[發明專利]可編程控制的液晶光子晶體光功能器件及光路設置方法

有效

• 申請號: 201310468383.0
• 申請日: 2013-10-09
• 公開（公告）號: CN103513455B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發明（設計）人: 張彤;李若舟;張宇寧;單鋒
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02F1/13
• 分類號: G02F1/13;G02F1/1333
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于集成光學技術領域，特別涉及一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件，本發明同時公開了該光功能器件的光路設置方法。

背景技術

光子晶體的研究始于上世紀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構的存在，物理界才開始大舉投入這方面的理論研究。

光子晶體是一種折射率周期性變化的介質結構，它對光子具有類似于電子帶隙的光子帶隙結構，這樣的結構對光子具有局域性。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。可見，光子晶體對光具有控制能力，由于光子晶體器件表現出比傳統的光學器件尺寸更小，性能更好的特征，因此，利用這些特征可以設計一種可編程控制的液晶光子晶體光功能器件。

為了調節光子晶體的帶隙結構，可以在光子晶體中填充功能材料。液晶具有非常大的光學各向異性以及它對外部環境的變化非常敏感，其優勢在于利用液晶制作的器件尺寸小、耗費功率小、容易集成、調制電壓低。通過改變填充在光子晶體中液晶指向矢的旋轉角，可以實現對光子晶體的帶隙調節。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的光學特性就可以在這些外部條件的控制下加以調制。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生改變，造成液晶層的折射率發生改變，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，輸出端位置發生改變，出射光的位置隨輸出端位置改變而發生改變，吸附于輸出端的顆粒也隨出射光移動。

通過邏輯電路對光路的控制，可以準確的、無損傷的操縱幾十納米到幾十微米大小的顆粒，這種非機械性的操控對操縱微粒的周圍環境影響很小，這些特點使得它在物理、生物和化學領域得到了廣泛的應用。例如在納米生物學領域，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恰恰在這一點上具有重要優勢，這個方法對深入研究和操縱基因組、蛋白質乃至納米生物傳感器等生物系統都是十分重要的。

目前，器件正向高速度、低功耗、多功能的方向發展，這對集成電路的要求越來越高，傳統的集成電路設計技術已無法滿足這些要求。用可編程邏輯器件取代傳統的標準集成電路、接口電路和專用集成電路已成為技術發展的趨勢。通過可編程邏輯電路來調制電場的分布以改變液晶的結構參數，進而實現光路可調。于是只需要通過調制編程的邏輯電路就可以得到我們所需的光學功能器件，繞過了定制集成電路的復雜環節，提高了設計和實用的靈活性。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用中去的機會，對多功能光學器件的發展具有重要意義。

發明內容

技術問題：本發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構，通過調整加載電壓的位置，可以形成不同邏輯結構的光路結構,?具有形狀隨意可調的優點。

技術方案：本發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、透明導電電極、光子晶體、液晶、取向層、電極、透明導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的器件結構。

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。

一種光功能器件的光路設置方法，包括如下步驟：

1）在光子晶體陣列上選擇彼此連續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。

有益效果：本發明與現有的技術相比具有以下的優點：

1、通過調制加載在電極上的電壓，液晶分子的取向發生改變，使其折射率和介電常數隨之發生變化，進而對液晶光子晶體光功能器件起到調制的作用。

2、通過調整電極上加載電壓的位置，可以得到不同形狀的光路結構,進而制得了如圖3?所示的六種不同形狀的波導結構,而且還可以根據需要,制備任意形狀的光功能器件結構。