[发明专利]一种焦距大幅可调的光子晶体透镜及其设计方法

说明书

本发明属于光电子、光通信等技术领域。具体为一种焦距大幅可调的光子晶体透镜及其设计方法。本发明设计方法包括：初步选定光子晶体材料和结构，获得等频图，找到频率敏感自准直区域；针对实际需要工作频率区间和入射角范围，确定工作相空间；对光子晶体进行结构参数和材料参数优化设计，使得等频线曲率对光子晶体材料折射率的敏感度尽可能大，同时避免在工作相空间内出现等频线简并；根据所选材料特性，选择合适的方式，改变光子晶体组成材料的折射率，进而改变光束聚焦点或虚焦点的位置。在相同条件下，本方案所需折射率的变化比块体材料或普通光子晶体要小多个数量级，易于实现。本设计集成性好，能应用于光束调焦、光束宽度控制、敏感探测等领域。

技术领域

本发明属于光电子、光通信等技术领域。具体涉及一种焦距大幅可调的光子晶体透镜及其设计方法。

背景技术

光子晶体是折射率在空间周期性变化的介质材料，它能够有效地控制光子的传播行为。自E.Yablonovitch和S.John在二十年前提出这一概念以来，人们就对光子晶体的应用给予广泛关注。特别是在光通信技术领域，光子晶体光纤、微谐振腔激光器、滤波器、集成光路等光子晶体器件有着广阔的应用前景。半导体材料微细加工技术的不断提高大大地推动了二维甚至三维光子晶体器件在实际中的应用步伐。近年来，可调光子晶体透镜及其应用成为了业界关注的热点，因为光学微透镜是光波整形、光探测等领域中的核心器件之一。光子晶体可调透镜通过改变外界条件，使单色小尺寸光束在光子晶体内部的会聚点连续变化。它的特点一方面是体积小易于集成，而另一方面它提供了一种直接的小尺寸光束波前调制的方法。现有文献公开了一种光子晶体可调透镜。它利用MEMS技术制作微动装置来改变光子晶体的晶格常数以达到改变光子晶体特性的目的。这种光子晶体可调透镜不可避免地存在制作工艺复杂、稳定性差等问题，不利于器件在集成光路中的应用。

通过降低晶格对称性，调节范霍夫奇异点的位置，使得低群速度区域与自准直区域重合，可以实现频率敏感的自准直现象。我们发现在这类结构中，光束行为也是对折射率敏感的，而且在自准直频率两侧，光子晶体天然地能够充当凹透镜和凸透镜。基于此结构设计新型光子晶体可调透镜，可以有效的解决之前的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焦距大幅可调的光子晶体透镜及其设计方法，使该光子晶体透镜具有制作简单、工作条件易于达到、面积小巧等优点。

本发明提供的焦距大幅可调的光子晶体透镜的设计方法，是一种基于频率敏感自准直效应的衍射调控的设计方法，具体步骤如下：

步骤1、选定介质材料，确定光子晶体结构类型和结构参数，获得该光子晶体的等频图，在等频图中寻找频率敏感的自准直区域；

步骤2、针对实际需要工作频率区间和入射角范围，确定工作“相空间”，即频率空间和波矢空间的范围；

步骤3、对光子晶体进行结构参数和材料参数优化设计，使得等频线曲率对光子晶体材料（某种或多种）折射率的敏感度尽可能大，同时避免在工作相空间内出现“等频线简并”；

步骤4、根据所选材料特性，选择合适的方式，比如电光、热光、非线性或其他物理效应，使一种或多种光子晶体组成材料的折射率改变，进而改变光束聚焦点或虚焦点的位置。

本发明中，步骤1的操作可参见已有技术“支持高频率敏感度自准直现象的光子晶体及设计方法和应用. 申请号：201310625054.2. 申请日期: 2013-11-27. (发明专利,PCT国际专利申请号： PCT/CN2014/074280）”。

本发明中，步骤2中所述的工作频率范围包括所有电磁波波段,如可见光波段、红外波段、太赫兹波段和微波段等；

所述的入射角范围包括正入射情况，也包括斜入射情况；

所述的波矢空间的范围是通过布里渊区的等入射角线以及光束宽度来确定。