оптический пузырьковый переключатель с лазерным нагревателем и воздушной микрополостью

Формула изобретения

Оптический пузырьковый переключатель, содержащий нагреватель, подложку, нагреваемую жидкость, в объеме которой создается пузырек, отличающийся тем, что в качестве нагревателя используется полупроводниковый светодиод или лазер, излучение которого концентрируется линзой в объем жидкости, проходя к жидкости через прозрачное окно, поглощается жидкостью и подложкой, а в теле подложки имеется воздушная микрополость, соединенная с объемом жидкости.

Описание изобретения к патенту

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

Известен оптический пузырьковый переключатель [1] со встроенным микронагревателем, использующий принцип полного внутреннего отражения. Переключатель изготовлен на кварцевой подложке, в которой сформированы отрезки пересекающихся световодов. В области пересечения световодов находится жидкость с коэффициентом преломления, близким к коэффициенту преломления вещества световодов, а под этой областью в подложке смонтирован микронагреватель. При выключенном микронагревателе луч света распространяется в прямом направлении от одного отрезка световода через объем жидкости к другому практически без потерь. При включении микронагревателя происходит вскипание жидкости и образование в ее объеме парового пузырька. В этом случае луч выходящий из отрезка световода испытывает полное внутреннее отражение на границе раздела жидкость/пар и отклоняется в поперечный отрезок световода. Таким образом, осуществляется переключение оптических каналов.

Недостатком оптического пузырькового переключателя [1] со встроенным микронагревателем является то, что тепловой поток от микронагревателя идет не только к объему жидкости, но и ко всему объему подложки. Кроме того, с началом роста пузырька передача тепла от нагревателя к жидкости резко уменьшается, так как пузырек расположен между нагревателем и жидкостью, а теплопроводность пара почти на три порядка меньше, чем у жидкости или твердого тела [2]. Указанные недостатки приводят к тому, что нагрев жидкости до температуры кипения и образование пузырька происходит через больший, с момента включения микронагревателя, промежуток времени. Время обратного переключения, отсчитываемое с момента выключения нагревателя до момента схлопывания пузырька, также увеличивается, так как прогретыми до температуры кипения жидкости оказывается не только сама жидкость, но и часть прилегающей к ней подложки, которая также должна остыть. К тому же, из-за кондуктивного переноса тепла в подложку, электрическая энергия, которая длительно подводится к нагревателю для поддержания существования пузырька (то есть для поддержания состояния оптического переключателя), расходуется нерационально.

Еще один недостаток состоит в том, что рост пузырька и его схлопывание происходят в замкнутом объеме жидкости, поэтому подложка испытывает распирающее давление при росте пузырька и кавитационный удар при его схлопывании, следовательно, надежность устройства уменьшается.

Целью изобретения является уменьшение времени переключения оптического пузырькового переключателя, повышение его экономичности и надежности.

Поставленная цель достигается использованием для нагрева жидкости сфокусированного в ее объем излучения полупроводникового светодиода или лазера, длина волны которого лежит в диапазоне сильного поглощения жидкостью и подложкой, а также формированием в теле подложки заполненной воздухом микрополости, соединенной с объемом жидкости.

Устройство предлагаемого оптического пузырькового переключателя поясняется на Фиг.1. Здесь 1 - светодиод или лазер, 2 - конденсорная линза, 3 - прозрачное для излучения окно, 4 - жидкость, 5 - паровой пузырек, 6 - микрополость с воздухом, 7 - отрезки световодов, 8 - подложка.

Поскольку световая энергия концентрируется линзой 2 в малом объеме жидкости 4, то ее вскипание и образование парового пузырька 5 будет происходить намного быстрее, чем в случае кондуктивного подвода тепла встроенным микронагревателем. Оценить выигрыш в быстродействии можно с помощью времени релаксации температуры =L ²/к [3], где L - характерный линейный размер нагреваемой области, к - ее температуропроводность. Рассмотрим наилучший для встроенного микронагревателя случай, когда температуропроводности подложки и жидкости равны, а микронагреватель 9 расположен точно на границе между жидкостью и подложкой, Фиг.2. Примем также, что выделяемая микронагревателем тепловая мощность и излучаемая лазером световая мощность равны, а жидкость полностью поглощает излучение лазера. Поскольку тепло распространяется от микронагревателя как в жидкость 4, так и в подложку 8, а световая энергия выделяется, в основном, в центре слоя жидкости, то характерный размер L ₁ нагреваемой области в первом случае будет в два раза больше, чем во втором, L₂. Поле температуры на Фиг.2 для одного и того же промежутка времени с начала нагрева качественно показано концентрическими пунктирными окружностями, а толщина слоя жидкости обозначена как h. Поскольку время релаксации температуры пропорционально L², то нагрев жидкости лазерным пучком будет происходить в (L₁/L₂)² =(2h/h)²=4 раза быстрее. Еще одним преимуществом непосредственного нагрева слоя жидкости лазерным пучком является то, что на практике температуропроводность используемой в оптическом пузырьковом переключателе жидкости меньше, чем подложки. Так, температуропроводность масел около к_oil=0,1 м²/с [4, 5], а температуропроводность кварца к_sub=0,8 м²/с [6], что дает уменьшение времени нагрева в к_sub/к_oil=8 раз. Обобщая вышеприведенные результаты, получим, что время образования парового пузырька в случае лазерного нагрева будет примерно в 4·8=32 раза меньше. Иными словами, время переключения оптического переключателя уменьшится в 32 раза. Реально, благодаря устранению влияния на нагрев жидкости низкой теплопроводности пара в пузырьке, время переключения будет дополнительно уменьшено.

После того как пузырек образовался, толщина поглощающего излучение слоя жидкости резко уменьшится, и пузырек может схлопнуться. Чтобы этого избежать, использован лазер, излучение которого хорошо поглощается подложкой.

С целью устранить влияние малой сжимаемости жидкости на рост пузырька, уменьшить распирающие нагрузки на элементы оптического переключателя при росте пузырька и демпфировать кавитационные удары при схлопывании пузырька, объем жидкости 4 соединен с воздушной микрополостью 6, Фиг.1. При образовании пузырька соответствующий ему объем жидкости вытесняется в микрополость, где происходит сжатие воздуха. Поскольку коэффициент объемного сжатия воздуха примерно в 10³ раз больше, чем у жидкости [4], то давление в объеме жидкости будет меньше, что уменьшит температуру ее кипения и ускорит образование пузырька, то есть время переключения устройства уменьшится.

Очевидно, что во сколько раз, за счет уменьшения давления в жидкости, уменьшится время роста пузырька, во столько же раз увеличится промежуток времени с момента выключения лазера до момента схлопывания пузырька (то есть время обратного переключения). Однако время обратного переключения определяется не только давлением в жидкости, но и запасенным в жидкости и подложке количеством теплоты, которое должно быть рассеяно в окружающую среду. Если переключение происходит через небольшой промежуток времени после образования пузырька, прилегающая к жидкости часть подложки не успевает заметно нагреться, и жидкость быстро остывает за счет переноса тепла в подложку. В этом случае время обратного переключения устройства будет уменьшено.

Таким образом, предложенный оптический пузырьковый переключатель обладает следующими преимуществами: благодаря тому что нагрев жидкости производится сфокусированным поглощаемым ею лазерным излучением, а в теле подложке создана воздушная микрополость, соединенная с объемом жидкости, уменьшается время образования парового пузырька; уменьшается рассеяние подводимого тепла, связанное с высокой теплопроводностью подложки; устраняется влияние низкой теплопроводности пара в пузырьке на скорость нагрева жидкости; уменьшается влияние распирающего давления и кавитации на элементы переключателя. В итоге уменьшается время переключения устройства, повышается его экономичность и надежность.

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. Рид. Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер. с англ. под ред. Б.И.Соколова. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1982.

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

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

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

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