一种基于可调超材料的可编程波导
技术领域
本发明涉及一种可编程波导，具体涉及一种基于可调超材料的可编程波导，属于集成光学领域技术领域。
背景技术
在集成光学领域中，波导是连接各种功能组件的关键，它通过不同层之间折射率的差异实现全内反射来引导光的传播。在集成光学中引入可编程功能，可以提高系统的安全性和耐用性。目前，集成光电路中可编程功能主要是通过在传统的无源集成光电路中引入可切换的波导来实现的。
但是，传统硅光子学中的波导存在较大的插入损耗。虽然最近出现了利用液晶制作的可调波导器件，但是它们仍然存在着设备制造复杂、成本高以及传播过程中强度衰减严重等问题。
光在超材料中的米氏共振现象，可以使光在传播过程中相位发生改变，同时维持强度不变。可调超材料是在超材料外裹覆液晶，使其可以通过控制液晶的指向矢，进而调控米氏共振现象中，超材料对相位的调制作用。因此，基于可调超材料可以实现可编程波导，为集成光学的可编程功能的实现形式带来革新，并提供更高的传输性能。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种基于可调超材料的可编程波导，该技术方案提供一种基于可调超材料的米氏共振现象，实现对光相位的动态调控，进而实现高传输效率的可编程波导。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于可调超材料的可编程波导，所述波导包括波导层，所述波导层包括上基板、下基板、超材料层和液晶；所述超材料层位于底层基板上，由超原子构成；所述液晶填充于上下基板之间，并包裹超原子；所述波导可通过光驱动或电驱动等方式实现可编程功能。
所述超材料层通过米氏共振，对入射光的相位进行调制，使光在强度基本无衰减的同时，在其传播方向上相位呈现梯度变化，该相位变化梯度等效于光在相应折射率的介质中传播的相位梯度，即，假设光在波导中传播的距离L内，相位连续变化了Δφ，则光在该范围内的传播等效于在折射率为neff的介质中传播，等效折射率为：
其中λ0为光在真空中的波长。
进一步地，为实现所述可编程功能，需对波导中的液晶进行控制。控制液晶的外部驱动方式包括电驱动与光驱动等方式。
所述超材料层通过米氏散射，对入射光的相位进行调制，使光在其传播方向上相位呈现梯度变化，该相位变化梯度等效于光在相应折射率的介质中传播的相位梯度。
控制液晶的外部驱动方式为在上下基板加载阵列化的电压结构，实现液晶分子的可编程改变,所述电驱动方式中，所述波导的下基板由硅基的像素化液晶驱动电路构成；所述可编程功能的实现方式为：控制信号使像素化驱动电路在每个像素上施加设定的电压，在该像素上的液晶层中产生电场，电场控制液晶分子的指向矢方向发生改变；所述液晶分子的指向矢影响米氏共振对入射光的相位调制量，进而控制超材料层的等效折射率分布；等效折射率分布满足全内反射条件时，超材料层形成波导结构；通过任意改变控制信号，可实现任意的波导功能。在电驱动模式下，所述上基板可采用镜面反射金属材料；在所述光驱动模式下，所述上基板可采用ITO玻璃透明介质，所述下基板可采用镜面反射金属材料
控制液晶的外部驱动方式为利用矢量光改变上下基板液晶取向层，实现液晶分子的可编程改变,所述光驱动方式中，波导的上基板由ITO玻璃构成，上基板下涂有取向剂，所述取向剂分子方向可由驱动光的偏振方向控制；所述可编程功能的实现方式为：通过使像素化的具有设定偏振分布的驱动光照射取向剂，改变取向剂分子方向，取向剂分子方向控制液晶分子的指向矢方向发生改变；所述液晶分子的指向矢影响米氏共振对入射光的相位调制量，进而控制超材料层的等效折射率分布；等效折射率分布满足全内反射条件时，超材料层形成波导结构；通过任意改变所设定的驱动光的偏振分布，可实现任意的波导功能。
进一步地，所述超材料的超原子是折射率与液晶不同的纳米微结构。
进一步地，所述液晶分子的控制模式可以为ECB模式、VA模式和FFS模式等多种模式。
进一步地，所述超材料的超原子包括纳米柱和纳米球等多种几何结构。
进一步地，所述超材料的超原子可以为规则排布或随机排布等多种排布方式。
进一步地，为减少透射引起的能量泄漏，所述上下基板若无特殊要求，如电驱动模式中下基板使用硅基的像素化驱动电路，和光驱动模式中上基板使用的ITO玻璃，上下基板可采用全反射金属等材料以增加其反射能力。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，该技术方案在设计原理上采用了利用光的相位变化模拟相应的等效折射率的逆向设计，为光的传播设计提供了新的思路，并可提高波导芯层和包层间折射率之差，减少了能量的泄漏；在调制方式上采用米氏共振原理，具有更高的光传输效率及能量利用率，提升了传播距离；相比起目前的可编程波导，避免了接入损耗，具有更高的编程自由度及更广阔的应用方向。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图。
图2为本发明基本工作原理俯视图。
图3为本发明电驱动工作模式的工作流程图。
图4为本发明可调波导工作原理俯视图。
图5为本发明光驱动工作模式的工作流程图。
图6为本发明超原子随机排布的波导基本结构示意图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：参见图1，一种基于超材料的波导，由被液晶4包裹的超材料层3与上下基板1、2组成。最下层为下基板，可采用全反射金属等材料，球状超原子以固定间距均匀分布于下基板上，超原子采用电介质材料。最上层上基板，可采用全反射金属等材料，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。
波导的工作原理如下。如图2所示，将波导分为芯层区域和包层区域。通过液晶取向技术，将芯层与包层区域内的液晶设置为具有特定的指向矢分布，即芯层与包层区域内液晶分子指向矢分布不同。真空中波长为λ0的光从波导层一侧耦合入射，入射光在超材料与液晶层内传播过程中，由于在超原子中发生米氏共振，光的相位受到调制，而同时强度基本保持不变，且在液晶分子不同的指向矢的影响下，芯层与包层区域内米氏共振引起的入射光的相位调制量不同。可设入射光在传播距离L内，在芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内等效折射率为：
通过设置合适的液晶分子指向矢，使neff1>neff2，此时超材料与液晶层内形成波导结构，光在芯层区域与包层区域交界处发生全内反射，在芯层区域内传播。
实施例2：如图1所示，一种基于超材料的可调有源波导，波导由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。尺寸相同的球状超原子以固定间距均匀分布于下基板上，超原子采用电介质材料。上基板采用全反射金属材料，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。
下基板为硅基的像素化控制电路，每个像素控制其上方的液晶。电路可在接收到控制信号后，使每个像素在其上方的液晶层中产生驱动电场，驱动电场可控制本像素内液晶分子的指向矢。其中液晶的控制模式采用FFS控制模式。通过液晶取向技术设置整个波导区域内液晶分子初始指向矢分布相同，称此时指向矢分布状态为初态。
可编程波导的工作流程如图3所示。在关态下，发送控制信号使所有像素内均不产生驱动电场，液晶分子指向矢分布保持初态。当真空中波长为λ0的光从波导层一侧入射后，整个波导区域内米氏共振引起光的相位调制量相同，因此整个波导区域内有效折射率均为neff0，入射光在其中传播时不能发生全内反射，不构成波导结构，如图4a所示。在开态a下，以如图4b所示的方式将波导分为芯层区域与包层区域。对控制信号进行编程：对芯层区域内的所有像素施加控制信号V1，对包层区域内的所有像素施加控制信号V2。不同的控制信号使电路控制各区域内的像素中产生不同的驱动电场，不同的驱动电场控制各区域内的液晶分子产生不同的指向矢分布，进而使各区域内米氏共振引起的相位调制量不同，最终使芯层区域与包层区域内材料的有效折射率分别为neff1与neff2。在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内等效折射率为：
选择合适的控制信号V1与V2，使得液晶层内产生所需的驱动电场分布，最终使等效折射率满足neff1>neff2，此时形成直波导结构，入射光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播。此时可编程波导实现直波导的功能。从开态a切换到开态b时，改变芯层区域与包层区域的划分方式，如图4c所示，对控制信号进行编程，使芯层区域与包层区域内的像素分别收到控制信号V1与V2。根据上述相同的原理，此时形成弯曲波导结构，光在芯层区域内传播，可编程波导功能从直波导切换为弯曲波导。其他任意波导功能可通过相应地改变控制信号实现。
实施例3：如图1所示，一种基于超材料的可调有源波导，波导由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。尺寸相同的球状超原子以固定间距均匀分布于下基板上，超原子采用电介质材料。上基板采用全反射金属材料，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。
下基板为硅基的像素化控制电路，每个像素控制其上方的液晶。电路可在接收到控制信号后，使每个像素在其上方的液晶层中产生驱动电场，驱动电场可控制本像素内液晶分子的指向矢。其中液晶的控制模式采用VA控制模式。通过液晶取向技术设置整个波导区域内液晶分子初始指向矢分布相同，称此时指向矢分布状态为初态。
可编程波导的工作流程如图3所示。在关态下，发送控制信号使所有像素内均不产生驱动电场，液晶分子指向矢分布保持初态。当真空中波长为λ0的光从波导层一侧入射后，整个波导区域内米氏共振引起光的相位调制量相同，因此整个波导区域内有效折射率均为neff0，入射光在其中传播时不能发生全内反射，不构成波导结构，如图4a所示。在开态a下，以如图4b所示的方式将波导分为芯层区域与包层区域。对控制信号进行编程：对芯层区域内的所有像素施加控制信号V1，对包层区域内的所有像素施加控制信号V2。不同的控制信号使电路控制各区域内的像素中产生不同的驱动电场，不同的驱动电场控制各区域内的液晶分子产生不同的指向矢分布，进而使各区域内米氏共振引起的相位调制量不同，最终使芯层区域与包层区域内材料的有效折射率分别为neff1与neff2。在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内等效折射率为：
选择合适的控制信号V1与V2，使得液晶层内产生所需的驱动电场分布，最终使等效折射率满足neff1>neff2，此时形成直波导结构，入射光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播。此时可编程波导实现直波导的功能。从开态a切换到开态b时，改变芯层区域与包层区域的划分方式，如图4c所示，对控制信号进行编程，使芯层区域与包层区域内的像素分别收到控制信号V1与V2。根据上述相同的原理，此时形成弯曲波导结构，光在芯层区域内传播，可编程波导功能从直波导切换为弯曲波导。其他任意波导功能可通过相应地改变控制信号实现。
实施例4：如图1所示，一种基于超材料的可调有源波导，波导由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。尺寸相同的球状超原子以固定间距均匀分布于下基板上，超原子采用电介质材料。上基板采用全反射金属材料，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。
下基板为硅基的像素化控制电路，每个像素控制其上方的液晶。电路可在接收到控制信号后，使每个像素在其上方的液晶层中产生驱动电场，驱动电场可控制本像素内液晶分子的指向矢。其中液晶的控制模式采用ECB控制模式。通过液晶取向技术设置整个波导区域内液晶分子初始指向矢分布相同，称此时指向矢分布状态为初态。
可编程波导的工作流程如图3所示。在关态下，发送控制信号使所有像素内均不产生驱动电场，液晶分子指向矢分布保持初态。当真空中波长为λ0的光从波导层一侧入射后，整个波导区域内米氏共振引起光的相位调制量相同，因此整个波导区域内有效折射率均为neff0，入射光在其中传播时不能发生全内反射，不构成波导结构，如图4a所示。在开态a下，以如图4b所示的方式将波导分为芯层区域与包层区域。对控制信号进行编程：对芯层区域内的所有像素施加控制信号V1，对包层区域内的所有像素施加控制信号V2。不同的控制信号使电路控制各区域内的像素中产生不同的驱动电场，不同的驱动电场控制各区域内的液晶分子产生不同的指向矢分布，进而使各区域内米氏共振引起的相位调制量不同，最终使芯层区域与包层区域内材料的有效折射率分别为neff1与neff2。在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内等效折射率为：
选择合适的控制信号V1与V2，使得液晶层内产生所需的驱动电场分布，最终使等效折射率满足neff1>neff2，此时形成直波导结构，入射光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播。此时可编程波导实现直波导的功能。从开态a切换到开态b时，改变芯层区域与包层区域的划分方式，如图4c所示，对控制信号进行编程，使芯层区域与包层区域内的像素分别收到控制信号V1与V2。根据上述相同的原理，此时形成弯曲波导结构，光在芯层区域内传播，可编程波导功能从直波导切换为弯曲波导。其他任意波导功能可通过相应地改变控制信号实现。
实施例5：如图1所示，一种基于超材料的可调有源波导，波导由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。下基板采用金属基板，其上底面旋涂摩擦取向剂PI，球状超原子以固定间距均匀分布于玻璃基板上，超原子采用电介质材料。上基板采用ITO玻璃，其下底面涂有一层SD1取向剂，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。通过在旋涂时设定取向剂分子的方向，使整个波导区域内液晶分子在取向剂的作用下具有相同的指向矢分布，称此时指向矢分布状态为初态。
波导的可编程功能通过光驱动实现。采用光取向技术，其中驱动光为紫外线偏振光，驱动光从波导上方入射，透过ITO玻璃材料的上基板，照射到SD1取向剂上。SD1取向剂分子方向在驱动光的作用下，倾向于重新定向到垂直于驱动光的偏振方向。且SD1取向剂分子具有可多次取向的性质，因此其分子方向可在光驱动下重构。对于驱动光的控制采用像素化的控制方式，即波导的每个像素内受到相同偏振方向的驱动光的控制。曝光时采用动态感光系统进行多步部分重叠曝光。
可编程波导的工作流程如图5所示。驱动光从波导上方入射，使每个像素内SD1取向剂分子方向发生改变。取向剂的作用使其所在像素内的液晶分子指向矢分布随SD1分子方向而改变，进而改变该像素内米氏共振对相位调制作用，最终改变超材料的等效折射率分布。具体工作流程如下：在关态下，调整驱动光的偏振方向，使所有像素内液晶分子指向矢分布状态为初态。当真空中波长为λ0的光从波导层一侧入射后，波导内所有像素内米氏共振引起光的相位调制量相同，因此整个可编程波导内有效折射率均为neff0，不构成波导结构，如图4a所示。在开态a下，以如图4b所示的方式将波导分为芯层区域与包层区域。对上方驱动光的偏振方向编程，使控制芯层区域与包层区域内的像素的驱动光具有不同的偏振方向分布E1与E2，进而改变SD1分子方向分布，其作用于各区域内的液晶分子，使其指向矢发生相应的改变，进而使各区域内米氏共振引起的相位调制量不同，最终使芯层区域与包层区域内材料的有效折射率分别为neff1与neff2。在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内有效折射率为：
选择合适的驱动光偏振方向E1与E2，使neff1>neff2，此时形成直波导结构，光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播，此时可编程波导实现直波导的功能。从开态a切换到开态b时，改变芯层区域与包层区域的划分方式，如图4c所示，对驱动光进行编程，使芯层区域与包层区域内的像素分别受到偏振方向为E1与E2的驱动光的照射。根据上述相同的原理，此时形成弯曲波导结构，光在芯层区域内传播，可编程波导功能从直波导切换为弯曲波导。其他任意波导功能可通过相应地改变驱动光偏振方向分布实现。
实施例6：如图6所示，一种基于超材料的波导层，由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。最下层为下基板，可采用全反射金属等材料，圆柱状超原子随机分布于下基板上，超原子采用电介质材料。最上层上基板，可采用全反射金属等材料，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。
波导的工作原理如下。将波导分为芯层区域和包层区域。通过液晶取向技术，将芯层与包层区域内的液晶设置为具有特定的指向矢。真空中波长为λ0的光从波导层一侧耦合入射，在传播过程中，由于在超原子中发生米氏共振，光的相位受到调制，且在液晶的影响下，芯层与包层区域内米氏共振引起的相位调制量不同。可设在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内有效折射率为：
当neff1>neff2时，形成波导结构，光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播。
实施例7：如图1所示，一种基于超材料的可调有源波导，波导由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。尺寸相同的圆柱体状超原子以固定间距均匀分布于下基板上，超原子采用电介质材料。上基板采用全反射金属材料，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。下基板为硅基的像素化控制电路，每个像素控制其上方的液晶。电路可在接收到控制信号后，使每个像素在其上方的液晶层中产生驱动电场，驱动电场可控制本像素内液晶分子的指向矢。其中液晶的控制模式采用FFS控制模式。通过液晶取向技术设置整个波导区域内液晶分子初始指向矢分布相同，称此时指向矢分布状态为初态。
可编程波导的工作流程如图3所示。在关态下，发送控制信号使所有像素内均不产生驱动电场，液晶分子指向矢分布保持初态。当真空中波长为λ0的光从波导层一侧入射后，整个波导区域内米氏共振引起光的相位调制量相同，因此整个波导区域内有效折射率均为neff0，入射光在其中传播时不能发生全内反射，不构成波导结构，如图4a所示。在开态a下，以如图4b所示的方式将波导分为芯层区域与包层区域。对控制信号进行编程：对芯层区域内的所有像素施加控制信号V1，对包层区域内的所有像素施加控制信号V2。不同的控制信号使电路控制各区域内的像素中产生不同的驱动电场，不同的驱动电场控制各区域内的液晶分子产生不同的指向矢分布，进而使各区域内米氏共振引起的相位调制量不同，最终使芯层区域与包层区域内材料的有效折射率分别为neff1与neff2。在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内等效折射率为：
选择合适的控制信号V1与V2，使得液晶层内产生所需的驱动电场分布，最终使等效折射率满足neff1>neff2，此时形成直波导结构，入射光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播。此时可编程波导实现直波导的功能。从开态a切换到开态b时，改变芯层区域与包层区域的划分方式，如图4c所示，对控制信号进行编程，使芯层区域与包层区域内的像素分别收到控制信号V1与V2。根据上述相同的原理，此时形成弯曲波导结构，光在芯层区域内传播，可编程波导功能从直波导切换为弯曲波导。其他任意波导功能可通过相应地改变控制信号实现。
实施例8：如图1所示，一种基于超材料的可调有源波导。波导由被液晶包裹的超材料层与上下基板组成。下基板采用金属基板，其上底面旋涂摩擦取向剂PI，圆柱体状超原子以固定间距均匀分布于玻璃基板上，超原子采用电介质材料。上基板采用ITO玻璃，其下底面涂有一层SD1取向剂，液晶填充于上下两层基板之间并包裹超原子。通过在旋涂时设定取向剂分子的方向，使整个波导区域内液晶分子在取向剂的作用下具有相同的指向矢分布，称此时指向矢分布状态为初态。
波导的可编程功能通过光驱动实现。采用光取向技术，其中驱动光为紫外线偏振光，驱动光从波导上方入射，透过ITO玻璃材料的上基板，照射到SD1取向剂上。SD1取向剂分子方向在驱动光的作用下，倾向于重新定向到垂直于驱动光的偏振方向。且SD1取向剂分子具有可多次取向的性质，因此其分子方向可在光驱动下重构。对于驱动光的控制采用像素化的控制方式，即波导的每个像素内受到相同偏振方向的驱动光的控制。曝光时采用动态感光系统进行多步部分重叠曝光。
可编程波导的工作流程如图5所示。驱动光从波导上方入射，使每个像素内SD1取向剂分子方向发生改变。取向剂的作用使其所在像素内的液晶分子指向矢分布随SD1分子方向而改变，进而改变该像素内米氏共振对相位调制作用，最终改变超材料的等效折射率分布。具体工作流程如下：在关态下，调整驱动光的偏振方向，使所有像素内液晶分子指向矢分布状态为初态。当真空中波长为λ0的光从波导层一侧入射后，波导内所有像素内米氏共振引起光的相位调制量相同，因此整个可编程波导内有效折射率均为neff0，不构成波导结构，如图4a所示。在开态a下，以如图4b所示的方式将波导分为芯层区域与包层区域。对上方驱动光的偏振方向编程，使控制芯层区域与包层区域内的像素的驱动光具有不同的偏振方向分布E1与E2，进而改变SD1分子方向分布，其作用于各区域内的液晶分子，使其指向矢发生相应的改变，进而使各区域内米氏共振引起的相位调制量不同，最终使芯层区域与包层区域内材料的有效折射率分别为neff1与neff2。在传播距离L内，芯层区域和包层区域中相位分别连续变化了Δφ1和Δφ2，则各区域内有效折射率为：
选择合适的驱动光偏振方向E1与E2，使neff1>neff2，此时形成直波导结构，光在芯层与包层交界处发生全内反射，在芯层区域内传播，此时可编程波导实现直波导的功能。从开态a切换到开态b时，改变芯层区域与包层区域的划分方式，如图4c所示，对驱动光进行编程，使芯层区域与包层区域内的像素分别受到偏振方向为E1与E2的驱动光的照射。根据上述相同的原理，此时形成弯曲波导结构，光在芯层区域内传播，可编程波导功能从直波导切换为弯曲波导。其他任意波导功能可通过相应地改变驱动光偏振方向分布实现。
需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。
