入漏斗形波導(dǎo)的寬端時(shí)，由于漏斗形波導(dǎo)的寬端截面積比細(xì)端的截面積大很多，因此，從光源發(fā)出的光都能夠更好地被漏斗形波導(dǎo)的細(xì)端所接收。而且，當(dāng)光從漏斗形波導(dǎo)的寬端向細(xì)端傳播時(shí)，由于漏斗形波導(dǎo)的截面不斷收窄，使傳播的光能量密度不斷增加，因此，當(dāng)光從細(xì)端發(fā)出時(shí)，由于能量密度較高，容易被光探測(cè)器探測(cè)。此時(shí)，光從漏斗形的寬端入射時(shí)，大部分的光能量能夠從細(xì)端出射，即漏斗形波導(dǎo)在此種情況下通光。為了保證光束在漏斗形波導(dǎo)中傳播時(shí)能量損失較小，需選用光吸收率較低的材料，并盡量減低光入射到漏斗形波導(dǎo)內(nèi)壁時(shí)的光透射或折射，后向反射等光損失。因此，在設(shè)計(jì)該漏斗形通光器件時(shí)，需保證光進(jìn)入單向通光器件后在內(nèi)壁發(fā)生全反射并向前傳播，類似于光波在光纖中的傳輸。
[0039]本發(fā)明設(shè)計(jì)的漏斗形通光器件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，設(shè)波導(dǎo)材料的折射率為nl,包層或周圍介質(zhì)的折射率為n2，且nl > n2。寬端的直徑為D，細(xì)端的直徑為d，長(zhǎng)度為L(zhǎng)。為簡(jiǎn)便器件，設(shè)寬度漸變的變化為線性，漏斗形器件的寬度漸變角度為9，COS0 = (D-d)/(2L)。細(xì)端截面寬度恰好能傳輸工作波長(zhǎng)的單模光波。此時(shí)，漏斗形波導(dǎo)的折射率需高于包層介質(zhì)的折射率，且為了滿足全反射條件，漏斗形波導(dǎo)的寬度漸變角度需滿足入射到漏斗形器件內(nèi)壁的光發(fā)生全反射，S卩Θ需滿足Θ < cos 1^M) ο以硅基光波導(dǎo)為例，nl =
3.46，n2 = 1.45，L = 3 μ m，可單模傳輸?shù)牟▽?dǎo)寬度為300nm，若細(xì)端為能單模傳輸?shù)牟▽?dǎo)寬度且相對(duì)于波導(dǎo)長(zhǎng)度可忽略不計(jì)，則寬端需設(shè)計(jì)為約DS 0.SL0需要指出的是，該通光器件也可以設(shè)計(jì)成內(nèi)部中空的通風(fēng)孔式結(jié)構(gòu)，即通光器件的內(nèi)壁為鍍膜的全反射材料，此時(shí)，孔內(nèi)的折射率小于孔外材料的折射率。該結(jié)構(gòu)的工作原理仍與前述的波導(dǎo)型通光器件類似。
[0040]為了驗(yàn)證本發(fā)明所設(shè)計(jì)的器件結(jié)構(gòu)的有效性，我們?nèi)砸怨杌▽?dǎo)為例模擬光束的傳播。在模擬中，器件結(jié)構(gòu)如圖3所示，nl = 3.46, n2 = 1.45, L = 3 μπι, D = 2 μπι, d =0.3μπι，λ = 1.55 μm，漏斗形波導(dǎo)的截面為大小逐漸線性變小的正方形。我們利用三維光束傳輸方法(Beam Propagat1n Method, BPM)模擬光束的親合及傳輸。
[0041]圖3中，細(xì)端截面尺寸為300nmx300nm，寬端為3umx3um，【可以選擇為圓形或方形，甚至長(zhǎng)方形，不一一示例?！块L(zhǎng)度為4um。波導(dǎo)材料為硅，周圍介質(zhì)為二氧化硅。
[0042]當(dāng)一束光照射到結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示的波導(dǎo)時(shí)，光從漏斗形的寬端入射，光被耦合進(jìn)入波導(dǎo)在其中傳輸并從細(xì)端出射。波導(dǎo)中沿光束傳播方向的光場(chǎng)分布如圖4(b)所示，其中橫坐標(biāo)表不沿波導(dǎo)截面的方向，縱坐標(biāo)表不沿光束傳播的方向。從圖4(b)可看出，光束被漏斗形波導(dǎo)的寬端耦合后，由于波導(dǎo)逐漸變細(xì)，光束逐漸被壓縮，到細(xì)端時(shí)光的強(qiáng)度已超出飽和狀態(tài)，呈現(xiàn)白色分布。光場(chǎng)強(qiáng)度由圖4(b)右側(cè)所不的灰度值條表不。光場(chǎng)傳播的分布說(shuō)明，從寬端進(jìn)入并從細(xì)端輸出的光的光強(qiáng)被放大，因此，出射光容易被光探測(cè)器探測(cè)。
[0043]當(dāng)一束光照射到結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示的波導(dǎo)時(shí)，光從漏斗形的細(xì)端入射，光被耦合進(jìn)入波導(dǎo)在其中傳輸并從寬端出射。波導(dǎo)中沿光束傳播方向的光場(chǎng)分布如圖5(b)所示，其中橫坐標(biāo)表不沿波導(dǎo)截面的方向，縱坐標(biāo)表不沿光束傳播的方向。從圖5(b)可看出，光束被漏斗形波導(dǎo)的細(xì)端耦合后，只有很少的光進(jìn)入波導(dǎo)，并且，由于波導(dǎo)逐漸變寬，光束形狀逐漸發(fā)散，以致到寬端時(shí)光的強(qiáng)度已很低，呈現(xiàn)灰黑色分布，即光強(qiáng)接近于零。光場(chǎng)強(qiáng)度仍由圖5(b)右側(cè)所示的灰度值表示。此時(shí)，光場(chǎng)傳播的分布說(shuō)明，從細(xì)端進(jìn)入并從寬端輸出的光的光強(qiáng)較小且被分散，因此，出射光強(qiáng)度很低可能難以被光探測(cè)器探測(cè)。
[0044]基于上述單個(gè)器件的單向通光的功能，可以利用多個(gè)漏斗形器件組成的陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)單向透光的薄膜。薄膜的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中圖6(a)表示漏斗形器件陣列的寬端截面圖，圖6(b)表示漏斗形器件陣列的細(xì)端截面圖。每一個(gè)圓點(diǎn)表示一個(gè)漏斗形波導(dǎo)的截面，圓點(diǎn)周圍為不透光的材質(zhì)或結(jié)構(gòu)組成，單個(gè)漏斗形器件的大小和材料結(jié)構(gòu)的選擇類似于上述仿真的參數(shù)或起相同作用。當(dāng)我們從薄膜的寬端即圖6 (a)看過(guò)去時(shí)，由于光是從薄膜的寬端一側(cè)被耦合并被細(xì)端收縮，因此，進(jìn)入人眼的光能量很高容易被人眼看到，而當(dāng)我們從薄膜的細(xì)端即圖6(b)看過(guò)去時(shí)，由于光是從薄膜的細(xì)端一側(cè)被耦合并被寬端分散，因此，進(jìn)入人眼的光能量較低而難以被人眼看到，從而實(shí)現(xiàn)單向透光的功能。類似地，薄膜中單個(gè)漏斗形波導(dǎo)也可以設(shè)計(jì)為中空的漏斗形通光孔結(jié)構(gòu)，且孔的內(nèi)壁是反射光的，可同樣實(shí)現(xiàn)單向通光的功能。
[0045]在實(shí)際的使用中，設(shè)計(jì)需考慮的兩個(gè)因素為，一是單向通光薄膜陣列中漏斗形器件之間發(fā)生的光耦合應(yīng)盡可能低，如要求光耦合低于5%，則任意兩個(gè)相鄰器件之間的橫向距離應(yīng)盡可能大，二是為了充分利用外界入射到薄膜上的光，則單向通光器件陣列中器件的排布應(yīng)盡可能密集。為了平衡這二點(diǎn)，我們可以根據(jù)實(shí)際制作條件選取合適的參數(shù)，例如，取兩個(gè)相鄰器件之間的距離為2um。
[0046]在制作薄膜時(shí)，我們可以利用光刻的方法將設(shè)計(jì)的圓形陣列圖案轉(zhuǎn)移到薄膜上，并利用蝕刻工藝刻出漏斗形孔洞，然后利用鍍膜工藝將孔洞填滿或鍍上反射膜，最終形成如圖6所示的薄膜結(jié)構(gòu)。
[0047]綜上所述，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種單向通光的漏斗形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，利用波導(dǎo)兩端的橫截面大小不同，造成耦合和傳輸光束能力的不同，從而實(shí)現(xiàn)光束能量集中或分散的效果，即容易或難于被探測(cè)器探測(cè)，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?；诖耍覀冞€提出了由單向通光的漏斗形波導(dǎo)組成的陣列，可實(shí)現(xiàn)單向通光的薄膜。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種單向通光的器件，其特征在于，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??； 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(zhǎng)方形； 漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的總長(zhǎng)度為L(zhǎng)，漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的寬度漸變角度為Θ ; Θ需滿足Θ < cos 1^M);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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向通光的器件，其特征在于，漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)材料為娃，周圍介質(zhì)為二氧化娃。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單向通光的器件，其特征在于，漏斗形波導(dǎo)通光孔結(jié)構(gòu)的孔內(nèi)壁鍍有增反膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的單向通光的器件，其特征在于，總長(zhǎng)度L大于2微米。5.一種單向通光的陣列，其特征在于，采用多個(gè)如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所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(kāi)口端均位于同一側(cè)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單向通光的陣列，其特征在于，所述的陣列的載體為膜介質(zhì)或平板。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單向通光的陣列，其特征在于，若為周圍介質(zhì)為透明的波導(dǎo)，相鄰兩個(gè)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(gè)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。8.—種單向通光實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的單向通光的器件，通過(guò)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。9.一種單向通光實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求5所述的單向通光的陣列，通過(guò)該陣列包含的多個(gè)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。10.一種單向通光實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求6或7所述的單向通光的陣列，通過(guò)該陣列包含的多個(gè)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。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單向通光的器件、陣列及單向通光實(shí)現(xiàn)方法，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(guò)程中光場(chǎng)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(gè)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(gè)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。
【IPC分類】G02B6/122
【公開(kāi)號(hào)】CN105068185
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510510484
【發(fā)明人】陶少華
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年8月19日