CN101571608B

CN101571608B - 用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅

Info

Publication number: CN101571608B
Application number: CN2009100527339A
Authority: CN
Inventors: 周常河; 冯吉军
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: CN101571608A

Abstract

一种用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅，该光栅的占空比为0.5、周期为888～894纳米、刻蚀深度为2.858～2.890微米。该分束光栅的TE偏振光和TM偏振光能同时满足其各自的-1级衍射效率和0级衍射效率之比与理想等光强分束情况(-1级和0级衍射效率比为1)的差别小于5％。

Description

用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅

技术领域

本专利涉及双通道偏振无关分束器件，特别是一种用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅。

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，其中双通道分束器(1×2分束器)是最为常用的一种分束器件。传统的基于多层介质膜的分束器能量损失较大，制造过程复杂，成本高。近年来兴起的光子晶体作为分束器，也同样存在着成本高，制造困难等缺点。一些文献报道了高密度相位光栅作为1×2分束器，基本是针对某一个特定的偏振态进行设计的【在先技术1：B.Wang et al.，Appl.Opt.47，4004(2008)】。而在实际应用中，偏振无关器件更为有利。而传统的可用作1×2分束器件的达曼光栅分束器，最高理论衍射效率仅有81.06％【在先技术2：C.Zhou and L.Liu，Appl.Opt.34，5961(1995)】。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，有很高的光学质量，温度稳定性好，激光破坏阈值高。以熔融石英为材料，已经设计和制造了低偏振相关损耗、高衍射效率光栅和偏振分束光栅。因此，若用熔融石英来制作双通道偏振无关分束光栅，将是非常合适的。

高密度矩形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，具有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。高密度矩形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3：M.G Moharamet 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，目前为止，还没有人针对光通信常用的1310纳米波段给出高密度深刻蚀熔融石英高效率透射双通道偏振无关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提供一种用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅，在入射光以布拉格角(入射角θ_in＝arcsin(λ/2/Λ)，λ为入射波长，Λ为光栅周期)入射到光栅面上时，该光栅可以对TE偏振光和TM偏振光同时实现-1级衍射和0级衍射的等光强透射，TE偏振光和TM偏振光的-1级衍射效率和0级衍射效率之比与理想等光强分束情况(-1级和0级衍射效率比为1)的差别均小于5％，总衍射效率高于94％。因而能够实现高衍射效率的深刻蚀熔融石英透射双通道偏振无关分束，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1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅，其特征在于该光栅的占空比0.5，光栅周期为888-894纳米、刻蚀深度为2.858-2.890微米。

所述的高密度矩形深刻蚀石英光栅的占空比为0.5，周期为891纳米，刻蚀深度为2.873微米。

本发明的依据如下：

图1显示了高密度矩形深刻蚀石英分束光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n₁＝1)和熔融石英(折射率n₂＝1.44692)。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。入射光以布拉格角入射到光栅面上时，该光栅可以对TE偏振光和TM偏振光，同时实现高效率双通道等光强分束。

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3】计算了高密度深刻蚀熔融石英光栅(占空比为0.5)在红外光1310纳米波段的-1衍射和0级衍射的效率比。依据理论计算得到矩形光栅的数值优化结果，如图2(a)所示，该光栅的周期为884-897纳米、刻蚀深度为2.858-2.890微米时，TE偏振光的-1级衍射和0级衍射的效率比与理想等光强分束情况(-1级和0级衍射效率比为1)的差别小于5％；如图2(b)所示，该光栅的周期为888-894纳米、刻蚀深度为2.811-2.927微米时，TM偏振光的-1级衍射和0级衍射的效率比与理想等光强分束情况的差别小于5％；即当光栅的周期为888-894纳米、刻蚀深度为2.858-2.890微米时，TE偏振光和TM偏振光的-1级衍射效率和0级衍射效率之比与理想等光强分束情况的差别同时小于5％。特别是光栅占空比为0.5，周期为891纳米，刻蚀深度为2.873微米时，可以使TE偏振光的-1级衍射和0级衍射的效率分别为47.42％和47.31％，TM偏振光的-1级衍射和0级衍射的效率分别为49.51％和49.34％，总衍射效率均高于94％，对TE和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率双通道分束。如此均匀的光强分布和高的衍射效率使得本发明能够成为一种非常理想的双通道偏振无关分束器件，具有非常重要的实用意义。

如图3所示，光栅的占空比为0.5，周期为891纳米，刻蚀深度为2.873微米，若考虑光通信1310纳米波段附近两种偏振模式的入射光以相应的布拉格角入射到光栅时，该偏振无关分束光栅在1302-1319纳米波长范围内，即对应于18纳米的谱宽范围，TE偏振光的-1级衍射和0级衍射的效率差的绝对值和TM偏振光的-1级衍射和0级衍射的效率差的绝对值同时小于5％。

附图说明

图1是本发明用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅的几何结构。图中，1代表区域1(折射率为n₁)，2代表区域2(折射率为n₂)，3代表光栅，4代表入射光，5代表0级衍射光，6代表-1级衍射光，θ_in代表入射角，θ₀代表0级衍射角，θ_-1代表-1级衍射角，Λ代表光栅空间周期，h代表光栅槽深，b代表光栅凸起的宽度(占空比f＝b/Λ)。

图2是本发明用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.44692，光栅占空比为0.5)在不同光栅周期和刻蚀深度下的-1级衍射效率和0级衍射效率比值的等高线图，(a)是TE偏振光以布拉格角入射的情况，(b)是TM偏振光以布拉格角入射的情况。

图3是本发明双通道偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.44692)占空比为0.5，光栅周期为891纳米，刻蚀深度为2.873微米，在1310纳米波段附近使用，各波长以相应布拉格角入射到光栅时，TE和TM偏振态下的-1级衍射效率和0级衍射效率随入射波长的变化曲线。

图4是全息光栅记录光路。图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表分束镜，10、11、12、13代表反射镜，14、15代表扩束镜，16、17代表透镜，18代表基片。

具体实施方式

利用微光学技术制造高密度深刻蚀矩形双通道分束光栅，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，S1818，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅(见图4)，采用He-Cd激光器7(波长为441.6纳米)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2sinθ)，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θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述衍射效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，接着再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，把光栅转移到熔融石英基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去除，就得到高密度深刻蚀表面浮雕结构的熔融石英光栅。

表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以获得本发明用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅。由表1并结合图2可知，该光栅的周期为888-894纳米、刻蚀深度为2.858-2.890微米时，TE偏振光-1级衍射和0级衍射效率的比值和TM偏振光-1级衍射和0级衍射效率的比值与理想等光强分束情况(-1级和0级衍射效率比为1)的差别同时小于5％，实现了将两种偏振模式相互垂直的光同时等光强分束。特别是光栅占空比为0.5、周期为891纳米、刻蚀深度为2.873微米时，本发明可以使TE偏振光-1级衍射和0级衍射的效率分别为47.42％和47.31％，TM偏振光-1级衍射和0级衍射的效率分别为49.51％和49.34％，总衍射效率均高于94％，对TE和TM偏振光可以同时实现近乎理想的高效率双通道分束。

本发明的高密度矩形深刻蚀石英透射光栅作为双通道偏振无关分束器，具有均匀的光强分布和高的衍射效率，是一种非常理想的1×2分束器件，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，可大批量、低成本生产，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，具有重要的实用前景。

表1 1310纳米波长入射下，0级衍射和-1级衍射的效率η，h为光栅深度，Λ为光栅周期

Claims

1.一种用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅，是一种矩形高密度深刻蚀光栅，光栅的占空比0.5，其特征在于该光栅周期为888～894纳米、刻蚀深度为2.858～2.890微米。

2.根据权利要求1所述的用于1310纳米波段的石英透射双通道偏振无关分束光栅，其特征在于所述光栅的周期为891纳米，刻蚀深度为2.873微米。