[发明专利]可编程控制的液晶光子晶体光功能器件及光路设置方法

说明书

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，特别涉及一种可编程控制的液晶光子晶体光功能器件，本发明同时公开了该光功能器件的光路设置方法。

背景技术

光子晶体的研究始于上世纪80年代末期。虽然1987年Yablonovitch和John就提出了光子晶体的概念，但直到1989 年，Yablonovitch和Gmitter首次在实验上证实三维光子能带结构的存在，物理界才开始大举投入这方面的理论研究。

光子晶体是一种折射率周期性变化的介质结构，它对光子具有类似于电子带隙的光子带隙结构，这样的结构对光子具有局域性。也就是对于那些频率处于光子晶体禁带范围内的光无法在光子晶体中传播。但如果在光子晶体中引入缺陷，那些处于光子晶体禁带中的光就可以沿着这个线缺陷来传输。可见，光子晶体对光具有控制能力，由于光子晶体器件表现出比传统的光学器件尺寸更小，性能更好的特征，因此，利用这些特征可以设计一种可编程控制的液晶光子晶体光功能器件。

为了调节光子晶体的带隙结构，可以在光子晶体中填充功能材料。液晶具有非常大的光学各向异性以及它对外部环境的变化非常敏感，其优势在于利用液晶制作的器件尺寸小、耗费功率小、容易集成、调制电压低。通过改变填充在光子晶体中液晶指向矢的旋转角，可以实现对光子晶体的带隙调节。外部温度、电场、或光折射都可以改变功能材料的折射率，所以填充功能材料的光子晶体波导的光学特性就可以在这些外部条件的控制下加以调制。在未加电压的时候，液晶无序排列，此时，一定频率的入射光从光子晶体的输入端口入射时将被反射，无法形成光路。在特定电极施加电压，液晶随电场分布排列顺序发生改变，造成液晶层的折射率发生改变，在电极上加载电压时，光子晶体对入射光透射，入射光将沿施加电压的电极传播形成光路，从输出端出射。出射端附近的颗粒受到出射光的作用力，移动至出射端。由电路芯片控制光路改变，输出端位置发生改变，出射光的位置随输出端位置改变而发生改变，吸附于输出端的颗粒也随出射光移动。

通过逻辑电路对光路的控制，可以准确的、无损伤的操纵几十纳米到几十微米大小的颗粒，这种非机械性的操控对操纵微粒的周围环境影响很小，这些特点使得它在物理、生物和化学领域得到了广泛的应用。例如在纳米生物学领域，其实验手段首先要能按照我们的愿望操纵和排布分子，又不造成损伤和对它周围环境的干扰，从而可以跟踪观察它们在真实生命活动中的基本过程。光功能器件对颗粒的操纵技术恰恰在这一点上具有重要优势，这个方法对深入研究和操纵基因组、蛋白质乃至纳米生物传感器等生物系统都是十分重要的。

目前，器件正向高速度、低功耗、多功能的方向发展，这对集成电路的要求越来越高，传统的集成电路设计技术已无法满足这些要求。用可编程逻辑器件取代传统的标准集成电路、接口电路和专用集成电路已成为技术发展的趋势。通过可编程逻辑电路来调制电场的分布以改变液晶的结构参数，进而实现光路可调。于是只需要通过调制编程的逻辑电路就可以得到我们所需的光学功能器件，绕过了定制集成电路的复杂环节，提高了设计和实用的灵活性。而且其可重编程的灵活能力提供了将同一芯片用到不同应用中去的机会，对多功能光学器件的发展具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明提出一种可编程控制的液晶光子晶体光功能器件，其采用光路制备工艺是在液晶光子晶体的电极上制备光路结构，通过调整加载电压的位置，可以形成不同逻辑结构的光路结构, 具有形状随意可调的优点。

技术方案：本发明提出的一种可编程控制的液晶光子晶体光功能器件，由玻璃衬底、透明导电电极、光子晶体、液晶、取向层、电极、透明导电电极和玻璃层组成，光子晶体制备在玻璃衬底上，液晶封装于光子晶体之上组成折射率可调的器件结构。

光子晶体的晶格尺度为300-500纳米，液晶的分子尺寸为30-90纳米。

一种光功能器件的光路设置方法，包括如下步骤：

1）在光子晶体阵列上选择彼此连续的光子晶体单元完成光路样式；

2）在选择的光子晶体单元施加电流，光子单元得电，透射率增加；

3）在入射端施以光源，入射光从指定输出端出射。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、通过调制加载在电极上的电压，液晶分子的取向发生改变，使其折射率和介电常数随之发生变化，进而对液晶光子晶体光功能器件起到调制的作用。

2、通过调整电极上加载电压的位置，可以得到不同形状的光路结构,进而制得了如图3 所示的六种不同形状的波导结构,而且还可以根据需要,制备任意形状的光功能器件结构。