CN101149444A - 熔融石英透射1×2分束光栅 - Google Patents
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Abstract
一种用于常用波段1550纳米光纤通信的熔融石英透射1×2分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，入射光分别在0级衍射和1级衍射等效率透射。本发明可以使TE偏振光在0和1级的透射效率分别为48.52％和48.56％，TM偏振光在0和1级的透射效率分别为49.35％和49.07％，实现对TE和TM偏振光同时1×2分束。本发明熔融石英光栅由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，可以低成本、大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及1×2分束器，特别是一种针对光纤通信用1550纳米波段的熔融石英透射1×2分束光栅。
背景技术
分束器广泛应用于各种光学系统中，它能把一束入射光分成几束能量相等的出射光。传统的基于多层介质膜的宽带分束器能量损失较大，制造过程复杂，成本高。近来，一些文献报道了相位光栅作为分束器，例如3通道耦合器、干涉计用反射50/50输出等等。通常，全息光栅的工作带宽窄。众所周知，熔融石英是一种非常好的光学材料，它具有从深紫外到远红外的宽透射谱。以熔融石英为材料，已经设计和制作了低偏振相关损耗高效率光栅和偏振分束光栅。因此，如果熔融石英用来制作分束光栅应用于宽带高功率激光系统中，将是非常吸引人的。
矩形高密度深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具有高效率的体光栅布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀的平面光栅完全不同。矩形高密度深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术1：M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，没有人针对光纤通信的1550纳米波段给出高密度深刻蚀熔融石英透射1×2分束光栅的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对光纤通信的1550纳米波段提供一种熔融石英透射1×2分束光栅，该光栅可以使TE或者TM偏振入射光等效率分别在0和1级衍射，实现1×2分束，以及偏振自由选择的情况下，同时对TE和TM偏振入射光实现1×2分束。因此，能够实现对TE或者TM以及同时对TE和TM偏振入射光高衍射效率透射1×2分束，具有重要的实用意义。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于常用波段1550纳米光纤通信的熔融石英透射1×2分束光栅，该光栅是矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.380微米，该光栅适用于TE偏振光入射；
该光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.739微米，该光栅适用于TM偏振光入射；
该光栅的占空比为0.643、周期为1527纳米、刻蚀深度为1.830微米，该光栅同时适用于TE和TM偏振光入射。
试验表明，本发明熔融石英透射1×2分束光栅，该光栅可以使TE或者TM偏振入射光等效率分别在0级衍射和1级衍射，实现1×2分束，以及偏振自由选择的情况下，同时对TE和TM偏振入射光实现1×2分束。
本发明熔融石英光栅由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，可以低成本、大批量生产。
附图说明
图1是本发明1550纳米波长的熔融石英透射1×2分束光栅的几何结构。
图2是本发明熔融石英透射1×2分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)在不同光栅刻蚀深度下的透射衍射效率。
图3是本发明熔融石英透射1×2分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)在光纤通信的C+L波段使用，各个波长以相应的Littrow角度入射到光栅时，TE/TM模式下的透射衍射效率。
图4是全息光栅的记录光路。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
表1给出了本发明一系列实施例的参数和试验结果，图1显示了本发明熔融石英透射1×2分束光栅的几何结构。在图中，1代表光栅(基底熔融石英折射率n2＝1.44462)，2代表空气(折射率为n1＝1)，3代表入射光，4代表0级衍射光，5代表1级衍射光。光栅矢量K位于入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。一线性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*Λ))入射(定义为Littrow条件)，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了深刻蚀熔融石英光栅在光纤通信常用的1550纳米波长处的衍射效率随着光栅深度的变化曲线。依据理论计算得到熔融石英透射1×2分束光栅的数值优化结果如图2所示：
如图2(a)所示，当该光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.380微米时，TE偏振光的0级透射效率和1级透射效率分别为48.35％和48.39％，实现对TE偏振光1×2分束；
如图2(b)所示，当该光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.739微米时，TM偏振光的0和1级透射效率分别为49.13％和49.09％，实现对TM偏振光1×2分束；
如图2(c)所示，当该光栅的占空比为0.643、周期为1527纳米，刻蚀深度为1.830微米时，TE偏振光在0和1级透射效率分别为48.52％和48.56％，TM偏振光在0和1级透射效率分别为49.35％和49.07％，实现对TE和TM偏振光同时1×2分束。
如图3所示，对于TE偏振光的优化数值结果，在C+L波段，两个衍射级次的效率差不大于3.28％；对于TM偏振光的优化数值结果，在C+L波段，两个衍射级次的效率差不大于12.07％；对于TE和TM偏振光的同时优化数值结果，在C+L波段，TE偏振光在两个衍射级次的效率差不大于0.44％，TM偏振光在两个衍射级次的效率差不大于9.24％。
可以看出，优化的熔融石英光栅对于TE偏振光可以作为宽带分束器。
本发明熔融石英透射1×2分束光栅的制备方法是利用微光学技术制备的，首先在干燥、清洁的熔融石英基片上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1805，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅，见图4，在图中6代表氦镉激光器，7代表快门，8代表分束镜，9、10、11、12代表反射镜，13、14代表扩束镜，15、16代表准直透镜，17代表基片。氦镉激光器6(波长为0.441μm)发出两束平面波以2θ夹角在基片17上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变记录角θ的大小，可以控制光栅的周期Λ，记录高密度光栅。接着，显影后，用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到石英基片上，再用去铬液将铬膜去除，就得到高密度深刻蚀的矩形熔融石英光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择占空比、周期及刻蚀深度，就可以得到熔融石英透射1×2分束光栅。由表1并结合图2可知，该光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.380微米时，TE偏振光的0级透射效率和1级透射效率分别为48.35％和48.39％，实现对TE偏振光1×2分束；该光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.739微米时，TM偏振光的0级透射效率和1级透射效率分别为49.13％和49.09％，实现对TM偏振光1×2分束；特别是该光栅的占空比为0.643、周期为1527纳米、刻蚀深度为1.830微米时，可以使TE偏振光在0级的透射效率和1级的透射效率分别为48.52％和48.56％，TM偏振光在0级的透射效率和1级的透射效率分别为49.35％和49.07％，实现对TE和TM偏振光同时1×2分束。
本发明的熔融石英透射1×2分束光栅，具有很高的透射效率，并且对于TE偏振光可以作为宽带分束器，不必镀金属膜或介质膜，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是分束器的一种重要的实现技术。1×2分束器是最基本的光学元件，本发明的熔融石英透射1×2分束光栅具有结构简单、效率高(例如对于TE偏振光，效率大于96％)、稳定可靠、可以大批量、低成本生产等优点，具有重要的应用前景。
表1 1550纳米波长不同偏振态布拉格角入射下，0、1级透射衍射效率η，
| 偏振态 | f | Λ(nm) | d(μm) | η0(％) | η1(％) |
| TE | 5.00 | 1550 | 1.380 | 48.35 | 48.39 |
| TM | 5.00 | 1550 | 1.739 | 49.13 | 49.09 |
| TE，TM | 5.00 | 1527 | 1.830 | 48.5249.35 | 48.5649.07 |
其中f为占空比，Λ为光栅周期，d为刻蚀深度。
Claims (3)
1.一种用于常用波段1550纳米光纤通信的熔融石英透射1×2分束光栅，其特征在于该光栅是矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.380微米。
2.一种用于常用波段1550纳米光纤通信的熔融石英透射1×2分束光栅，其特征在于该光栅是矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.500、周期为1550纳米、刻蚀深度为1.739微米。
3.一种用于常用波段1550纳米光纤通信的熔融石英透射1×2分束光栅，其特征在于该光栅是矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比为0.643、周期为1527纳米、刻蚀深度为1.830微米。
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