CN101315440A - 248纳米波段的零级抑制相位掩模 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种248纳米波段的零级抑制相位掩模，主要由石英基片以及设置在石英基片一侧表面的槽形结构的光栅构成，其特征在于：所述相位掩模的光栅周期为1050nm～1090nm，槽形深度为240～260nm，所述光栅的每一凸起结构的截面形状为上窄下宽的梯形，梯形的顶部占宽比为0.40～0.46，梯形角为5～13度。本发明的相位掩模，实现了透射248纳米波段激光的零级抑制，相位掩模的零级透过率可以被抑制在2％以内；±1级透射衍射效率高于36％，且与入射光的偏振状态无关。

Description

248纳米波段的零级抑制相位掩模

技术领域

本发明涉及一种光学器件，具体涉及一种用于光纤光栅制作的248纳米波段的零级抑制相位掩模。

背景技术

光纤光栅技术是当前光纤通信、光纤传感、光信息处理领域的一个全球性热门课题，是继20世纪70年代低损耗光纤、80年代掺铒光纤放大器(EDFA)之后，光纤领域中具有里程碑意义的第3次重大技术突破。近年来，光纤光栅在光纤通信和传感技术领域中得到了越来越广泛的应用。在光纤通信方面，光纤光栅的影响几乎遍及系统的各个部分，包括光发送、光放大、光纤色散补偿和光接收等等；在传感器方面，光纤光栅也有着广阔的应用前景，它能够方便地实现物理量的分布式传感，可应用于建筑结构监控、化学传感和航空航天等各个方面。

在制作光纤光栅的方法中相位掩模法不依赖于入射光波长，只与相位掩模的周期有关，适合批量生产，同时又较容易实现，该方法是在制作光纤光栅时，一束紫外相干光垂直入射到相位掩模的表面，在紧贴着相位掩模处，放入光纤，主要根据±1级衍射光的干涉，在光纤内形成光纤光栅，实际使用时，必须对零级衍射光进行抑制。目前在相位掩模法中大多使用248纳米的准分子激光器，因此针对248纳米波段的零级抑制相位掩模具有重要的应用价值。

零级抑制相位掩模要求有能够接近0的零级透过率。目前在制作方法上主要是采用电子束直写或全息干涉制作光刻胶掩模，之后采用反应离子刻蚀把掩模结构转移到石英基片上。然而，电子束直写技术在制作大面积的掩模时，不可避免地要出现拼接。研究表明：使用拼接误差较小的相位掩模对光纤光栅的光谱响应的影响不大，但是当拼接误差达到相位掩模周期的1/8，便开始对光谱产生影响，其继续增大会显著地改变光栅的光谱。

与之相比，全息干涉技术在制作大面积的掩模时，具有其天然的优势，但是其不能像电子束直写技术那样做成很复杂的图形，如二次曲线啁啾等；同时全息掩模结构的控制也是比较复杂。

利用微电子刻蚀工艺，在石英基片上加工出具有特定槽形结构的光栅，可以实现零级抑制的相位掩模。在此过程中，如何通过对相位掩模结构的设计，来获得较低的零级透过率和较高的±1级透射衍射效率，是光纤光栅制作中需要解决的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种特别适用于248纳米波段的零级抑制相位掩模结构，通过结构改进，以获得较低的零级透过率和较高的±1级透射衍射效率。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种248纳米波段的零级抑制相位掩模，主要由石英基片以及设置在石基基片一侧表面的槽形结构的光栅构成，所述相位掩模的光栅周期为1050nm～1090nm，槽形深度为240～260nm，所述光栅的每一凸起结构的截面形状为上窄下宽的梯形，梯形的顶部占宽比为0.40～0.46，梯形角为5～13度。

优选的技术方案是，所述相位掩模的光栅周期为1070nm，槽形深度为250nm，梯形的顶部占宽比为0.425，梯形角为10度。

上述技术方案的梯形零级抑制相位掩模，是利用微电子刻蚀工艺，在石英基片上加工出的具有特定槽形结构的光栅。其中的梯形角是指梯形的腰与高之间的夹角。由于梯形刻蚀光栅，其位相分布较矩形结构光栅复杂，且我们需要精确计算出合适的梯形结构。故这里不能由简单的标量衍射理论来分析，而必须采用严格矢量衍射理论，Moharam等人已经给出了严格耦合波理论的算法(严格耦合波理论是矢量衍射理论的一种)，参见在先技术1：M.G.Moharamet al.，J.Opt.Soc.Am.A12，1077(1995)。但现有技术中，并未有人提出248纳米波段激光的梯形零级抑制相位掩模。因此，构思采用梯形光栅来实现零级抑制，并选择合适的结构参数，是本发明的创造性所在。

另一方面，由于相位掩模往往是偏振相关的，而实用中希望偏振无关，因此能够实现偏振模式自由选择情况下的零级抑制，在实际使用中也是非常需要的。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明给出了一种特定结构的相位掩模，采用梯形结构，并限定了梯形结构的参数，实现了透射248纳米波段激光的零级抑制，相位掩模的零级透过率可以被抑制在2％以内。

2.本发明的相位掩模，可以在TE或TM偏振模式自由选择的情况下，实现零级透射抑制，同时±1级透射衍射效率高于36％，与入射光的偏振状态无关。

附图说明

图1是本发明实施例一的梯形零级抑制相位掩模的几何结构示意图。

图2是实施例一的零级抑制相位掩模在以248nm为中心的波段内使用时，TE/TM偏振条件下零级和正负一级透射衍射效率与波长的关系曲线图。

图3是实施例一的零级抑制相位掩模，在248nm下使用时，TE/TM偏振条件下零级和正负一级透射衍射效率与梯形角的关系曲线图。

图4是实施例一中相位掩模的光刻胶掩模的记录光路示意图。

其中：1、氪离子激光器；2、分束器；3、反射镜；4、针孔滤波器；5、透镜；6、基片。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种248纳米波段的零级抑制相位掩模，主要由石英基片以及设置在石基基片一侧表面的槽形结构的光栅构成，所述相位掩模的光栅周期为1 050nm～1 090nm，槽形深度为240～260nm，所述光栅的每一凸起结构的截面形状为上窄下宽的梯形，梯形的顶部占宽比为0.40～0.46，梯形角为5～13度。

参见附图1所示，为梯形零级抑制相位掩模的几何结构示意图。所用石英基片在248nm下的折射率约为1.51。d代表相位掩模的槽深；Λ代表相位掩模的周期；梯形角为α；a/Λ定义为顶部占宽比；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。

本实施例的制备方法是，利用全息光刻结合微电子刻蚀技术制造梯形零级抑制相位掩模，首先采用全息干涉记录方式制作光刻胶掩模，见图4：利用氪离子激光器1(波长为413.1nm)经分束器2发出两束平面波，通过反射镜3反射后，经针孔滤波器4、透镜5，以2θ夹角在光刻胶基片6上形成掩模结构。我们采用涂布有苏州瑞红RZJ-390光刻胶的石英片作为记录基片，Λ代表相位掩模的周期，即相邻条纹的间距，其大小为Λ＝λ/(2×sinθ)，其中λ为记录光波长，在实验中采用的是413.1nm。通过改变θ的大小，可以控制掩模的周期。在这里根据光纤光栅的使用要求，来确定掩模的周期。接着，把光刻胶上的图形通过微电子刻蚀技术，包括反应离子刻蚀或离子束刻蚀，转移到石英基片上，去除剩余的光刻胶，即是相位掩模。

表1和表2给出了不同的参数选择下的实验结果。为了得到零级抑制、偏振模式自由选择的梯形石英相位掩模，在制作全息光刻胶掩模时，适当的控制掩模的占宽比，以及在刻蚀过中，适当选择槽形的刻蚀深度以及梯形角，就可以得到零级抑制、偏振模式自由选择的梯形石英相位掩模。

表1零级透射衍射效率η(％)(f＝0.425，α＝10度)

[Λ是相位掩模的周期(nm)，d为槽深(nm)]

表2零级透射衍射效率η(％)(Λ＝1070nm，d＝250nm)

[f是相位掩模的顶部占宽比，α为梯形角度(度)]

由表1和表2可知，该相位掩模的周期为1050nm～1090nm，相位掩模的深度为240～260nm，相位掩模的顶部占宽比为0.40～0.46，梯形角为5～13度时，无论TE模还是TM模，其零级透射衍射效率在248nm波长下能抑制在2％以内。这样该掩模的零级透射衍射效率无论对于TE模还是TM模，都能保证在2％以内，使得偏振模式可以自由选择。

本实施例同时研究了该优化结构在以248nm为中心的波段(230nm～270nm)内对应的TE/TM偏振模式下的零级透射衍射效率和±1级透射衍射效率，λ₀＝248nm，结果如图2所示。

在248nm下，梯形角α的变化对TE/TM偏振模式下的零级透射衍射效率和±1级透射衍射效率的影响，结果如图3所示。

本发明的梯形零级抑制相位掩模，可以同时使TE、TM偏振条件下零级透射衍射效率实现低于2％，同时±1级透射衍射效率实现高于36％的结果，特别是当相位掩模的周期是1070nm，深度是250纳米，顶部占宽比为0.425，梯形角为10度时，TE和TM偏振模式下的零级透射衍射效率均能抑制在0.5％以内。充分利用了全息干涉记录技术和高密度等离子体刻蚀技术、离子束刻蚀技术，可以大批量、低成本的生产，刻蚀后的相位掩模性能稳定、可靠，是用于248nm波段的高性能光纤光栅相位掩模。

Claims (2)

1.一种248纳米波段的零级抑制相位掩模，主要由石英基片以及设置在石基基片一侧表面的槽形结构的光栅构成，其特征在于：所述相位掩模的光栅周期为1050nm～1090nm，槽形深度为240～260nm，所述光栅的每一凸起结构的截面形状为上窄下宽的梯形，梯形的顶部占宽比为0.40～0.46，梯形角为5～13度。

2.根据权利要求1所述的零级抑制相位掩模，其特征在于：所述相位掩模的光栅周期为1070nm，槽形深度为250nm，梯形的顶部占宽比为0.425，梯形角为10度。

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