可編程控制的液晶光子晶體光功能器件及光路設(shè)置方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，是由玻璃襯底、光子晶體、液晶、取向?qū)雍碗姌O組成。光子晶體制備在玻璃襯底上，在光子晶體上填充液晶。本發(fā)明同時提供了該功能器件的光路設(shè)置方法。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過改變電壓的位置，可以得到不同邏輯結(jié)構(gòu)的光路結(jié)構(gòu)，從而得到不同形狀的器件結(jié)構(gòu)。另外，由電路芯片控制光路改變，輸出端位置發(fā)生改變，出射光的位置隨輸出端位置改變而發(fā)生改變，吸附于輸出端的顆粒也隨出射光移動，從而精確地控制顆粒的路徑和輸出端口。
【專利說明】可編程控制的液晶光子晶體光功能器件及光路設(shè)置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于集成光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，本發(fā)明同時公開了該光功能器件的光路設(shè)置方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光子晶體的研究始于上世紀(jì)80年代末期。雖然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶體的概念，但直到1989年,Yablonovitch和Gmitter首次在實驗上證實三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在，物理界才開始大舉投入這方面的理論研究。
[0003]光子晶體是一種折射率周期性變化的介質(zhì)結(jié)構(gòu)，它對光子具有類似于電子帶隙的光子帶隙結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)對光子具有局域性。也就是對于那些頻率處于光子晶體禁帶范圍內(nèi)的光無法在光子晶體中傳播。但如果在光子晶體中引入缺陷，那些處于光子晶體禁帶中的光就可以沿著這個線缺陷來傳輸?？梢?，光子晶體對光具有控制能力，由于光子晶體器件表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的光學(xué)器件尺寸更小，性能更好的特征，因此，利用這些特征可以設(shè)計一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件。
[0004]為了調(diào)節(jié)光子晶體的帶隙結(jié)構(gòu)，可以在光子晶體中填充功能材料。液晶具有非常大的光學(xué)各向異性以及它對外部環(huán)境的變化非常敏感，其優(yōu)勢在于利用液晶制作的器件尺寸小、耗費功率小、容易集成、調(diào)制電壓低。通過改變填充在光子晶體中液晶指向矢的旋轉(zhuǎn)角，可以實現(xiàn)對光子晶體的帶隙調(diào)節(jié)。外部溫度、電場、或光折射都可以改變功能材料的折射率，所以填充功能材料的光子晶體波導(dǎo)的光學(xué)特性就可以在這些外部條件的控制下加以調(diào)制。在未加電壓的時候，液晶無序排列，此時，一定頻率的入射光從光子晶體的輸入端口入射時將被反射，無法形成光路。在特定電極施加電壓，液晶隨電場分布排列順序發(fā)生改變，造成液晶層的折射率發(fā)生改變，在電極上加載電壓時，光子晶體對入射光透射，入射光將沿施加電壓的電極傳播形成光路，從輸出端出射。出射端附近的顆粒受到出射光的作用力，移動至出射端。由電路芯片控制光路改變，輸出端位置發(fā)生改變，出射光的位置隨輸出端位置改變而發(fā)生改變，吸附于輸出端的顆粒也隨出射光移動。
[0005]通過邏輯電路對光路的控制，可以準(zhǔn)確的、無損傷的操縱幾十納米到幾十微米大小的顆粒，這種非機(jī)械性的操控對操縱微粒的周圍環(huán)境影響很小，這些特點使得它在物理、生物和化學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如在納米生物學(xué)領(lǐng)域，其實驗手段首先要能按照我們的愿望操縱和排布分子，又不造成損傷和對它周圍環(huán)境的干擾，從而可以跟蹤觀察它們在真實生命活動中的基本過程。光功能器件對顆粒的操縱技術(shù)恰恰在這一點上具有重要優(yōu)勢，這個方法對深入研究和操縱基因組、蛋白質(zhì)乃至納米生物傳感器等生物系統(tǒng)都是十分重要的。
[0006]目前，器件正向高速度、低功耗、多功能的方向發(fā)展，這對集成電路的要求越來越高，傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計技術(shù)已無法滿足這些要求。用可編程邏輯器件取代傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)集成電路、接口電路和專用集成電路已成為技術(shù)發(fā)展的趨勢。通過可編程邏輯電路來調(diào)制電場的分布以改變液晶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)光路可調(diào)。于是只需要通過調(diào)制編程的邏輯電路就可以得到我們所需的光學(xué)功能器件，繞過了定制集成電路的復(fù)雜環(huán)節(jié)，提高了設(shè)計和實用的靈活性。而且其可重編程的靈活能力提供了將同一芯片用到不同應(yīng)用中去的機(jī)會，對多功能光學(xué)器件的發(fā)展具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題:本發(fā)明提出一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，其采用光路制備工藝是在液晶光子晶體的電極上制備光路結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整加載電壓的位置，可以形成不同邏輯結(jié)構(gòu)的光路結(jié)構(gòu)，具有形狀隨意可調(diào)的優(yōu)點。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明提出的一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，由玻璃襯底、透明導(dǎo)電電極、光子晶體、液晶、取向?qū)?、電極、透明導(dǎo)電電極和玻璃層組成，光子晶體制備在玻璃襯底上，液晶封裝于光子晶體之上組成折射率可調(diào)的器件結(jié)構(gòu)。
[0009]光子晶體的晶格尺度為300-500納米，液晶的分子尺寸為30-90納米。
[0010]一種光功能器件的光路設(shè)置方法，包括如下步驟:
1)在光子晶體陣列上選擇彼此連續(xù)的光子晶體單元完成光路樣式；
2)在選擇的光子晶體單元施加電流，光子單元得電，透射率增加；
3)在入射端施以光源，入射光從指定輸出端出射。
[0011]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點:
1、通過調(diào)制加載在電極上的電壓，液晶分子的取向發(fā)生改變，使其折射率和介電常數(shù)隨之發(fā)生變化，進(jìn)而對液晶光子晶體光功能器件起到調(diào)制的作用。
[0012]2、通過調(diào)整電極上加載電壓的位置，可以得到不同形狀的光路結(jié)構(gòu)，進(jìn)而制得了如圖3所示的六種不同形狀的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，而且還可以根據(jù)需要，制備任意形狀的光功能器件結(jié)構(gòu)。
[0013]3、將液晶光子晶體光功能器件置于液體中，在電極上加載電壓時，光子晶體對入射光透射，側(cè)面入射的光將沿施加電壓的電極傳播形成光路，從輸出端出射。出射端附近的顆粒受到出射光壓的作用，移動至出射端。由電路芯片控制光路改變，輸出端位置發(fā)生改變，出射光的位置隨輸出端位置改變而發(fā)生改變，吸附于輸出端的顆粒也隨出射光移動，從而精確地控制顆粒的路徑和輸出端口。
[0014]4、尺寸在幾十納米至幾十微米之間的微粒能夠被準(zhǔn)確的、無損傷的捕獲和移動，從而實現(xiàn)了按照我們的愿望操縱和排布微粒，而且這種非機(jī)械性的操縱對捕獲微粒的周圍環(huán)境影響很小。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是可編程控制的液晶光子晶體光功能器件示意圖。
[0016]圖2是可編程控制的液晶光子晶體光功能器件電極上矩陣尋址電路示意圖。
[0017]圖3是可編程控制的液晶光子晶體光功能器件不同形狀的器件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4是可編程控制的液晶光子晶體光功能器件光壓效應(yīng)結(jié)果示意圖。
[0019]其中有:玻璃1、透明導(dǎo)電電極2、光子晶體3、液晶4、取向?qū)?、電極6。
【具體實施方式】[0020]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述:
本發(fā)明所提出的一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從結(jié)構(gòu)上看，該光功能器件由玻璃1、透明導(dǎo)電電極2、光子晶體3、液晶4、取向?qū)?和電極6構(gòu)成，光子晶體3制備在具有透明導(dǎo)電電極的玻璃襯底之上，液晶封裝在光子晶體之上，接著覆蓋取向?qū)?和蒸鍍電極6，其特征在于:光路制備在液晶光子晶體的電極上，光子晶體制備在帶有透明導(dǎo)電電極的玻璃襯底上，液晶封裝于光子晶體之上，上面依次覆蓋取向?qū)雍驼翦冸姌O，通過調(diào)整電極上加載電壓的位置，形成不同邏輯結(jié)構(gòu)的光路，從而得到不同形狀的光器件結(jié)構(gòu)，最后制得一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件。
[0021 ] 通過調(diào)制電極上加載電壓的位置，改變填充在光子晶體中液晶指向矢的旋轉(zhuǎn)角，使填充在光子晶體中的液晶材料的折射率發(fā)生變化，從而改變光子晶體的周期性介電分布，使光子帶隙的位置和寬度發(fā)生變化。對邏輯電路進(jìn)行編輯程序就可以控制光在光子晶體中的傳播路徑，各種光功能器件就能夠用編程好的芯片進(jìn)行控制，就制得了一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件。
[0022]本發(fā)明所提出的一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，將其置于液體中，改變填充在光子晶體中液晶指向矢的旋轉(zhuǎn)角，使填充在光子晶體中的液晶材料的折射率發(fā)生變化，從而改變光子晶體的周期性介電分布，使光子帶隙的位置和寬度發(fā)生變化。對邏輯電路進(jìn)行編輯程序就可以控制光在光子晶體中的傳播路徑，入射光將沿著編程好的光路進(jìn)行傳播，從指定輸出端出射。選擇尺寸大小在幾十納米到幾十微米的球型顆粒，出射端附近的顆粒受到出射光壓的作用，移動至出射端。這種顆粒尺寸在幾十納米至幾十微米之間的微粒能夠被準(zhǔn)確的、無損傷的捕獲，從而實現(xiàn)了按照我們的愿望操縱和排布微粒，而且這種非機(jī)械性的操縱對捕獲微粒的周圍環(huán)境影響很小。
[0023]對可編程控制的液晶光子晶體光功能器件的流程說明具體如下:
(1)采用矩陣尋址的方法制備電極，以加載電壓的形式設(shè)計所需的路徑存儲于芯片；
(2)由于電極上加載了電壓，使得填充在光子晶體中的液晶指向矢的旋轉(zhuǎn)角發(fā)生改
變；
(3)填充在光子晶體中的液晶材料的折射率，隨著液晶指向矢旋轉(zhuǎn)角的變化而發(fā)生變
化；
(4)填充在光子晶體中的液晶材料折射率的變化，將導(dǎo)致光子晶體的周期性介電分布發(fā)生改變，使光子帶隙的位置和寬度發(fā)生變化；
(5)對邏輯電路進(jìn)行編輯程序就可以控制光在光子晶體中的傳播路徑，各種光功能器件就能夠用編程好的芯片進(jìn)行控制，就制得了一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件。
【權(quán)利要求】
1.一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，其特征在于:由若干組成陣列，每個光子晶體單元自下而上分別由玻璃襯底(I)、第一透明導(dǎo)電電極(2)、光子晶體(3)、液晶(4)、取向?qū)?5)、電極層(6)、第二透明導(dǎo)電電極(7)和玻璃層(8)組成，光子晶體制備在玻璃襯底上，液晶(4)填充于光子晶體(3)之中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，其特征在于:光子晶體的晶格尺度為300-500納米，液晶的分子尺寸為30-90納米。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述光功能器件的光路設(shè)置方法，其特征在于:包括如下步驟: 1)在光子晶體陣列上選擇彼此連續(xù)的光子晶體單元完成光路樣式； 2)在選擇的光子晶體單元施加電流，光子單元得電，透射率增加； 3)在入射端施以光源，入射光從指定輸出端出射。
【文檔編號】G02F1/13GK103513455SQ201310468383
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】張彤, 李若舟, 張宇寧, 單鋒 申請人:東南大學(xué)