一種單向通光的器件、陣列及單向通光實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光親合、光波導(dǎo)、光子芯片、微制作和光學(xué)顯不等技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種單向通光的器件、陣列及單向通光實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在光子芯片及光子學(xué)器件中，光波是被用于傳播信息的載體，而光波導(dǎo)是使光波能按指定路徑傳播的器件。眾所周知，光波傳播具有可逆性，即光波可以從起點(diǎn)沿一條路徑傳播到某一個終點(diǎn)，也可以從該終點(diǎn)沿原路返回到達(dá)該起點(diǎn)。但是，在實(shí)際應(yīng)用中，我們有時(shí)需要光波只能沿某一個路徑傳播，而不需要光束能沿原路返回。例如，在光子芯片中，有時(shí)需要光束只能往前傳播，而不希望光波沿原路徑返回。雖然光學(xué)隔離器可以實(shí)現(xiàn)光束單向傳播的功能，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且難以集成到光子芯片中。再例如，在日常生活中，為了保證車內(nèi)或房間內(nèi)人員的隱私，需要一種從里面能夠向外面觀看卻不能從外面向里面觀看的單向通光窗玻璃。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種單向通光的器件、陣列及單向通光實(shí)現(xiàn)方法，該單向通光的器件、陣列具有良好的單向通光性能，結(jié)構(gòu)新穎。
[0004]發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0005]—種單向通光的器件，采用漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)，所述的漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的一端的孔面積為SI，另一端的孔面積為S2，且SI > S2，從一端到另一端孔面積依次減??；
[0006]漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)所包含的孔的橫截面為圓形、正方形或長方形；
[0007]比如，所述的通過孔為圓孔時(shí)，一端的直徑為D，另一端的直徑為山且D > d，從一端到另一端直徑依次減??；
[0008]漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的總長度為L，漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的寬度漸變角度為Θ ;
[0009]Θ需滿足Θ < cos若不考慮波導(dǎo)界面的反射，此時(shí)外界射入到波導(dǎo)的光能夠完全進(jìn)入波導(dǎo)；其中nl為漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)材料的折射率，n2為漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的包層或周圍介質(zhì)的折射率，且nl > n2。
[0010]漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)材料為硅，周圍介質(zhì)為二氧化硅。
[0011]漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的孔內(nèi)壁鍍有增反膜。
[0012]總長度L大于2微米。d是波導(dǎo)細(xì)端截面的直徑或?qū)挾?，L是波導(dǎo)的長度。D的大小選擇標(biāo)準(zhǔn)為波導(dǎo)能傳播單模光波的尺寸，如SOI硅基波導(dǎo)，其單模傳播的截面直徑為300nm。L為任意選擇量，其大小滿足制作要求，即一般設(shè)為單向通光膜或器件的厚度，一般選擇為2微米以上。
[0013]—種單向通光的陣列，采用多個前述的單向通光的器件同向平行布置組成M*N方形陣列；i^PN分別為行數(shù)和列數(shù)；所述的同向是指所有的單向通光的器件的漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的大開口端均位于同一側(cè)。
[0014]所述的陣列的載體為膜介質(zhì)或平板。
[0015]若為周圍介質(zhì)為透明的波導(dǎo)，相鄰兩個器件之間的間距為I微米至100微米，若波導(dǎo)周圍為鍍反射膜的類型，則相鄰兩個器件之間的間距為10納米至100微米，所述的間距是最近邊緣之間的距離。
[0016]間距是器件的中心線之間的距離或最近邊緣之間的距離。但為了方便，此處間距取為二者邊緣之間的距離，考慮相鄰波導(dǎo)之間的光耦合及受光面積的因素，若為周圍介質(zhì)為透明的波導(dǎo)，其尺寸范圍為I微米至100微米，若波導(dǎo)周圍為鍍反射膜的類型，則尺寸范圍為10納米至100微米。
[0017]一種單向通光實(shí)現(xiàn)方法，采用前述的單向通光的器件，通過該器件的漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)使得入射光在孔洞中全反射并向前傳輸，基于光束從兩端分別親合和出射時(shí)的光強(qiáng)之比為S1/S2[即有效面積之比，孔為圓形時(shí)，其比值為D2/d2或d2/D2]，從而實(shí)現(xiàn)單向通光的功能。
[0018]—種單向通光實(shí)現(xiàn)方法，采用前述的單向通光的陣列，通過該陣列包含的多個漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)使得入射光在孔洞中全反射并向前傳輸，基于光束從兩端分別耦合和出射時(shí)的光強(qiáng)之比為S1/S2，從而實(shí)現(xiàn)單向通光的功能。
[0019]本發(fā)明提出一種漏斗形光波導(dǎo)和漏斗形孔道的通光裝置，利用漏斗形光波導(dǎo)或漏斗形孔道的兩端對光波會聚或發(fā)散能力的不同，使光波從漏斗形通光裝置的兩端耦合進(jìn)入該器件的光能量密度不同，即一端耦合光能力較強(qiáng)，光強(qiáng)足夠大容易被光探測器所探測，另一端耦合光能力較弱，光強(qiáng)太低以致難以被光探測器探測，從而實(shí)現(xiàn)單向通光的功能。此夕卜，將漏斗形光波導(dǎo)或通光孔做成陣列，可以實(shí)現(xiàn)單側(cè)透明的防隱私薄膜或平板等裝置。
[0020]本發(fā)明提出了一種漏斗形的光耦合和光傳輸器件，由于該器件兩端的光耦合能力不同，進(jìn)入該器件的光能量大小也不同，而且，由于該器件的直徑或截面面積逐漸由大變小，光束從兩端分別耦合和出射時(shí)的光強(qiáng)之比差別顯著，從而實(shí)現(xiàn)單向通光的功能。漏斗形結(jié)構(gòu)的截面逐漸由大到小的變化可設(shè)計(jì)為線性變化，拋物線變化，階躍式變化，線性和階躍結(jié)合的變化，等；實(shí)例中選取的是直線漸進(jìn)變化，為了使波導(dǎo)更好地傳輸光波，需要優(yōu)化波導(dǎo)截面尺寸變化的規(guī)律，即可以選擇線性，拋物線型，或階躍式等，從而使波導(dǎo)內(nèi)光傳輸時(shí)在內(nèi)壁盡量減少光的折反射損失。
[0021]器件可以設(shè)計(jì)為漏斗形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，且光束在波導(dǎo)中全反射并向前傳輸，周圍介質(zhì)折射率比波導(dǎo)材料的折射率低；
[0022]器件可以設(shè)計(jì)為漏斗形通光孔結(jié)構(gòu)，即光束在孔洞中全反射并向前傳輸，周圍介質(zhì)折射率比孔洞材料的折射率高，但孔內(nèi)壁鍍增反膜，使光束在孔內(nèi)傳輸時(shí)能量損耗較低；
[0023]多個漏斗形器件可以組成陣列，實(shí)現(xiàn)單向通光的薄膜或平板等。陣列中相鄰漏斗形器件之間的距離設(shè)置為二者的平衡:即盡量降低相鄰器件之間的光耦合效應(yīng)，且盡量密集地排布漏斗形器件從而充分利用光能。薄膜端面中沒有放置漏斗形器件陣列的空白處可設(shè)置為不透光，以減少雜散光的影響。
[0024]有益效果:
[0025]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種單向通光的器件，利用漏斗形光波導(dǎo)兩端接收或耦合光能量的能力不同且光在傳輸過程中光場能量密度隨光波導(dǎo)截面積改變的原理，可以制成兩端出射光能量密度差異較大的單向通光裝置。理論計(jì)算和模擬仿真結(jié)果表明該漏斗形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有單向通光的功能。由多個單向通光的漏斗形波導(dǎo)組成的陣列結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)單向通光的薄膜或平板。本發(fā)明可用于光子芯片中的光束單向耦合，或利用多個漏斗形器件做成的陣列平板，用于隱形玻璃或其它單向通光需求的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0026]圖1為單向通光的漏斗形器件形狀示意圖；
[0027]圖2為漏斗形波導(dǎo)器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為模擬中使用的漏斗形波導(dǎo)示意圖；
[0029]圖4(a)漏斗形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4(b)光從寬端入射時(shí)，漏斗形波導(dǎo)光親合與光在波導(dǎo)中傳輸?shù)墓鈭龇植紙D，其中光強(qiáng)大小由右邊的灰度值表不;
[0031]圖5(a)漏斗形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖5(b)光從細(xì)端入射時(shí)，漏斗形波導(dǎo)光親合與傳輸?shù)墓鈭龇植紙D，其中光強(qiáng)大小由右邊的灰度值表示。
[0033]圖6多個漏斗形單向通光器件組成的陣列。其中(a)陣列中器件的寬端截面示意圖，(b)陣列中器件的細(xì)端截面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下將結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明:
[0035]實(shí)施例1:
[0036]單向通光器件由一個漏斗形光波導(dǎo)或通光筒組成，其橫截面結(jié)構(gòu)為矩形或圓形等。該器件的形狀示意圖如圖1所示。
[0037]當(dāng)光從漏斗形細(xì)端輸入時(shí)，只有極少一部分光能被耦合，且由于通光的截面逐漸變大，光能量密度逐漸變小，而當(dāng)光從漏斗形寬端輸入時(shí)，大部分光能被耦合進(jìn)入漏斗形波導(dǎo)并逐漸被壓縮，光能量密度變大。
[0038]假設(shè)漏斗形器件寬端的直徑為D，細(xì)端的直徑為d，若以均勻光束入射，二者能接收光的有效面積之比為D2/d2。若粗端與細(xì)端的寬度之比為D: d = 10: 1，則二者接收光能量的大小為100: I。當(dāng)光從漏斗形波導(dǎo)的細(xì)端耦合進(jìn)入時(shí)，光會在漏斗形波導(dǎo)中發(fā)散并傳播，當(dāng)光最終從寬端發(fā)出時(shí)，由于發(fā)射面積大大增加且假設(shè)光波導(dǎo)的能量損耗可忽略不計(jì)，即光在傳播過程中在每個截面的總的光能量不變，因此，相較于細(xì)端的光能量密度，在寬端的光能量密度將大大降低，二端由于耦合效率的差異造成的能量密度之比約為D2/d2，本例中為寬端與細(xì)端耦合光能量之比為100: 1反之，當(dāng)光從粗端耦合進(jìn)入時(shí)，寬端光能量利用率是細(xì)端的D2/d2，即100倍，并且當(dāng)光從粗端逐漸壓縮并從細(xì)端出射時(shí)，其能量密度為從細(xì)端耦合至寬端射出時(shí)的光能量密度的D4/d4，S卩10000倍。因此，當(dāng)使用漏斗形波導(dǎo)的細(xì)端親合光時(shí)，由于細(xì)端波導(dǎo)的模場面積小，導(dǎo)致只有極少部分的光能被親合進(jìn)入，且進(jìn)入漏斗形波導(dǎo)后逐漸擴(kuò)散，以致當(dāng)光從寬端最終出射時(shí)會由于光能量密度太低而難以被光電探測器或人眼探測到，此時(shí)可以認(rèn)為光無法從漏斗形波導(dǎo)細(xì)端進(jìn)入，即漏斗形波導(dǎo)此種情況下不通光。另一方面，當(dāng)光從外部光源發(fā)出被耦合進(jìn)