CN117518345A - 光波导内构建衍射光学元件的方法及光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光波导技术领域，具体提供一种光波导内构建衍射光学元件的方法及光波导，在光波导中至少有一层材料具有场致折射率变化特性，通过图案化的能量场驱动光波导，使该层材料被图案覆盖部分和未被图案覆盖部分形成至少两种不同折射率分布，使光波导的芯层内形成与图案对应的衍射光学元件，通过衍射光学元件对光波导内的光进行调控。本发明以具有场致折射率变化特性的材料为介质构建光波导，在基础结构上实现了衍射光学元件与光波导的集成，避免了传统衍射光学元件占用空间大、集成度差等问题，实现了衍射光学元件对光波导的光调控，提升了光波导光调控维度。
Description
技术领域
本发明涉及光波导技术领域，具体提供一种光波导内构建衍射光学元件的方法及光波导。
背景技术
光电子器件需向小型化、集成化方向快速发展，在此规划的引导下，集成光学得到了广泛关注，其中光波导是集成光学的基础与核心。衍射光学元件则是近些年蓬勃发展的新兴光学元件，通过构造二维分布的衍射单元，每个衍射单元具有特定的形貌、折射率等，能够对光波前相位分布进行精细调控。
传统的衍射光学元件多工作在自由空间，整体器件尺寸较大。在光波导中实现衍射光学元件，不仅能够提高衍射光学元件的集成度，而且能将衍射光学元件丰富的光调控手段赋予光波导，提高集成光学的光调控维度，以期实现诸如光子计算等前沿应用。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种光波导内构建衍射光学元件的方法，并具体设计了一种光波导，以具有场致折射率变化特性的材料构建光波导，通过图案化外场驱动，在光波导中实现衍射光学元件，提升了光波导的光调控维度。
本发明提供光波导内构建衍射光学元件的方法，在光波导中至少有一层材料具有场致折射率变化特性，通过能量场驱动光波导，能量场的截面形状为能够产生光调制的图案，使该层材料被图案覆盖部分和未被图案覆盖部分形成至少两种不同折射率分布，使光波导的芯层内形成与图案对应的衍射光学元件，通过衍射光学元件对光波导内的光进行调控
优选的，具有场致折射率变化特性的材料采用液晶、铌酸锂或硅。
优选的，能量场为磁场、电场或热场。
优选的，能量场的截面形状由多个三角形、圆形或任意四边形拼接构成。
一种光波导，由下至上依次包括衬底层、芯层和包层，其中至少有一层的材料具有场致折射率变化特性；
还包括导电层和电极层，电极层上刻蚀有用于产生光调制的图案，导电层和电极层之间形成图案化电场；
在图案化电场作用下，具有场致折射率变化特性的材料被图案化电场覆盖部分和未被图案化电场覆盖部分形成两种不同折射率分布，光波导的芯层内形成与图案对应的衍射光学元件。
优选的，包层的材料为液晶，在电场作用下使液晶分子的长轴沿电场方向排布，改变其对光折射率。
优选的，图案化的电极层为闪耀光栅的形状，闪耀光栅的形状由多个直角三角形拼接构成。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
本发明以具有场致折射率变化特性的材料为介质构建光波导，在基础结构上实现了衍射光学元件与光波导的集成，避免了传统衍射光学元件占用空间大、集成度差等问题，实现了衍射光学元件对光波导的光调控，提升了光波导光调控维度。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的光波导的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的图案化电极层的结构示意图；
图3是根据本发明实施例提供的在图案化电场作用下，芯层中形成的等效衍射光学元件的示意图；
图4是根据本发明实施例提供的光波导中形成的光栅对波导模式的衍射实验结果示意图。
其中的附图标记包括：
芯层1、包层2、衬底层3、均匀导电层ITO4、取向层SD15、电极层6、电极图案7、光栅8、传输光9、衍射光10。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明实施例提供的光波导内构建衍射光学元件的方法，主要是在光波导的基础结构上进行优化，光波导的功能层主要包括芯层、包层和衬底层，上述功能层中至少有一层的材料具有场致折射率变化特性，该材料的对光折射率能够在外场的驱动下发生改变，常用具有场致折射率变化特性的材料包括但不限于各类液晶、铌酸锂、硅及其衍生物等。
利用能量场驱动光波导，驱动方式包括但不限于磁驱动、电驱动和热驱动等，具体的，能量场的形式包括但不限于磁场、电场、热场等。通过改变能量场的能量分布调整光波导中芯层的对光折射率。此外，能量场具有特定形状，能量场的截面形状为能够产生光调制的图案，用于在光波导内实现衍射光学元件的构建，可构建的衍射光学元件包括但不限于光栅、菲涅尔透镜等具有衍射光学特性的光学元件。具体的，能量场的截面形状由多个三角形、圆形或任意四边形拼接构成。由于能量场为图案化的，因此，材料具有场致折射率变化特性的功能层存在被图案化能量场覆盖和未被覆盖的两个部分，该材料也会按照能量场的图案形成两种不同折射率分布。在两种不同折射率的作用下，芯层会形成两种有效折射率分布。此时对于芯层中的光，相当于形成了一个具有折射率对比度的衍射光学元件，通过对能量场的强度、方向、形状等参数的调控即可实现对衍射光学元件的调整，并通过衍射光学元件对光波导内的传输光进行调控，调控参数包括但不限于传输光的强度、传播方向及相位等。
基于上述光波导内构建衍射光学元件的方法，如图1所示，本发明实施例还提出了一种在内部构建有衍射光学元件的光波导，其结构由下至上依次包括衬底层3、芯层1、包层2和电极层6，其中，衬底层3采用二氧化硅材料，厚度为2微米，折射率为1.46。芯层1采用氮氧化硅材料，厚度为450纳米，折射率为1.87。包层2采用正性液晶材料，厚度为4微米，其对寻常光折射率no＝1.50，对非寻常光折射率ne＝1.69，正性液晶具有长棒状分子结构，且具有光电各向异性，在外加电场作用下会自发将其分子长轴沿电场方向排布，进而改变其对光响应的折射率。并且在包层2的上下两侧还设置有取向层SD15，取向层SD15用于使液晶分子有序取向分布。在衬底层3的底部还设置有均匀导电层ITO4，其是由氧化铟锡材料制成的透明导电薄膜，其作为供电接触层。在光波导工作时，通过对均匀导电层ITO4和电极层6供电，在两者之间形成电场，通过该电场对光波导进行驱动。
如图2所示，电极层6用于形成图案化电场，对包层2的部分位置进行刺激，电极层6通过激光刻蚀方法进行图案化加工，此外也可通过机械加工或镀膜等其他方式实现，电极层6的图案取决于需要在光波导中构建衍射光学元件。由于在本实施例中，需要在光波导中构建光栅8，因此，电极层6的图案为闪耀光栅的形状，具体由多个直角三角形周期性拼接构成，每个直角三角形的底边尺寸w＝310微米，高度h＝3毫米。
如图3所示，当电极层6和均匀导电层ITO4通电后，形成对应形状的电场，在该电场的作用下，包层2中的液晶分子发生场致转动，包层2的折射率发生变化，包层2中被电场覆盖部分的液晶折射率为ne，即1.69；包层2中未被电场覆盖部分的液晶折射率为no，即1.50。包层2中两种折射率的分布，使芯层1会形成两种不同的有效折射率分布，芯层1被电场覆盖部分的的折射率为1.68，未被电场覆盖部分的的折射率为1.67，芯层1相当于形成了一个折射率对比度为0.01的光栅8。对于芯层1内的传输光9经过该光栅8后，衍射获得衍射光10。此外，也可以通过改变电极层6的图案，使光波导内构建为菲涅尔透镜等其他具有衍射光学特性的衍射光学元件。
为了验证本发明的有效性，对上述光波导进行了实验，具体结果如图4所示，波导内传输光9的波长为1550纳米，且传输光9为准直光，通过棱镜耦合方式由自由空间耦合进入芯层1内，首先，未对电极层6和均匀导电层ITO4通电，在无电场驱动的情况，传输光9在光波导内沿直线传播。再对电极层6和均匀导电层ITO4通电，在对光波导施加电场后，芯层1产生光栅8，沿直线传播的传输光9遇到光栅8后发生衍射，形成衍射光10。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种光波导内构建衍射光学元件的方法，其特征在于，在光波导中至少有一层材料具有场致折射率变化特性，通过能量场驱动光波导，能量场的截面形状为能够产生光调制的图案，使该层材料被图案覆盖部分和未被图案覆盖部分形成至少两种不同折射率分布，使光波导的芯层内形成与图案对应的衍射光学元件，通过衍射光学元件对光波导内的光进行调控。
2.如权利要求1所述的光波导内构建衍射光学元件的方法，其特征在于，具有场致折射率变化特性的材料采用液晶、铌酸锂或硅。
3.如权利要求1所述的光波导内构建衍射光学元件的方法，其特征在于，能量场为磁场、电场或热场。
4.如权利要求1所述的光波导内构建衍射光学元件的方法，其特征在于，能量场的截面形状由多个三角形、圆形或任意四边形拼接构成。
5.一种光波导，其特征在于，由下至上依次包括衬底层、芯层和包层，其中至少有一层的材料具有场致折射率变化特性；
还包括导电层和电极层，电极层上刻蚀有用于产生光调制的图案，导电层和电极层之间形成图案化电场；
在图案化电场作用下，具有场致折射率变化特性的材料被图案化电场覆盖部分和未被图案化电场覆盖部分形成两种不同折射率分布，光波导的芯层内形成与图案对应的衍射光学元件。
6.如权利要求5所述的光波导内构建衍射光学元件的方法，其特征在于，包层的材料为液晶，在电场作用下使液晶分子的长轴沿电场方向排布，改变其对光折射率。
7.如权利要求5所述的光波导内构建衍射光学元件的方法，其特征在于，图案化的电极层为闪耀光栅的形状，闪耀光栅的形状由多个直角三角形拼接构成。
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