本發(fā)明屬于光電子、光通信等技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種焦距大幅可調(diào)的光子晶體透鏡及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

光子晶體是折射率在空間周期性變化的介質(zhì)材料，它能夠有效地控制光子的傳播行為。自E.Yablonovitch和S.John在二十年前提出這一概念以來，人們就對光子晶體的應用給予廣泛關(guān)注。特別是在光通信技術(shù)領(lǐng)域，光子晶體光纖、微諧振腔激光器、濾波器、集成光路等光子晶體器件有著廣闊的應用前景。半導體材料微細加工技術(shù)的不斷提高大大地推動了二維甚至三維光子晶體器件在實際中的應用步伐。近年來，可調(diào)光子晶體透鏡及其應用成為了業(yè)界關(guān)注的熱點，因為光學微透鏡是光波整形、光探測等領(lǐng)域中的核心器件之一。光子晶體可調(diào)透鏡通過改變外界條件，使單色小尺寸光束在光子晶體內(nèi)部的會聚點連續(xù)變化。它的特點一方面是體積小易于集成，而另一方面它提供了一種直接的小尺寸光束波前調(diào)制的方法?，F(xiàn)有文獻公開了一種光子晶體可調(diào)透鏡。它利用MEMS技術(shù)制作微動裝置來改變光子晶體的晶格常數(shù)以達到改變光子晶體特性的目的。這種光子晶體可調(diào)透鏡不可避免地存在制作工藝復雜、穩(wěn)定性差等問題，不利于器件在集成光路中的應用。

通過降低晶格對稱性，調(diào)節(jié)范霍夫奇異點的位置，使得低群速度區(qū)域與自準直區(qū)域重合，可以實現(xiàn)頻率敏感的自準直現(xiàn)象。我們發(fā)現(xiàn)在這類結(jié)構(gòu)中，光束行為也是對折射率敏感的，而且在自準直頻率兩側(cè)，光子晶體天然地能夠充當凹透鏡和凸透鏡?；诖私Y(jié)構(gòu)設(shè)計新型光子晶體可調(diào)透鏡，可以有效的解決之前的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種焦距大幅可調(diào)的光子晶體透鏡及其設(shè)計方法，使該光子晶體透鏡具有制作簡單、工作條件易于達到、面積小巧等優(yōu)點。

本發(fā)明提供的焦距大幅可調(diào)的光子晶體透鏡的設(shè)計方法，是一種基于頻率敏感自準直效應的衍射調(diào)控的設(shè)計方法，具體步驟如下：

步驟1、選定介質(zhì)材料，確定光子晶體結(jié)構(gòu)類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得該光子晶體的等頻圖，在等頻圖中尋找頻率敏感的自準直區(qū)域；

步驟2、針對實際需要工作頻率區(qū)間和入射角范圍，確定工作“相空間”，即頻率空間和波矢空間的范圍；

步驟3、對光子晶體進行結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，使得等頻線曲率對光子晶體材料（某種或多種）折射率的敏感度盡可能大，同時避免在工作相空間內(nèi)出現(xiàn)“等頻線簡并”；

步驟4、根據(jù)所選材料特性，選擇合適的方式，比如電光、熱光、非線性或其他物理效應，使一種或多種光子晶體組成材料的折射率改變，進而改變光束聚焦點或虛焦點的位置。

本發(fā)明中，步驟1的操作可參見已有技術(shù)“支持高頻率敏感度自準直現(xiàn)象的光子晶體及設(shè)計方法和應用. 申請?zhí)枺?01310625054.2. 申請日期: 2013-11-27. (發(fā)明專利,PCT國際專利申請?zhí)枺?PCT/CN2014/074280）”。

本發(fā)明中，步驟2中所述的工作頻率范圍包括所有電磁波波段,如可見光波段、紅外波段、太赫茲波段和微波段等；

所述的入射角范圍包括正入射情況，也包括斜入射情況；

所述的波矢空間的范圍是通過布里淵區(qū)的等入射角線以及光束寬度來確定。

本發(fā)明中，步驟3中所述的光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括但不限于晶格類型、晶格常數(shù)、填充比、單原胞內(nèi)的結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)等；

所述的光子晶體的材料參數(shù)包括但不限于光子晶體各個組成材料的介電常數(shù)、磁導率常數(shù)和折射率等；

所述的光子晶體的晶格類型，可以是二維、三維或?qū)訝顪识S周期結(jié)構(gòu)，包括但不限于正方晶格、長方晶格、三角晶格、密堆、金剛石等晶格結(jié)構(gòu)；

所述的等頻線曲率對折射率的敏感度，是指等頻線曲率對光子晶體材料（某種或多種）折射率的導數(shù)，它可以用理論計算的方法得到，也可以用實驗的方法得到；所述的“等頻線簡并”是指不同的等頻線具有相同的頻率，這個簡并包括同一能帶的簡并，也包括不同能帶的簡并；

所述的優(yōu)化后的自準直等頻線曲率對折射率的敏感度，一般需要大于30（為光束真空波長），大約是塊體材料的300倍以上，可易實現(xiàn)焦距可調(diào)。

本發(fā)明設(shè)計方法設(shè)計得到的光子晶體透鏡的焦距大幅可調(diào)，當折射率變化0.2%時，焦距可以增大一個數(shù)量級，并且制作簡單、工作條件易于達到、面積小巧。這種焦距高度可調(diào)的光子晶體透鏡能廣泛應用于能應用于光束調(diào)焦、光束寬度控制、敏感探測等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1選定光子晶體結(jié)構(gòu)等頻圖。

圖2微調(diào)折射率控制焦距的數(shù)值實驗結(jié)果的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3微調(diào)折射率控制焦距的數(shù)值實驗結(jié)果圖。（a）-（c）對應的微調(diào)后的Ge的折射率分別為n₁=3.988，n₂=3.992，n₃=3.996。

具體實施方式

下面通過一個具體實施例來說明本發(fā)明的光子晶體超棱鏡的設(shè)計方法，

1、選定光子晶體材料，確定材料折射率，選擇光子晶體結(jié)構(gòu)類型，確定結(jié)構(gòu)參數(shù)：本發(fā)明具體實施例中選用材料Ge，折射率為 n=4.0，這種材料的制備技術(shù)成熟。由這種介質(zhì)柱構(gòu)造光子晶體是由多個介質(zhì)柱組成的長方晶格結(jié)構(gòu)，介質(zhì)柱的半徑為r=0.27a，這里a是晶格周期，長寬比為1.2。并利用平面波展開法計算該結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，選擇第二個能帶并計算該能帶的等頻圖，圖1為計算結(jié)果。

2、選定實際需要工作頻率區(qū)間和入射角范圍，確定工作“相空間”，即頻率空間和波矢空間的范圍：選定工作波長為1.55μm，是目前廣泛應用光通信波段，晶格周期a=564nm，采用正入射方案，光束寬度為15a，縱向波矢k_y限定在，橫向波矢由工作波長確定。

3、計算該光子晶體的等頻線曲率對折射率的敏感度，判斷敏感度是否足夠大以及自準直頻率是否存在簡并；若敏感度不夠大或存在簡并，則繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)。此設(shè)計結(jié)構(gòu)計算所得的等頻線曲率對折射率的敏感度為1200 （為光束真空波長），約為塊體材料的10000倍。

4、選定光子晶體尺寸以及工作波長后，通過熱光效應微調(diào)Ge的折射率，光入射到光子晶體內(nèi)部會產(chǎn)生不同的衍射特性。圖3(a)-(c)對應的微調(diào)后的Ge的折射率分別為n₁=3.988，n₂=3.992，n₃=3.996。它們的會聚點位置有顯著差別，從而說明此種光子晶體透鏡的焦距高度可調(diào)。這種焦距高度可調(diào)的光子晶體透鏡能廣泛應用于能應用于光束調(diào)焦、光束寬度控制、敏感探測等領(lǐng)域。