[發明專利]一種焦距大幅可調的光子晶體透鏡及其設計方法

有效

• 申請號: 201710011883.X
• 申請日: 2017-01-08
• 公開（公告）號: CN106842371B
• 公開（公告）日: 2019-05-31
• 發明（設計）人: 蔣尋涯;高勝;竇宇身;李裘粹
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02B27/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于光電子、光通信等技術領域。具體為一種焦距大幅可調的光子晶體透鏡及其設計方法。本發明設計方法包括：初步選定光子晶體材料和結構，獲得等頻圖，找到頻率敏感自準直區域；針對實際需要工作頻率區間和入射角范圍，確定工作相空間；對光子晶體進行結構參數和材料參數優化設計，使得等頻線曲率對光子晶體材料折射率的敏感度盡可能大，同時避免在工作相空間內出現等頻線簡并；根據所選材料特性，選擇合適的方式，改變光子晶體組成材料的折射率，進而改變光束聚焦點或虛焦點的位置。在相同條件下，本方案所需折射率的變化比塊體材料或普通光子晶體要小多個數量級，易于實現。本設計集成性好，能應用于光束調焦、光束寬度控制、敏感探測等領域。

技術領域

本發明屬于光電子、光通信等技術領域。具體涉及一種焦距大幅可調的光子晶體透鏡及其設計方法。

背景技術

光子晶體是折射率在空間周期性變化的介質材料，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注。特別是在光通信技術領域，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，可調光子晶體透鏡及其應用成為了業界關注的熱點，因為光學微透鏡是光波整形、光探測等領域中的核心器件之一。光子晶體可調透鏡通過改變外界條件，使單色小尺寸光束在光子晶體內部的會聚點連續變化。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制的方法。現有文獻公開了一種光子晶體可調透鏡。它利用MEMS技術制作微動裝置來改變光子晶體的晶格常數以達到改變光子晶體特性的目的。這種光子晶體可調透鏡不可避免地存在制作工藝復雜、穩定性差等問題，不利于器件在集成光路中的應用。

通過降低晶格對稱性，調節范霍夫奇異點的位置，使得低群速度區域與自準直區域重合，可以實現頻率敏感的自準直現象。我們發現在這類結構中，光束行為也是對折射率敏感的，而且在自準直頻率兩側，光子晶體天然地能夠充當凹透鏡和凸透鏡。基于此結構設計新型光子晶體可調透鏡，可以有效的解決之前的問題。

發明內容

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

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

步驟1、選定介質材料，確定光子晶體結構類型和結構參數，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域；

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

步驟3、對光子晶體進行結構參數和材料參數優化設計，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出現“等頻線簡并”；

步驟4、根據所選材料特性，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。

本發明中，步驟1的操作可參見已有技術“支持高頻率敏感度自準直現象的光子晶體及設計方法和應用. 申請號：201310625054.2. 申請日期: 2013-11-27. (發明專利,PCT國際專利申請號： PCT/CN2014/074280）”。

本發明中，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的等入射角線以及光束寬度來確定。