CN105068185A - 一种单向通光的器件、阵列及单向通光实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单向通光的器件、阵列及单向通光实现方法，利用漏斗形光波导两端接收或耦合光能量的能力不同且光在传输过程中光场能量密度随光波导截面积改变的原理，可以制成两端出射光能量密度差异较大的单向通光装置。理论计算和模拟仿真结果表明该漏斗形波导结构具有单向通光的功能。由多个单向通光的漏斗形波导组成的阵列结构，可实现单向通光的薄膜或平板。本发明可用于光子芯片中的光束单向耦合，或利用多个漏斗形器件做成的阵列平板，用于隐形玻璃或其它单向通光需求的应用。
Description
技术领域
本发明属于光耦合、光波导、光子芯片、微制作和光学显示等技术领域，涉及一种单向通光的器件、阵列及单向通光实现方法。
背景技术
在光子芯片及光子学器件中，光波是被用于传播信息的载体，而光波导是使光波能按指定路径传播的器件。众所周知，光波传播具有可逆性，即光波可以从起点沿一条路径传播到某一个终点，也可以从该终点沿原路返回到达该起点。但是，在实际应用中，我们有时需要光波只能沿某一个路径传播，而不需要光束能沿原路返回。例如，在光子芯片中，有时需要光束只能往前传播，而不希望光波沿原路径返回。虽然光学隔离器可以实现光束单向传播的功能，但其结构复杂，且难以集成到光子芯片中。再例如，在日常生活中，为了保证车内或房间内人员的隐私，需要一种从里面能够向外面观看却不能从外面向里面观看的单向通光窗玻璃。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单向通光的器件、阵列及单向通光实现方法，该单向通光的器件、阵列具有良好的单向通光性能，结构新颖。
发明的技术解决方案如下：
一种单向通光的器件，采用漏斗形波导通光孔结构，所述的漏斗形波导通光孔结构的一端的孔面积为S1，另一端的孔面积为S2，且S1＞S2，从一端到另一端孔面积依次减小；
漏斗形波导通光孔结构所包含的孔的横截面为圆形、正方形或长方形；
比如，所述的通过孔为圆孔时，一端的直径为D，另一端的直径为d，且D＞d，从一端到另一端直径依次减小；
漏斗形波导通光孔结构的总长度为L，漏斗形波导通光孔结构的宽度渐变角度为θ；
θ需满足θ＜cos-1(n2/n1)，若不考虑波导界面的反射，此时外界射入到波导的光能够完全进入波导；其中n1为漏斗形波导通光孔结构中波导材料的折射率，n2为漏斗形波导通光孔结构的包层或周围介质的折射率，且n1＞n2。
漏斗形波导通光孔结构的波导材料为硅，周围介质为二氧化硅。
漏斗形波导通光孔结构的孔内壁镀有增反膜。
总长度L大于2微米。d是波导细端截面的直径或宽度，L是波导的长度。D的大小选择标准为波导能传播单模光波的尺寸，如SOI硅基波导，其单模传播的截面直径为300nm。L为任意选择量，其大小满足制作要求，即一般设为单向通光膜或器件的厚度，一般选择为2微米以上。
一种单向通光的阵列，采用多个前述的单向通光的器件同向平行布置组成M*N方形阵列；M和N分别为行数和列数；所述的同向是指所有的单向通光的器件的漏斗形波导通光孔结构的大开口端均位于同一侧。
所述的阵列的载体为膜介质或平板。
若为周围介质为透明的波导，相邻两个器件之间的间距为1微米至100微米，若波导周围为镀反射膜的类型，则相邻两个器件之间的间距为10纳米至100微米，所述的间距是最近边缘之间的距离。
间距是器件的中心线之间的距离或最近边缘之间的距离。但为了方便，此处间距取为二者边缘之间的距离，考虑相邻波导之间的光耦合及受光面积的因素，若为周围介质为透明的波导，其尺寸范围为1微米至100微米，若波导周围为镀反射膜的类型，则尺寸范围为10纳米至100微米。
一种单向通光实现方法，采用前述的单向通光的器件，通过该器件的漏斗形波导通光孔结构使得入射光在孔洞中全反射并向前传输，基于光束从两端分别耦合和出射时的光强之比为S1/S2[即有效面积之比，孔为圆形时，其比值为D2/d2或d2/D2]，从而实现单向通光的功能。
一种单向通光实现方法，采用前述的单向通光的阵列，通过该阵列包含的多个漏斗形波导通光孔结构使得入射光在孔洞中全反射并向前传输，基于光束从两端分别耦合和出射时的光强之比为S1/S2，从而实现单向通光的功能。
本发明提出一种漏斗形光波导和漏斗形孔道的通光装置，利用漏斗形光波导或漏斗形孔道的两端对光波会聚或发散能力的不同，使光波从漏斗形通光装置的两端耦合进入该器件的光能量密度不同，即一端耦合光能力较强，光强足够大容易被光探测器所探测，另一端耦合光能力较弱，光强太低以致难以被光探测器探测，从而实现单向通光的功能。此外，将漏斗形光波导或通光孔做成阵列，可以实现单侧透明的防隐私薄膜或平板等装置。
本发明提出了一种漏斗形的光耦合和光传输器件，由于该器件两端的光耦合能力不同，进入该器件的光能量大小也不同，而且，由于该器件的直径或截面面积逐渐由大变小，光束从两端分别耦合和出射时的光强之比差别显著，从而实现单向通光的功能。漏斗形结构的截面逐渐由大到小的变化可设计为线性变化，抛物线变化，阶跃式变化，线性和阶跃结合的变化，等；实例中选取的是直线渐进变化，为了使波导更好地传输光波，需要优化波导截面尺寸变化的规律，即可以选择线性，抛物线型，或阶跃式等，从而使波导内光传输时在内壁尽量减少光的折反射损失。
器件可以设计为漏斗形波导结构，且光束在波导中全反射并向前传输，周围介质折射率比波导材料的折射率低；
器件可以设计为漏斗形通光孔结构，即光束在孔洞中全反射并向前传输，周围介质折射率比孔洞材料的折射率高，但孔内壁镀增反膜，使光束在孔内传输时能量损耗较低；
多个漏斗形器件可以组成阵列，实现单向通光的薄膜或平板等。阵列中相邻漏斗形器件之间的距离设置为二者的平衡：即尽量降低相邻器件之间的光耦合效应，且尽量密集地排布漏斗形器件从而充分利用光能。薄膜端面中没有放置漏斗形器件阵列的空白处可设置为不透光，以减少杂散光的影响。
有益效果：
本发明设计了一种单向通光的器件，利用漏斗形光波导两端接收或耦合光能量的能力不同且光在传输过程中光场能量密度随光波导截面积改变的原理，可以制成两端出射光能量密度差异较大的单向通光装置。理论计算和模拟仿真结果表明该漏斗形波导结构具有单向通光的功能。由多个单向通光的漏斗形波导组成的阵列结构，可实现单向通光的薄膜或平板。本发明可用于光子芯片中的光束单向耦合，或利用多个漏斗形器件做成的阵列平板，用于隐形玻璃或其它单向通光需求的应用。
附图说明
图1为单向通光的漏斗形器件形状示意图；
图2为漏斗形波导器件的结构示意图；
图3为模拟中使用的漏斗形波导示意图；
图4(a)漏斗形波导结构示意图；
图4(b)光从宽端入射时，漏斗形波导光耦合与光在波导中传输的光场分布图，其中光强大小由右边的灰度值表示；
图5(a)漏斗形波导结构示意图；
图5(b)光从细端入射时，漏斗形波导光耦合与传输的光场分布图，其中光强大小由右边的灰度值表示。
图6多个漏斗形单向通光器件组成的阵列。其中(a)阵列中器件的宽端截面示意图，(b)阵列中器件的细端截面示意图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
单向通光器件由一个漏斗形光波导或通光筒组成，其横截面结构为矩形或圆形等。该器件的形状示意图如图1所示。
当光从漏斗形细端输入时，只有极少一部分光能被耦合，且由于通光的截面逐渐变大，光能量密度逐渐变小，而当光从漏斗形宽端输入时，大部分光能被耦合进入漏斗形波导并逐渐被压缩，光能量密度变大。
假设漏斗形器件宽端的直径为D，细端的直径为d，若以均匀光束入射，二者能接收光的有效面积之比为D2/d2。若粗端与细端的宽度之比为D∶d＝10∶1，则二者接收光能量的大小为100∶1。当光从漏斗形波导的细端耦合进入时，光会在漏斗形波导中发散并传播，当光最终从宽端发出时，由于发射面积大大增加且假设光波导的能量损耗可忽略不计，即光在传播过程中在每个截面的总的光能量不变，因此，相较于细端的光能量密度，在宽端的光能量密度将大大降低，二端由于耦合效率的差异造成的能量密度之比约为D2/d2，本例中为宽端与细端耦合光能量之比为100∶1。反之，当光从粗端耦合进入时，宽端光能量利用率是细端的D2/d2，即100倍，并且当光从粗端逐渐压缩并从细端出射时，其能量密度为从细端耦合至宽端射出时的光能量密度的D4/d4，即10000倍。因此，当使用漏斗形波导的细端耦合光时，由于细端波导的模场面积小，导致只有极少部分的光能被耦合进入，且进入漏斗形波导后逐渐扩散，以致当光从宽端最终出射时会由于光能量密度太低而难以被光电探测器或人眼探测到，此时可以认为光无法从漏斗形波导细端进入，即漏斗形波导此种情况下不通光。另一方面，当光从外部光源发出被耦合进入漏斗形波导的宽端时，由于漏斗形波导的宽端截面积比细端的截面积大很多，因此，从光源发出的光都能够更好地被漏斗形波导的细端所接收。而且，当光从漏斗形波导的宽端向细端传播时，由于漏斗形波导的截面不断收窄，使传播的光能量密度不断增加，因此，当光从细端发出时，由于能量密度较高，容易被光探测器探测。此时，光从漏斗形的宽端入射时，大部分的光能量能够从细端出射，即漏斗形波导在此种情况下通光。为了保证光束在漏斗形波导中传播时能量损失较小，需选用光吸收率较低的材料，并尽量减低光入射到漏斗形波导内壁时的光透射或折射，后向反射等光损失。因此，在设计该漏斗形通光器件时，需保证光进入单向通光器件后在内壁发生全反射并向前传播，类似于光波在光纤中的传输。
本发明设计的漏斗形通光器件的结构示意图如图2所示，设波导材料的折射率为n1，包层或周围介质的折射率为n2，且n1＞n2。宽端的直径为D，细端的直径为d，长度为L。为简便器件，设宽度渐变的变化为线性，漏斗形器件的宽度渐变角度为θ，cosθ＝(D-d)/(2L)。细端截面宽度恰好能传输工作波长的单模光波。此时，漏斗形波导的折射率需高于包层介质的折射率，且为了满足全反射条件，漏斗形波导的宽度渐变角度需满足入射到漏斗形器件内壁的光发生全反射，即θ需满足θ＜cos-1(n2/n1)。以硅基光波导为例，n1＝3.46，n2＝1.45，L＝3μm，可单模传输的波导宽度为300nm，若细端为能单模传输的波导宽度且相对于波导长度可忽略不计，则宽端需设计为约D≤0.8L。需要指出的是，该通光器件也可以设计成内部中空的通风孔式结构，即通光器件的内壁为镀膜的全反射材料，此时，孔内的折射率小于孔外材料的折射率。该结构的工作原理仍与前述的波导型通光器件类似。
为了验证本发明所设计的器件结构的有效性，我们仍以硅基波导为例模拟光束的传播。在模拟中，器件结构如图3所示，n1＝3.46，n2＝1.45，L＝3μm，D＝2μm，d＝0.3μm，λ＝1.55μm，漏斗形波导的截面为大小逐渐线性变小的正方形。我们利用三维光束传输方法(BeamPropagationMethod，BPM)模拟光束的耦合及传输。
图3中，细端截面尺寸为300nmx300nm，宽端为3umx3um，【可以选择为圆形或方形，甚至长方形，不一一示例。】长度为4um。波导材料为硅，周围介质为二氧化硅。
当一束光照射到结构如图4(a)所示的波导时，光从漏斗形的宽端入射，光被耦合进入波导在其中传输并从细端出射。波导中沿光束传播方向的光场分布如图4(b)所示，其中横坐标表示沿波导截面的方向，纵坐标表示沿光束传播的方向。从图4(b)可看出，光束被漏斗形波导的宽端耦合后，由于波导逐渐变细，光束逐渐被压缩，到细端时光的强度已超出饱和状态，呈现白色分布。光场强度由图4(b)右侧所示的灰度值条表示。光场传播的分布说明，从宽端进入并从细端输出的光的光强被放大，因此，出射光容易被光探测器探测。
当一束光照射到结构如图5(a)所示的波导时，光从漏斗形的细端入射，光被耦合进入波导在其中传输并从宽端出射。波导中沿光束传播方向的光场分布如图5(b)所示，其中横坐标表示沿波导截面的方向，纵坐标表示沿光束传播的方向。从图5(b)可看出，光束被漏斗形波导的细端耦合后，只有很少的光进入波导，并且，由于波导逐渐变宽，光束形状逐渐发散，以致到宽端时光的强度已很低，呈现灰黑色分布，即光强接近于零。光场强度仍由图5(b)右侧所示的灰度值表示。此时，光场传播的分布说明，从细端进入并从宽端输出的光的光强较小且被分散，因此，出射光强度很低可能难以被光探测器探测。
基于上述单个器件的单向通光的功能，可以利用多个漏斗形器件组成的阵列来实现单向透光的薄膜。薄膜的结构如图6所示，其中图6(a)表示漏斗形器件阵列的宽端截面图，图6(b)表示漏斗形器件阵列的细端截面图。每一个圆点表示一个漏斗形波导的截面，圆点周围为不透光的材质或结构组成，单个漏斗形器件的大小和材料结构的选择类似于上述仿真的参数或起相同作用。当我们从薄膜的宽端即图6(a)看过去时，由于光是从薄膜的宽端一侧被耦合并被细端收缩，因此，进入人眼的光能量很高容易被人眼看到，而当我们从薄膜的细端即图6(b)看过去时，由于光是从薄膜的细端一侧被耦合并被宽端分散，因此，进入人眼的光能量较低而难以被人眼看到，从而实现单向透光的功能。类似地，薄膜中单个漏斗形波导也可以设计为中空的漏斗形通光孔结构，且孔的内壁是反射光的，可同样实现单向通光的功能。
在实际的使用中，设计需考虑的两个因素为，一是单向通光薄膜阵列中漏斗形器件之间发生的光耦合应尽可能低，如要求光耦合低于5％，则任意两个相邻器件之间的横向距离应尽可能大，二是为了充分利用外界入射到薄膜上的光，则单向通光器件阵列中器件的排布应尽可能密集。为了平衡这二点，我们可以根据实际制作条件选取合适的参数，例如，取两个相邻器件之间的距离为2um。
在制作薄膜时，我们可以利用光刻的方法将设计的圆形阵列图案转移到薄膜上，并利用蚀刻工艺刻出漏斗形孔洞，然后利用镀膜工艺将孔洞填满或镀上反射膜，最终形成如图6所示的薄膜结构。
综上所述，我们设计了一种单向通光的漏斗形波导结构，利用波导两端的横截面大小不同，造成耦合和传输光束能力的不同，从而实现光束能量集中或分散的效果，即容易或难于被探测器探测，理论计算和模拟仿真结果表明该漏斗形波导结构具有单向通光的功能。基于此，我们还提出了由单向通光的漏斗形波导组成的阵列，可实现单向通光的薄膜。
Claims (10)
1.一种单向通光的器件，其特征在于，采用漏斗形波导通光孔结构，所述的漏斗形波导通光孔结构的一端的孔面积为S1，另一端的孔面积为S2，且S1＞S2，从一端到另一端孔面积依次减小；
漏斗形波导通光孔结构所包含的孔的横截面为圆形、正方形或长方形；
漏斗形波导通光孔结构的总长度为L，漏斗形波导通光孔结构的宽度渐变角度为θ；
θ需满足θ＜cos-1(n2/n1)；其中n1为漏斗形波导通光孔结构中波导材料的折射率，n2为漏斗形波导通光孔结构的包层或周围介质的折射率，且n1＞n2。
2.根据权利要求1所述的单向通光的器件，其特征在于，漏斗形波导通光孔结构的波导材料为硅，周围介质为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的单向通光的器件，其特征在于，漏斗形波导通光孔结构的孔内壁镀有增反膜。
4.根据权利要求1-3任一项所述的单向通光的器件，其特征在于，总长度L大于2微米。
5.一种单向通光的阵列，其特征在于，采用多个如权利要求1-3任一项所述的单向通光的器件同向平行布置组成M*N方形阵列；M和N分别为行数和列数；所述的同向是指所有的单向通光的器件的漏斗形波导通光孔结构的大开口端均位于同一侧。
6.根据权利要求5所述的单向通光的阵列，其特征在于，所述的阵列的载体为膜介质或平板。
7.根据权利要求5所述的单向通光的阵列，其特征在于，若为周围介质为透明的波导，相邻两个器件之间的间距为1微米至100微米，若波导周围为镀反射膜的类型，则相邻两个器件之间的间距为10纳米至100微米，所述的间距是最近边缘之间的距离。
8.一种单向通光实现方法，其特征在于，采用权利要求1-3任一项所述的单向通光的器件，通过该器件的漏斗形波导通光孔结构使得入射光在孔洞中全反射并向前传输，基于光束从两端分别耦合和出射时的光强之比为S1/S2，从而实现单向通光的功能。
9.一种单向通光实现方法，其特征在于，采用权利要求5所述的单向通光的阵列，通过该阵列包含的多个漏斗形波导通光孔结构使得入射光在孔洞中全反射并向前传输，基于光束从两端分别耦合和出射时的光强之比为S1/S2，从而实现单向通光的功能。
10.一种单向通光实现方法，其特征在于，采用权利要求6或7所述的单向通光的阵列，通过该阵列包含的多个漏斗形波导通光孔结构使得入射光在孔洞中全反射并向前传输，基于光束从两端分别耦合和出射时的光强之比为S1/S2，从而实现单向通光的功能。
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