面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法

面向lifi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法
技术领域
1.本发明属于光学系统聚光技术领域，具体涉及面向lifi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法。


背景技术：

2.可见光通信 (lifi)是一种基于可见光的全网络双向无线解决方案，目前已被确定为未来6g的重要组成部分，预计到2030年lifi市场规模将达到80亿美元。可见光通信不仅可以为室内上网、车辆和水下通信等应用场景提供安全的高速连接，而且由于该技术是利用照明基础设施来提供无线连接，因此可以同时兼顾低能源损耗与低成本的优势。然而，可见光通信系统的容量容易受到链路阻塞和随机接收方向的影响，从而导致抗干扰能力差及误码率较高：首先，可见光通信利用的是照明系统的基础设施，该设施的首要功能是照明，因此光照强度必需处于用户对于照明接受的范围内；其次，如环境内存在相应的杂散光（如太阳光，手电筒等），会导致探测器接收到信号的信噪比很低，误码率高。
3.通过增加聚光系统，提升探测芯片接收的光照强度能有效的提升探测器的信噪比，降低误码率。当前可见光通信探测器的聚光系统主要有折射式聚光系统和反射式聚光系统。其中折射式系统利用常规透镜、菲涅尔透镜或者超表面系统将透镜口径范围内的光照汇聚到探测芯片上；反射式系统通常利用球面或者非球面反射镜，将照射在反射镜上的光强汇聚到探测芯片上。这两类探测聚光系统通常体积较大，难以与芯片形成平面集成化的设计；并且随着汇聚面积的增大，聚光系统的三维尺寸也会快速增大。本发明提出了一种基于全息光栅和光波导的聚光系统，该系统能够在超薄的平面中汇聚大面积的光强，非常易于与可将光探测芯片进行集成化设计；并且该系统能够对探测器表面覆盖波导层进行保护，有效提高探测的使用寿命；第三，该系统成本低。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种面向可见光通信的全息光栅光波导平面聚光系统。
5.面向lifi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，平面聚光系统包括全息光栅、光波导、可见光探测器，全息光栅与可见光探测器集成于光波导上；其中，全息光栅是由两束构造光束在感光材料薄膜上曝光再通过显影形成的光栅，其对入射光进行聚光与偏转；光波导对全息光栅衍射光进行光路折叠，光波导采用由玻璃、pmma材质构成的平板光波导；全息光栅衍射光耦合进光波导时，耦合角度需要大于光波导的全反射角。
6.全息光栅的录制系统由两束构造光束组成，一束构造光束称为参考光束，其入射方向垂直于感光材料；另一束构造光束称为物光束，其入射方向与感光材料的夹角大于光波导的全反射角，入射光线具有光焦度。
7.所述设计方法的步骤包括：s1、依据平面聚光系统要求，选择全息光栅与可见光探测器之间的不同集成方案；
全息光栅与可见光探测器之间的不同集成方式通过全息光栅的形状大小、及其与可见光探测器的空间位置关系而实现，集成方案包括三类：（1）可见光探测器位于光波导侧面，平面全息光栅集成于平板光波导上；（2）平面全息光栅与可见光探测器位于平板光波导的同一平面；（3）环形全息光栅与可见光探测器位于平板光波导的同一平面，且可见光探测器位于环形全息光栅的圆心。
8.s2、设计全息光栅可见光汇聚偏转初始系统；根据步骤s1的集成方案中全息光栅的空间位置、聚光面积，并结合可见光探测器的空间位置，计算没有光波导折叠光线的初始系统。
9.可见光探测器的中心位置坐标为，其中，为可见光探测器放置位置的横坐标，为光波导的厚度；全息光栅将准直状态的入射光汇聚偏转汇聚到点，其中，为正整数，表示光线在光波导界面上发生全反射的次数；入射光线经过全息光栅反射汇聚及偏转后，边缘与中心的偏转角度分别为，，该偏转角度等于光线入射在光波导界面的入射角，为了实现最高效率的光耦合，最小的入射角需要大于光波导的上表面与下表面全发射角，其中，是空气折射率，是光波导材料折射率。
10.s3、全息光栅光波导聚光系统设计；依据步骤s2设计的初始系统，在zemax中建立全息光栅光波导模拟模型；s4、通过光线追迹求解全息光栅出射光线的传播矢量与光栅周期常数；其中，是构造光束的入射光与衍射光传播矢量，是构造光束波长；是重构光束的入射光与衍射光传播矢量，是重构光束波长；是垂直于全息光栅干涉条纹的光栅矢量，其大小为，其中是光栅周期常数；为了实现高衍射效率，波长为的构造光束和波长为的重构光束需满足的布拉格条件，根据布拉格匹配条件，光栅在x方向和z方向的光栅周期常数可推导出：，
其中和是构造光束中参考光束与物光束的角度，是衍射光栅材料的折射率，是两个构造光束的波长。
11.s5、计算全息光栅的衍射效率；全息光栅的衍射效率计算公式为：式中， 为全息光栅的衍射效率，是全息光栅的折射率调制折射率，是全息光栅的厚度。
12.s6、录制全息光栅与测试激光通过分束镜分为物光束和参考光束，通过调整反射镜m1和反射镜m2获得满足设计的参考光束角度，调整反射镜m3获得满足设计的物光束角度；棱镜系统由两个完全一样的三角棱镜组成，两个三角棱镜之间留有固定间隔用于放置感光材料，棱镜系统通过3d打印的支架安装固定；根据步骤s1中设计的光波导尺寸，裁剪玻璃或者pmma材料，形成平板波导；然后按照尺寸和位置贴合全息光栅感光材料，并放置于耦合棱镜之间的固定间隙；打开激光，物光束和参考光束在感光材料上形成干涉条纹，录制体全息光栅；测试体全息光栅的衍射效率，并与模拟结果进行比对。
13.进一步地，感光材料采用重铬酸盐明胶、卤化银。
14.相较于传统的折射/反射式聚光技术，本发明有益效果包括：（1）聚光功能由低成本的全息光栅实现，具有极低的成本与快速生产的优点；（2）光波导能够通过光路的多次折叠实现聚光系统的微型化与平面化，从而易于与可见光探测芯片进行集成；（3）光波导能够覆盖在探测器表面对探测器进行保护，从而延长探测器的使用寿命。
附图说明
15.图1为侧面集成式聚光系统的剖面示意图；图2为侧面集成式聚光系统的3d示意图；图3为同面集成式聚光系统的剖面示意图；图4为同面集成式聚光系统的3d示意图；图5为环形集成式聚光系统的剖面示意图；图6为环形集成式聚光系统的3d示意图；
图7为全息光栅对入射光线偏转与汇聚初始系统示意图；图8为全息光栅光波导聚光系统光线追迹剖视图；图9为全息光栅光波导聚光系统光线追迹3d图；图10为全息光栅布拉格条件示意图；图11为全息光栅在不同偏转角度下的衍射效率曲线图；图12为全息光栅录制系统光路图；图13为全息光栅衍射效率的模拟结果与实验结果比对。
16.图示说明：1
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全息光栅；2
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光波导；3
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可见光探测器；4
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物光束；5
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参考光束；6
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分束镜；7
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反射镜m1；8
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反射镜m2；9
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反射镜m3；10
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棱镜；11
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待录光栅。
具体实施方式
17.下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
18.本发明面向可见光通信系统，开发了一种基于全息光栅光波导的平面聚光系统，通过全息光栅对入射光线进行汇聚与偏转；通过光波导折叠光线实现平面聚光系统。
19.其具体的设计方案如下：步骤一、依据平面聚光系统选择不同的聚光系统与可见光通信探测器的集成方案。
20.全息光栅有反射式全息光栅与投射式全息光栅，由于反射式全息光栅可以在较宽波段实现高衍射效率，且光波导覆盖在全息光波导表面具有保护全息光栅的功能，因此本实施例优先采用反射式全息光栅对入射光线进行偏折与汇聚；优选地，投射式全息光栅对入射光线进行偏转与汇聚也在本技术保护范围内。
21.基于全息光栅光波导的聚光系统是平面式结构，与可见光探测器有多重集成方式，本案中列举了3类集成方案，分别如图1
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图6所示。
22.其中，图1和图2分别为侧面集成式聚光系统的剖面示意图和3d示意图，即可见光探测器3位于光波导2侧面，平面的全息光栅1集成于平板的光波导2上；图3和图4分别为同面集成式聚光系统的剖面示意图和3d示意图，即平面的全息光栅1与可见光探测器3位于平板的光波导2的同一平面；图5和图6分别为环形集成式聚光系统的剖面示意图和3d示意图，即环形的全息光栅1与可见光探测器3位于平板的光波导2的同一平面，且可见光探测器3位于环形的全息光栅1的圆心。
23.步骤二、设计全息光栅可见光汇聚偏转初始结构。
24.根据步骤一的集成方案集成方案中全息光栅的空间位置、聚光面积，并结合可见光探测器的空间位置，计算没有光波导折叠光线的初始系统。如图7所示，可见光探测器的中心位置坐标为，其中为可见光探测器放置位置的横坐标，为光波导的厚度；全息光栅将准直状态的入射光汇聚偏转汇聚到点，其中为正整数，表示光线在光波导界面上发生全反射的次数；入射光线经过全息光栅反射汇聚及偏转后，边缘与中心的偏转角度分别为，，，该偏转角度等于光线入射在
光波导界面的入射角，为了实现最高效率的光耦合，最小的入射角需要大于光波导的上表面与下表面全发射角，其中，是空气折射率，是光波导材料折射率。
25.步骤三、设计全息光栅光波导聚光系统。
26.依据步骤二中的初始系统，在zemax中建立全息光栅光波导模拟模型（模拟的光线追迹如图8和图9所示）。在序列模式下添加全息光栅，可以使用zemax内置4个全息光栅表面中的任意一个：hologram 1、hologram 2、toroidal hologram、optically fabricated hologram。本案使用 hologram 2，其对应的各个参数为：基本参数construct x1、y1、z1、x2、y2、z2、construct wave：构造光束ⅰ的光源位置（x1，y1，z1）；构造光束ⅱ的光源位置（x2，y2，z2）；构造光束的波长construct wave；diffract order: 衍射级次，其值为0时，追迹的是0阶衍射光；其值为1时为1阶衍射光；volume hologram: 定义面型是体全息光栅还是薄全息光栅，其值为0是表明是薄全息光栅，其值为1时表明为体全息光栅；hologram thickness: 体全息光栅的厚度，该厚度是虚拟厚度，只用于计算衍射效率；n1 与n2: n1是构造光束中的物光束在进入体全息光栅前所处材料的折射率；n2是构造光束中的参考光束在进入体全息光栅前所处材料的折射率；n: 体全息光栅光敏材料的平均折射率；dn:体全息光栅折射率的调制范围；shrinkage: 在加工時，体全息光栅可能会膨胀或者收缩，从而改变其厚度；其值为 0，则没有收缩；如果不是0，则表示厚度的缩放值，如0.98表示收缩率为2%；index shift: 体全息光栅的平均折射率在显影后的变化；consider fresnel: 如果设置为1，则考虑菲涅尔损失，设置为0，则不考虑菲涅尔损失。
27.步骤四，通过光线追迹求解全息光栅出射光线的传播矢量与光栅周期常数。
28.其中是构造光束的入射光与衍射光传播矢量，是构造光束波长；是重构光束的入射光与衍射光传播矢量，是重构光束波长；是垂直于全息光栅干涉条纹的光栅矢量，其大小为，其中是光栅周期常数。重构光束是全息光栅中通用的术语。全息光栅是由两束构造光束干涉录制形成，录制完成后，用一束与构造光束相同的光照射，就会获得与另一束构造光束相似的光束，此时照射的光束就称为重构光束。
29.为了实现高衍射效率，波长为的构造光束和波长为的重构光束需满足的布
拉格条件，如图10所示，图中的k
x
与k
z
是k在x与z方向上的分量。
30.根据布拉格匹配条件，光栅在x方向和z方向的光栅周期常数可推导出：，其中，和是构造光束中参考光束与物光束的角度，是衍射光栅材料的折射率，是两个构造光束的波长。
31.步骤五，计算全息光栅的衍射效率。
32.全息光栅的衍射效率计算公式为：式中，为全息光栅的衍射效率，是全息光栅的折射率调制折射率，是全息光栅的厚度，计算出的全息光栅衍射效率如图11所示。
33.步骤六，录制全息光栅与测试。
34.全息光栅录制系统由两束构造光组成，一束构造光称为参考光，其入射方向垂直于感光材料；另一束构造光束称为物光束，其入射方向与感光材料的夹角大于光波导的全反射角，入射光线具有光焦度。
35.全息光栅录制系统采用图12所示的设计，激光通过分束镜分为物光束4和参考光束5。通过调整反射镜m17与反射镜m28获得满足设计的参考光束角度，调整反射镜m39获得满足设计的物光束4角度。
36.棱镜系统由两个完全一样的三角棱镜10组成，两个三角的棱镜10之间留有固定间隔用于放置待录光栅11的感光材料，棱镜系统通过3d打印的支架安装固定。
37.根据步骤一中设计的光波导尺寸，裁剪玻璃或者pmma材料，形成平板光波导；然后按照步骤一中全息光栅形状、尺寸和位置贴合全息光栅感光材料，并放置于耦合棱镜之间的固定间隙；打开激光，物光束和参考光束在感光材料上形成干涉条纹，录制体全息光栅，录制出窄波段和宽波段两类全息光栅光波导聚光系统的效果；测试体反射光栅的衍射效率，并与模拟结果进行比对，比对结果如图13所示。
38.以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。