[发明专利]面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法

说明书

本发明公开了面向LiFi通信的全息光栅光波导平面聚光系统的设计方法，其通过全息光栅对入射光进行聚光与偏转，通过光波导对全息光栅衍射光进行光路折叠；该方法步骤包括：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式；S2设计全息光栅可见光汇聚偏转初始系统；S3全息光栅光波导聚光系统设计；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；S5计算全息光栅的衍射效率；S6录制全息光栅与测试。本发明通过低成本的全息光栅替代传统的折射/反射式聚光功能，同时偏转入射光线，实现与光波导的耦合；通过光波导反复折叠光路实现可见光通信聚光系统的超薄化设计；并提升探测器的使用效率。

技术领域

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

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。

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。

发明内容

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。

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。

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。

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。

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。