CN101907735A

CN101907735A - 夹层式熔融石英透射1×2分束光栅

Info

Publication number: CN101907735A
Application number: CN 201010224395
Authority: CN
Inventors: 周常河; 孙文婷
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2010-12-08

Abstract

一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅，特点在于其是由矩形深刻蚀光栅上加一层基底材料一体构成，该矩形光栅的周期为931-956纳米、刻蚀深度为1.022-1.064微米，光栅占空比为0.5。该夹层式1×2分束光栅可视为等效的法布里珀罗(F-P)腔，能有效抑制反射损失，可以在C+L波段宽角度范围使用。本发明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以及接合技术加工而成。由于光栅部分被夹在中间，可免于机械损伤和灰尘等，稳定性好。

Description

夹层式熔融石英透射1×2分束光栅

技术领域

本发明涉及光纤通信波段1×2分束器，特别是一种1550纳米波长的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅。

背景技术

分束器是将一束入射光分成几束能量相等的出射光或将一路光信号分成多路光信号的器件，在光通信、光信息处理等许多领域中被广泛应用。传统的基于多层介质膜的分束器由于经过多次折射和反射能量损耗较大、制造过程复杂，成本高，而且在光功率很大时，分束系统元件上的镀膜容易损伤。近年来兴起的光子晶体作为分束器，也同样存在着制造困难，成本高等缺点。而熔融石英是一种理想的光学材料，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。因而，用熔融石英来制作分束光栅应用于高功率激光系统中，具有重要的实用意义。此外，熔融石英分束光栅的制造可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能够大量生产，因此具有重要的实用前景。

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。高密度矩形深刻光栅的衍射理论，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 etal.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。在先技术2【授权发明专利号：200710048186.8】利用上述算法给出了实现1×2分束的深刻蚀矩形光栅装置。

由于矩形深刻蚀光栅在界面处存在菲涅尔反射，反射值随入射角增大或光栅周期减小而增大，这使得矩形深刻蚀光栅的衍射效率不能达到很高。为解决这个问题，J.Zheng等人提出深刻蚀三角槽形石英光栅【在先技术2：J.Zheng etal.，Opt.Lett.33，1554-1556(2008)】，该光栅具有抗反射效应，但难于实际制作。而夹层式矩形深刻蚀光栅由于其可视为等效的法布里珀罗(F-P)腔，通过合理设计，也可以具有很好的抗反射效应，且可以实现。据我们所知，目前为止还没有人针对光纤通信的1550纳米波段给出夹层式深刻蚀光栅作为1×2分束器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对光纤通信的1550纳米波段提供一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅，该光栅能有效抑制反射。TE偏振光以利特罗角入射到光栅面上时，0级衍射和1级衍射的透射效率之和高于99.7％，效率之比接近1，因此该夹层式1×2分束光栅能够实现对TE偏振光高效率1×2透射分束。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅，包括在石英基片上深刻蚀矩形光栅，其特点是在所述的深刻蚀矩形光栅上加一层厚度均匀的石英一体构成的，该矩形光栅的周期为931～956纳米，刻蚀深度为1.022～1.064微米，光栅的占空比为0.5。

所述光栅的周期为943纳米，刻蚀深度为1.0425微米的技术效果最好。

本发明的技术效果如下：

本发明夹层式熔融石英透射1×2分束光栅的特点是在所述的深刻蚀矩形光栅上加一层厚度均匀的石英一体构成的，该矩形光栅的周期为931-956纳米、刻蚀深度为1.022-1.064微米，光栅占空比为0.5时，TE偏振光在0级和1级的透射衍射效率之和高于99.7％，衍射效率之比在0.95-1.05之间；特别是光栅周期为943纳米，刻蚀深度为1.0425微米时，0级和1级的透射衍射效率分别为49.886％和49.893％，实现对TE偏振光高效率1×2透射分束。该夹层式1×2分束光栅可视为等效的法布里珀罗(F-P)腔，能有效抑制反射损失，可以在C+L波段宽角度范围使用。本发明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以及接合技术加工而成。由于光栅部分被夹在中间，可免于机械损伤和灰尘等，稳定性好。

附图说明

图1是本发明1550纳米波长的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅的几何结构示意图。

图2是本发明夹层式透射1×2分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)在不同光栅周期和刻蚀深度下0级衍射和1级衍射效率的比值。

图3是本发明夹层式透射1×2分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)在不同光栅周期和刻蚀深度下0级衍射和1级衍射效率的和。

图4是本发明夹层式透射1×2分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅周期为943纳米、光栅深度1.0425微米，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模式下0和1级衍射效率随入射波长的变化曲线。

图5是本发明夹层式透射1×2分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅周期为943纳米、光栅深度1.0425微米，入射波长1550纳米下，当入射角变化时，TE模式下0和1级衍射效率随入射角度的变化曲线。

图6是全息光栅记录光路。图中8代表氦镉激光器，9代表快门，10、12、13、14、15代表反射镜，11代表分束镜，16、17代表扩束镜，18、19代表透镜，20代表基片。

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。

本发明的依据如下：

先请参阅图1，图1是本发明1550纳米波长的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅的几何结构示意图。由图可见，本发明用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅，包括在石英基片2上深刻蚀矩形光栅4，其特点是在所述的深刻蚀矩形光栅4上加一层厚度均匀的石英3一体构成的，该矩形光栅的周期为931～956纳米，刻蚀深度为1.022～1.064微米，光栅的占空比为0.5。

图中：Λ代表光栅周期，h代表光栅槽深，b代表光栅凸起的宽度(占空比为f＝b/Λ)。区域1，2，3都是均匀的，1为空气(折射率n₁＝1)，2、3均为熔融石英(折射率n₂＝1.44462)，区域4为光栅，5代表入射光，6代表0级衍射光，7代表1级衍射光。光波矢量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。线性偏振的光波以一定角度θ_i＝sin^-1(λ/(2*Λ*n₁))入射(定义为1级Bragg条件)，λ代表入射波长。

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】计算了夹层式熔融石英光栅(占空比为0.5)在光纤通信常用的1550纳米处0级和1级衍射效率的比值和衍射效率总和。依据理论计算得到夹层式光栅的数值优化结果，如图2所示，该光栅的周期的取值范围为931-956纳米、刻蚀深度为1.022-1.064微米时，TE偏振光0级衍射和1级衍射效率比在0.95-1.05之间；如图3所示，该光栅的周期为927-965纳米、刻蚀深度为1.018-1.07微米时，TE偏振光的0级和1级衍射效率之和高于99.7％，即当光栅的周期为931-956纳米、刻蚀深度为1.022-1.064微米时，TE偏振光0级衍射和1级衍射可同时满足效率和高于99.7％和效率比偏离1小于5％，而且计算可得在上述周期和深度范围内，0级和1级衍射的效率差小于2.5％。特别是当光栅周期为943纳米，刻蚀深度为1.0425微米时，TE偏振光0级和1级的透射效率分别为49.886％和49.893％，其比值为0.9999，衍射效率和为99.78％，实现近乎理想的高效率1×2分束。

如图4所示，光栅的周期为943纳米，深度为1.0425微米，若考虑1550纳米附近入射光各自以对应的Littrow角度入射到光栅时，该1×2分束光栅在C+L波段0级和1级衍射效率差不大于3.08％；如图5所示，TE偏振光以55.27°角度(对应入射波长为1550纳米时的Littrow角度)附近入射到光栅时，光栅的周期为943纳米，深度为1.0425微米，该1×2分束光栅在45°-65°角度范围内0级和1级衍射效率差不大于2.74％，且衍射效率和均高于99.2％，因此，本发明夹层式熔融石英透射1×2分束光栅可在C+L波段宽角度范围内使用。

本发明夹层式熔融石英透射1×2分束光栅的制备方法如下：

利用微光学技术制造夹层式熔融石英透射1×2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，S1805，USA)，然后采用全息记录方式记录光栅(见图6)，采用He-Cd激光器8(波长为441纳米)作为记录光源。记录全息光栅时，快门9打开，从激光器发出的窄光束通过反射镜10后，经过分束镜11分成两窄光束，一束通过反射镜12后，经过扩束镜16、透镜18形成宽平面波；另一束通过反射镜13后，经过扩束镜17、透镜19形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜14、15后，以2θ夹角在基片20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/(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θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述具体参数设计)，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。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。最后使用接合技术，在一块表面平整度高的石英基片上均匀涂上一层与基片材料折射率匹配的光胶，在一定的温度和压力下将其与矩形光栅粘为一体，就得到夹层式高密度深刻蚀矩形石英光栅。在制作的过程中，需要严格控制光刻胶的厚度，曝光时间，以及刻蚀速率和刻蚀时间，以使得刻得的深度更接近理论值，槽形更接近矩形。

在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得到高效率1×2透射分束光栅。结合图2、图3可知，该光栅周期为931-956纳米、刻蚀深度为1.022-1.064微米，光栅占空比为0.5时，TE偏振光在0级和1级的衍射效率之和高于99.7％，衍射效率之比偏离1小于5％。特别是当光栅周期为943纳米，刻蚀深度为1.0425微米时，TE偏振光0级和1级的透射效率分别为49.886％和49.893％，其比值为0.9999，衍射效率和为99.78％，实现近乎理想的高效率1×2分束。

本发明的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅可有效抑制反射损失，TE偏振光0级和1级衍射效率的比值、和均近似为1，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以及接合技术加工而成，其一体的构造便于清洁等处理，稳定性好。原则上，根据本发明的构思，对任意波长都有相应的结构能实现其高效率1×2透射分光功能。

Claims

1.一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅，包括在石英基片(2)上深刻蚀矩形光栅(4)，其特征是在所述的深刻蚀矩形光栅(4)上加一层厚度均匀的石英(3)一体构成的，该矩形光栅的周期为931～956纳米，刻蚀深度为1.022～1.064微米，光栅的占空比为0.5。

2.根据权利要求1所述的夹层式熔融石英透射1×2分束光栅，其特征在于所述光栅的周期为943纳米，刻蚀深度为1.0425微米。