[發明專利]面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法

有效

• 申請號: 202111168677.2
• 申請日: 2021-10-08
• 公開（公告）號: CN113589524B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 吳之旭;唐榮欣;夏勇;王玉暤;趙建波;湯文超;鄧輝
• 申請（專利權）人: 南昌大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B19/00;G02B6/124
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 王煥巧

本發明公開了面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，其通過全息光柵對入射光進行聚光與偏轉，通過光波導對全息光柵衍射光進行光路折疊；該方法步驟包括：S1依據平面聚光系統要求，選擇全息光柵與可見光探測器之間的不同集成方式；S2設計全息光柵可見光匯聚偏轉初始系統；S3全息光柵光波導聚光系統設計；S4通過光線追跡求解全息光柵出射光線的傳播矢量與光柵周期常數；S5計算全息光柵的衍射效率；S6錄制全息光柵與測試。本發明通過低成本的全息光柵替代傳統的折射/反射式聚光功能，同時偏轉入射光線，實現與光波導的耦合；通過光波導反復折疊光路實現可見光通信聚光系統的超薄化設計；并提升探測器的使用效率。

技術領域

本發明屬于光學系統聚光技術領域，具體涉及面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法。

背景技術

可見光通信 (LiFi)是一種基于可見光的全網絡雙向無線解決方案，目前已被確定為未來6G的重要組成部分，預計到2030年LiFi市場規模將達到80億美元。可見光通信不僅可以為室內上網、車輛和水下通信等應用場景提供安全的高速連接，而且由于該技術是利用照明基礎設施來提供無線連接，因此可以同時兼顧低能源損耗與低成本的優勢。然而，可見光通信系統的容量容易受到鏈路阻塞和隨機接收方向的影響，從而導致抗干擾能力差及誤碼率較高：首先，可見光通信利用的是照明系統的基礎設施，該設施的首要功能是照明，因此光照強度必需處于用戶對于照明接受的范圍內；其次，如環境內存在相應的雜散光（如太陽光，手電筒等），會導致探測器接收到信號的信噪比很低，誤碼率高。

通過增加聚光系統，提升探測芯片接收的光照強度能有效的提升探測器的信噪比，降低誤碼率。當前可見光通信探測器的聚光系統主要有折射式聚光系統和反射式聚光系統。其中折射式系統利用常規透鏡、菲涅爾透鏡或者超表面系統將透鏡口徑范圍內的光照匯聚到探測芯片上；反射式系統通常利用球面或者非球面反射鏡，將照射在反射鏡上的光強匯聚到探測芯片上。這兩類探測聚光系統通常體積較大，難以與芯片形成平面集成化的設計；并且隨著匯聚面積的增大，聚光系統的三維尺寸也會快速增大。本發明提出了一種基于全息光柵和光波導的聚光系統，該系統能夠在超薄的平面中匯聚大面積的光強，非常易于與可將光探測芯片進行集成化設計；并且該系統能夠對探測器表面覆蓋波導層進行保護，有效提高探測的使用壽命；第三，該系統成本低。

發明內容

針對現有技術中的不足與難題，本發明旨在提供一種面向可見光通信的全息光柵光波導平面聚光系統。

面向LiFi通信的全息光柵光波導平面聚光系統的設計方法，平面聚光系統包括全息光柵、光波導、可見光探測器，全息光柵與可見光探測器集成于光波導上；其中，全息光柵是由兩束構造光束在感光材料薄膜上曝光再通過顯影形成的光柵，其對入射光進行聚光與偏轉；光波導對全息光柵衍射光進行光路折疊，光波導采用由玻璃、PMMA材質構成的平板光波導；全息光柵衍射光耦合進光波導時，耦合角度需要大于光波導的全反射角。

全息光柵的錄制系統由兩束構造光束組成，一束構造光束稱為參考光束，其入射方向垂直于感光材料；另一束構造光束稱為物光束，其入射方向與感光材料的夾角大于光波導的全反射角，入射光線具有光焦度。

所述設計方法的步驟包括：

S1、依據平面聚光系統要求，選擇全息光柵與可見光探測器之間的不同集成方案；

全息光柵與可見光探測器之間的不同集成方式通過全息光柵的形狀大小、及其與可見光探測器的空間位置關系而實現，集成方案包括三類：（1）可見光探測器位于光波導側面，平面全息光柵集成于平板光波導上；（2）平面全息光柵與可見光探測器位于平板光波導的同一平面；（3）環形全息光柵與可見光探測器位于平板光波導的同一平面，且可見光探測器位于環形全息光柵的圓心。

S2、設計全息光柵可見光匯聚偏轉初始系統；

根據步驟S1的集成方案中全息光柵的空間位置、聚光面積，并結合可見光探測器的空間位置，計算沒有光波導折疊光線的初始系統。