CN103364855A

CN103364855A - 偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅

Info

Publication number: CN103364855A
Application number: CN2013102699891A
Authority: CN
Inventors: 关贺元; 晋云霞; 刘世杰; 易葵; 邵建达
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-10-23

Abstract

一种偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅，其特点在于由石英基底和矩形光栅一体构成，该矩形光栅的周期为1000～1100纳米，占空比为0.57～0.655，所述的矩形光栅包括外层光栅和内层光栅构成，外层光栅为低折射率材料，厚度为350～414纳米；内层光栅为高折射率材料，厚度为1410～1480纳米。本发明双层透射光栅在入射角度为46.645°时，在1525-1575纳米范围内可同时使TE、TM偏振方向的-1级衍射效率高于96%，实现对偏振模式的自由选择。本发明结构简单，有较好的制备工艺容差，可大批量生产，在光纤通信领域具有重要的实用前景。

Description

偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅

技术领域

本发明涉及矩形光栅，特别是一种偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅。

背景技术

在激光通讯领域中，密集波分复用技术极大地提高了激光通信的容量，它的应用大大的缩小了通信信道间隔。实现密集波分复用技术主要依靠薄膜滤波器、阵列波导光栅、光纤布拉格光栅以及自由空间衍射光栅等器件。相比较而言，自由空间衍射光栅具有比较突出的优点，它具有损耗较低，信道间干扰较弱，工作比较稳定以及制作成本较低等。集成光学系统中，器件小的结构尺寸使得其存在大的偏振敏感性，许多器件都只能对一种偏振态的光实现良好功能。然而，从光纤中出射的光或在波导中传播的光，其偏振态是难以保证的，这样无法预知偏振态的光进入到前面所说的偏振敏感的器件中，器件的工作性能将无法得到保证，从而降低了系统的稳定性。高效率、宽带宽、低偏振相关损耗、工艺制作简单的偏振无关光栅还是目前的一个难题，对其进行研制是很有研究前景和实用意义的。

双层透射光栅的衍射理论，不能由标量光栅衍射方程来解析，而必须采用严格耦合波理论的算法【参见在先技术1：M.G..Moharametal.,J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】精确地计算出结果。据我们所知，没有人针对1550纳米波段给出高效率的双层结构透射光栅。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对1550纳米波段提供一种偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅，该光栅可以使TE、TM两种偏振模式的光在46.76°入射时，-1级衍射效率在110纳米范围（1500-1610纳米）波长带宽内高于95%，最高衍射效率高达98.2%。对应1550纳米波长，在10°范围（42°-52°）角度内TE、TM光-1级衍射效率高于96%。因此这个双层双层结构透射光栅在激光光纤通信中具有重要的实用意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅，其特点在于由石英基底和矩形光栅一体构成，该矩形光栅的周期为1000～1100纳米，占空比为0.57～0.655，所述的矩形光栅包括外层光栅和内层光栅构成，外层光栅为低折射率材料，厚度为350～414纳米；内层光栅为高折射率材料，厚度为1410～1480纳米。

所述的光栅外层的低折射率材料为SiO₂，厚度为350-414纳米；所述的光栅内层的高折射率材料为Si₃N₄、HfO₂、TiO₂或Ta₂O₅。

本发明的依据如下：

图1为本发明偏振无关双层透射光栅结构的剖面图。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。由图可见，光栅上方为空气（折射率为n=1），光从空气进入到矩形光栅，经过光栅调制，透射到基底。TE和TM偏振进入光栅层对应不同的边界条件，产生不同的等效折射率。这样，在光被光栅调制，-1级TE和TM偏振光透射率都很高，实现了偏振无关效果。

在图1所示结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了基于双层光栅的1550纳米波段的高衍射效率透射光栅的衍射效率，我们得到结论：

通过对所述金属介质膜偏振分束光栅的光栅深度、形状、周期和厚度优化设计，透射光在-1级TE和TM偏振透射率很高，可以实现偏振无关效果。

本发明的技术效果如下：

1、本发明光栅可以使TE、TM两种偏振模式的光在46.76°入射时，-1级衍射效率在110纳米范围（1500～1610纳米）波长带宽内高于95%，最高衍射效率高达98.2%。对应1550纳米波长，在10°范围（42°-52°）角度内TE、TM光-1级衍射效率高于96%。

2、本发明结构简单，有较好的制备工艺容差，可大批量生产，在光纤通信领域具有重要的实用前景。

附图说明

图1为本发明偏振无关高衍射效率双层透射光栅结构剖面图。

图2为实例1高衍射效率双层透射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图3为实例1高衍射效率双层透射光栅入射角度和衍射效率关系图。

图4为实例2高衍射效率双层透射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图5为实例3高衍射效率双层透射光栅入射波长和衍射效率关系图。

图中：

1-矩形光栅外层2-矩形光栅内层3-矩形光栅θ-入射角Λ-光栅周期f-占空比

具体实施方式

本发明提出的1550纳米波段偏振无关高衍射效率双层透射光栅模型的剖面结构如图1所示。特点在于其是由石英基底和矩形光栅一体构成，该矩形光栅分两层，外层为低折射率层，内层为高折射率层。

实施例1：

偏振无关高衍射效率双层透射光栅，由石英基底和矩形光栅3一体构成，该矩形光栅3的周期为1064纳米，占空比为0.64。该矩形光栅3有两层：外层光栅1为低折射率材料SiO₂（折射率为1.45），厚度为377纳米；内层光栅2为高折射率材料Si₃N₄（折射率为1.99），厚度为1426纳米。如图2入射角为46.76°时，在1500-1610纳米范围内，光栅TE和TM偏振的-1级透射率很高，高于96%，涵盖了光纤通信中常用的C+L波段（1512-1601纳米）。特别的，在1550纳米波长，透射率高于98%。如图3所示，当入射波长为1550纳米，在10°范围（42°-52°）角度内TE、TM光-1级透射率高于95%，其中最高透射率高于98%。这表明器件可以在较宽的入射角度范围内工作。

实施例2：

偏振无关高衍射效率双层透射光栅，由石英基底和矩形光栅3一体构成，该矩形光栅3的周期为1100纳米，占空比为0.61。矩形光栅3有两层：外层光栅1为低折射率材料SiO₂（折射率为1.46），厚度为369纳米；内层光栅2为高折射率材料HfO₂（折射率为1.96），厚度为1458纳米。如图4入射角为46.76°时，在1500-1610纳米范围内，光栅TE和TM偏振的-1级透射率高于95%。

实施例3：

偏振无关高衍射效率双层透射光栅，由石英基底和矩形光栅3一体构成，该矩形光栅3的周期为1040纳米，占空比为0.637。矩形光栅3有两层：外层光栅1为低折射率材料SiO₂（折射率为1.46），厚度为377.7纳米；内层光栅2为高折射率材料Ta₂O₅（折射率为2.04），厚度为1410纳米。如图5入射角为46.76°时，在1500-1610纳米范围内，光栅TE和TM偏振的-1级透射率高于95%。

本发明1550纳米波段偏振无关高衍射效率双层透射光栅，对TE和TM偏振光都具有很高的透射率，具有使用灵活、带宽较宽等优点，是理想的衍射光学器件，可以大批量，低成本生产，可用于光纤通信，具有良好实用前景。

Claims

1.一种偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅，其特征在于由石英基底和矩形光栅（3）一体构成，该矩形光栅（3）的周期为1000～1100纳米，占空比为0.57～0.655，所述的矩形光栅（3）包括外层光栅（1）和内层光栅（2）构成，外层光栅（1）为低折射率材料，厚度为350～414纳米；内层光栅（2）为高折射率材料，厚度为1410～1480纳米。

2.如权利要求1所述的偏振无关1550纳米高衍射效率双层透射光栅，其特征在于所述的光栅外层（1）的低折射率材料为SiO₂，厚度为350-414纳米；所述的光栅内层（2）的高折射率材料为Si₃N₄、HfO₂、TiO₂或Ta₂O₅。