, материал которой поглощает излучение светодиодов или лазеров.

Кроме того, поскольку энергия подводится световым пучком непосредственно к свободной поверхности жидкости, то КПД преобразования световой энергии в энергию ТК течения возрастает, что повышает экономичность устройства.

Таким образом, предложенный термокапиллярный оптический переключатель обладает следующими преимуществами: благодаря тому, что градиент температуры на свободной поверхности жидкости вдоль канавки создается сфокусированным пучком лазера, излучение которого поглощается приповерхностным слоем жидкости, то есть поступает непосредственно к свободной поверхности жидкости, уменьшается время перетекания жидкости из одного конца канавки в другой, и уменьшается рассеяние тепла, связанное с теплопроводностью подложки. В итоге, уменьшается время переключения устройства и повышается его экономичность.

ЛИТЕРАТУРА

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

2. Гетлинг А.В. Конвекция Релея-Бенара. Структура и динамика. М.: Эдиториал УРСС, 1999 (см. с.21).

3. Оптические материалы для инфракрасной техники. Е.М.Воронова, Б.Н.Гречушников, Г.И.Дистлер, И.П.Петров. М.: Наука, 1965.

4. Справочник химика. T.1. Второе изд. переработанное и дополненное. Государственное научно-техническое издательство химической литературы. Москва, Ленинград. 1962.

5. Физические величины: Справочник. Под ред. И.С.Григорьева и Е.З.Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991.

6. А.Э.Юнович. Свет из гетеропереходов. Природа, № 6, 2001, с.38-46.

Термокапиллярный оптический переключатель, отличающийся тем, что в подложке, в которой он сформирован, имеется канавка, частично заполненная жидкостью, прозрачной для переключаемого излучения и имеющей коэффициент преломления, близкий к коэффициенту преломления материала трех световодов, которые расположены так, что, когда жидкость находится в одной из половин канавки, то излучение проходит от первого световода через жидкость во второй световод, находящийся с противоположной первому световоду стороны канавки, а когда жидкость расположена в другой половине канавки, то излучение проходит по первому световоду, отражается от стенки канавки под углом полного внутреннего отражения и уходит в третий световод, расположенный с той же стороны канавки, что и первый световод, нагрев жидкости для ее перемещения в нужную часть канавки попеременно производится пучками двух полупроводниковых светодиодов или лазеров, излучение которых фокусируется расположенными перед ними линзами и направлено в разные половины канавки, для прохождения излучения светодиодов или лазеров к жидкости имеется прозрачное для него окно, а жидкость и подложка поглощают излучение светодиодов или лазеров.