CN103543482A - 通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜及其制造方法，涉及光器件领域，该制造方法包括以下步骤：以单晶硅和温度折射率关系为负值的聚合物为原材料，根据一维光子晶体全方位反射镜理论，利用电磁波的平面波展开算法解麦克斯韦方程组，解方程组后，计算出本全角度全偏振反射镜对所需波长全反射需要的材料相应厚度尺寸，按照该厚度尺寸在反射镜基底上镀上8组以上的周期结构即可。本发明通过改变厚度尺寸比来实现不同波长的全反射，不论在可见光还是通讯波段，都能够实现全反射镜。

Description

通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜及其制造方法

技术领域

本发明涉及光器件领域，特别是涉及一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜及其制造方法。

背景技术

硅通常用作红外反射镜和窗口片的基材，透光范围为1.5～8微米，由于硅具有高热传导性能和低密度，因此经常用于制作激光反射镜。例如：1.5～8微米范围的窗口片和透镜及CO2激光和分光光度计中的反射镜。由于硅的热敏感性，在应用中其温度特性非常明显，这也是硅基光学应用的一个研究热点。美国麻省理工学院（MIT）的研究人员在参考文献Opt.Express(2010)"Athermal operation of Siliconwaveguides:spectral,second order and footprint dependencies,"（硅波导的光谱的热不敏感性以及两级的封装）中提到在硅波导上加入聚合物实现的热不敏感的特性。并且之后，文献Group IV Photonics(GFP)9th IEEE International Conference(2012)."High capacity,Photo-trimmable Athermal Silicon Waveguides"（大容量的光子可调的热不敏感硅波导）和文献Optoelectronic Integrated Circuits XV,(March6,2013)“Photonic integrated circuits based on silica and polymer PLC”（基于硅和聚合物的平面光波导的集成光路）都有相关热不敏感硅波导的相关设计和实现。

另外，1998年Science报道了麻省理工学院（MIT）John D、YoelFink等人提出的一维光子晶体全方位反射镜理论。随后，美国3M公司按照一维光子晶体的设计思想，用高分子聚合物材料，最外层用聚乙烯一石脑油片制作的反射镜（3M Radiant Mirror Film），在正入射时反射带可覆盖整个可见光区和近红外区，0-90度的全角反射带为400-415nm及775-1020nm，反射率均可达到98%以上。该产品已批量生产，在应用中取得较好效果。由于其不仅可以被层压、印刷、产生浮雕效果，而且富于弹性、易于加工。最近国际著名化妆品雅诗兰黛用3M Radiant Mirror Film，在其香水瓶身诠释了材料的美丽。

公开号为US20062863961A的美国专利申请公开了一种膜系设计，它利用双折射光学薄膜具有的布鲁斯特角度要么非常大要么不存在，设计了具有高反射率的两个平面多层膜（在任何入射方向，任何偏振的情况下）获得了比较广的带宽，但是该专利并未在通信波段实现高反射。2012年太原理工大学申请专利，名称为《基于光子晶体的全可见光波段全角度反射器》，申请号为201210139917.0，其设计的膜系可以实现384～768nm全可见光波段的全角度反射，且反射率可以达到99.9%以上，但是其材料不是常见的镀膜材料，同时也无法利用在光通信波段上。

综上所述，目前的反射镜无法在通信波段实现高反射。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜及其制造方法，通过改变厚度尺寸比来实现不同波长的全反射，不论在可见光还是通讯波段，都能够实现全反射镜。

本发明提供一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜，包括反射镜前膜层和反射镜基底，所述反射镜前膜层为一维光子晶体结构，它由两种介电常数不同的材料周期排列组成，其对应长度分别为h和l，其周期长度为d=h+l，光子晶体沿着Z方向的晶格常数为a，倒格子的基矢为2π/a，两种材料分别用H和L表示，其折射率分别对应为n_H以及n_L，当入射光沿Z轴方向在一维光子晶体里传播的时候，其Z轴上存在的第一布里渊区为（-π/a，π/a），相应的频谱为：

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\frac{\mathrm{ck}}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}},$

其中：ω为角频率，向量k为波矢，ω（k）代表角频率为波矢k的函数，c为光速，ε为介电常数，ε(ω)代表ε为ω的函数，k的绝对值与波长λ成反比：|k|=2π/λ；

所述反射镜前膜层中的两种材料逐层镀在反射镜基底上，以两种材料分别镀一层其组合后，计为一个周期，反射镜基底上镀有8组以上的周期结构，反射镜前膜层对光的反射率达到99%以上。

在上述技术方案的基础上，所述反射镜基底为平整的玻璃或者金属。

本发明还提供上述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，包括以下步骤：

以单晶硅和温度折射率关系为负值的聚合物为原材料，根据一维光子晶体全方位反射镜理论，利用电磁波的平面波展开算法解麦克斯韦方程组：

$\▿\×E=-\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\μH}\right)$

$\▿\×H=J+\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ϵE}\right)$

$\▿\·\left(\mathrm{\ϵE}\right)=\mathrm{\ρ}$

$\▿\·\left(\mathrm{\μH}\right)=0$

其中：

为数学矢量微分算符，H为磁场强度，E为电场强度，ρ为电荷密度，J为电流密度，ε为介电常数，μ为磁导率，这些物理量都是时间t或者空间r的函数；

解方程组后，计算出本全角度全偏振反射镜对所需波长全反射需要的材料相应厚度尺寸，按照该厚度尺寸在反射镜基底上镀上8组以上的周期结构即可。

在上述技术方案的基础上，所述温度折射率关系为负值的聚合物为光学有机硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者氟化聚酰亚胺。

在上述技术方案的基础上，所述温度折射率关系为负值的聚合物为光学有机硅时，单晶硅折射率和光学有机硅的折射率分别为3.5和1.5，它们所构成的一个周期的厚度为a，在单晶硅、光学有机硅的厚度比为3：7的情况下，计算得到的P模式、S模式共同的全方向反射归一化频率范围是（0.231，0.298）（2πc/a），P模式指偏振在入射光线法线所成的入射面内，S模式指偏振与入射面垂直；取归一化频率（0.231，0.298）（2πc/a）的中心值0.2645（2πc/a），将1440nm波长与其对应，在1260～1620nm范围内都实现全角度全偏振反射，获得最小周期厚度a的真实值为380nm，单晶硅的厚度为115nm，光学有机硅厚度为265nm。

在上述技术方案的基础上，所述反射镜基底为平整的玻璃时，在玻璃的基底上周期的镀上8组单晶硅的厚度为115nm、光学有机硅厚度为265nm的薄膜，对于P偏振光，仿真得到全角度反射谱的范围是1260～1630nm，在该波长范围内，对于P偏振光，实现99.9%的全角度反射。

在上述技术方案的基础上，所述反射镜基底为平整的玻璃时，在玻璃的基底上周期的镀上8组单晶硅的厚度为115nm、光学有机硅厚度为265nm的薄膜，对于S偏振光，仿真得到全角度反射谱的范围是1260～1992nm，在该波长范围内，对于S偏振光，实现99.9%的全角度反射。

在上述技术方案的基础上，所述P偏振光和S偏振光同时实现全角度99.9%反射的光谱范围是1260～1630nm。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明通过对膜系材料的折射率、热温折射率变化匹配、膜系材料各自对应厚度等进行精确计算建模，设计出通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜，然后利用制造业中常用的镀膜软件进行反射镜效果的实现，对于需要反射的电磁波波段，通过改变厚度尺寸比来实现不同波长的全反射，不论在可见光还是通讯波段，都能够实现全反射镜。

附图说明

图1是本发明实施例中通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的结构示意图。

图2是一维光子晶体的结构示意图。

图3是本发明实施例中的膜系全方位反射禁带的计算示意图。

图4是P偏振在所列膜系的不同角度下的反射率示意图。

图5是S偏振在所列膜系的不同角度下的反射率示意图。

图6是P光和S光平均能量的反射率示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜，包括反射镜前膜层（front layers）和反射镜基底（substrate），反射镜前膜层为一维光子晶体结构，它由两种介电常数不同的材料周期排列组成，其对应长度分别为h和l，其周期长度为d=h+l，光子晶体沿着Z方向的晶格常数为a，倒格子的基矢为2π/a，两种材料分别用H和L表示，其折射率分别对应为n_H以及n_L。当入射光沿Z轴方向在一维光子晶体里传播的时候，其Z轴上存在的第一布里渊区为（-π/a，π/a），相应的频谱为：

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\frac{\mathrm{ck}}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}},$

其中：ω为角频率，向量k为波矢，ω（k）代表角频率为波矢k的函数，c为光速，ε为介电常数，ε(ω)代表ε为ω的函数，k的绝对值与波长λ成反比：|k|=2π/λ。

反射镜前膜层中的两种材料逐层镀在反射镜基底上，以两种材料分别镀一层其组合后，计为一个周期，反射镜基底上镀有8组以上的周期结构，反射镜前膜层对光的反射率可以达到99%以上。反射镜基底（substrate）可以选择比较平整的玻璃或者金属，以便实现反射镜前膜层的镀膜平整性。

参见图2所示，光入射介质可以根据设计的需要进行选择，这里选择折射率最低的空气，当然也可以选择折射率较低的其他介质镀在反射镜前膜层前，光出射介质（exit medium）可以选择任何介质。

本发明实施例提供一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，包括以下步骤：

以现代电路工艺里常用的单晶硅和温度折射率关系为负值的聚合物为原材料，聚合物可以是光学有机硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者氟化聚酰亚胺，也可以是符合温度折射率关系为负值的其他聚合物，根据一维光子晶体全方位反射镜理论，利用电磁波的平面波展开算法解麦克斯韦方程组：

$\▿\×E=-\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\μH}\right)$

$\▿\×H=J+\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ϵE}\right)$

$\▿\·\left(\mathrm{\ϵE}\right)=\mathrm{\ρ}$

$\▿\·\left(\mathrm{\μH}\right)=0$

其中：

是数学矢量微分算符，通常用来计算函数的梯度、散度、旋度等；H为磁场强度，E为电场强度，ρ为电荷密度，J为电流密度，ε为介电常数，μ为磁导率，这些物理量都是时间t或者空间r的函数。

解方程组后，计算出本全角度全偏振反射镜对所需波长全反射需要的材料相应厚度尺寸，按照该厚度尺寸在反射镜基底上镀上8组以上的周期结构即可。

对于需要反射的电磁波波段，可以通过改变厚度尺寸比来实现不同波长的全反射，不论在可见光还是通讯波段，都能够实现这种全反射镜。

首先，根据一维光子晶体全方位反射镜理论。选择合适的材料，以及与实验相匹配的薄膜结构厚度比，并且找到该结构的全方位反射频带以及其对应的频率范围，从表1中挑选单晶硅（Si）与光学有机硅、聚甲基丙烯酸甲酯、氟化聚酰亚胺中的任意一种聚合物进行组合。

表1、波长1550nm处光学材料的物理常数

由上表可以得出，光学有机硅、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、氟化聚酰亚胺（Fluorinated polyimides）是一类聚合物，它们的温度折射率关系与单晶硅是相反的，其取值为负。这样，当使用这两类正负材料组合时，其整体结构材料的折射率随温度变化就比较不明显了，就可以实现反射膜的温度不敏感性。

下面以单晶硅（Si）和光学有机硅的组合为例，进行这类膜系结构的组合计算：

反射镜前膜层是一维光子晶体结构，它通常由两种介电常数不同的物质周期排列组成，参见图2所示，其周期长度为d=h+l，沿着Z方向的晶格为a，倒格子的基矢为2π/a。两种材料分别用H和L表示，其折射率分别对应为n_H以及n_L。当入射光沿Z轴方向在一维光子晶体里传播的时候，其Z轴上存在的第一布里渊区为（-π/a，π/a），相应的频谱为：

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\frac{\mathrm{ck}}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}},$

对于这类一维光子晶体，利用电磁波的平面波展开算法编程计算，可以获得该结构的全方位反射频带以及其对应的频率范围。

温度折射率关系为负值的聚合物为光学有机硅时，单晶硅（Si）折射率nH和光学有机硅nL的折射率分别为3.5和1.5，设它们所构成的一个周期的厚度为a（也称为光子晶体的晶格常数），图3中，曲线表示Kx=0和Kx=0.5时的能带结构，斜直线表示光锥（Light line），其中左侧表示P模式：偏振在入射光线法线所成的入射面内，右侧表示S模式：偏振与入射面垂直，横坐标是平行极化波矢（单位2π/a），纵坐标是归一化频率（2πc/a）。在单晶硅Si（厚度用H表示）和光学有机硅（厚度用L表示）的厚度比为3：7的情况下，数值计算得到的P模式、S模式共同的全方向反射归一化频率范围是（0.231，0.298）（2πc/a）。

取归一化频率（0.231，0.298）（2πc/a）的中心值0.2645（2πc/a），可以将1440nm波长与其对应（这样可以在1260～1620nm范围内都实现全角度全偏振反射），于是可以获得该结构最小周期厚度a的真实值为380nm。以此，可以得到所设计膜系中，单晶硅Si的厚度为115nm，光学有机硅厚度为265nm。

将所获得的最小周期结构镀在基底材料上，基底材料可以根据实际需要进行选择。经过计算，当这种周期结构的周期数目达到8以上时，反射频率范围内的电磁波将基本不会进入到基底材料中。当然，也可以选择只对单一光偏振状态全角度反射的膜系，在单一偏振模式下，P光或S光只用考虑其中一个，它的全角度反射条件相对较松，是我们所设计的全偏振结构的简化特例。因为在设计中只需要考虑一种偏振状态的全角度反射，即如图3的横坐标ky的正值波分或者负值部分。因此只需要对全偏振情况进行简化即可，经过计算，相同的H、L周期排列膜系结构设计，当实现单一偏振反射膜时，周期数达到3就可能让一种偏振状态实现很好的全角度反射。

为了验证设计结果，用工业上常用的膜系设计软件进行仿真。反射镜基底为平整的玻璃时，在玻璃的基底上周期的镀上8组单晶硅Si的厚度为115nm、光学有机硅厚度为265nm的薄膜，参见图1所示，光的入射角度代表性的选择了0度，10度，20度，30度，40度，50度，60度，70度，80度，90度。图4为P偏振在所列膜系的不同角度下反射率示意图，参见图4所示，对于P偏振光，仿真得到全角度反射谱的范围是1260～1630nm。在这个波长范围内，对于P偏振光，基本能实现99.9%的全角度反射。图5为S偏振在所列膜系的不同角度下反射率示意图，参见图5所示，对于S偏振光，仿真得到全角度反射谱的范围是1260～1992nm。在这个波长范围内，对于S偏振光，基本能实现99.9%的全角度反射。而P光和S光同时实现全角度99.9%反射的光谱范围是：1260～1630nm，P光和S光的平均能量反射参见图6所示。

同样的方法，还可以选择硅与其他温度折射率关系为负值的聚合物材料的组合，来实现这种全方向全角度反射膜系。值得提出的是，这种利用硅基材料的设计一方面可以和现有的集成电路完善工艺结合，成本不高；另外一方面由于加入了聚合物，有弹性、易于加工，并且整体薄膜的热不敏感，有效提高了其使用的范围和条件。同时这种反射镜的反射率较高，无金属膜的吸光性，很有市场价值。

本发明实施例的原理详细阐述如下：

美国麻省理工学院（MIT）发现一类折射率基本不依赖温度的硅光波导结构。一般情况下随着温度的上升，硅的折射率会变大，而树脂等聚合物的折射率会变小。因此，波导的有效折射率基本固定。利用这一波导结构的原理，我们设计了硅和聚合物混合的薄膜层状结构，这在薄膜设计中是第一次。同样，波长对温度的依赖性基本就不存在了。

一般在介质高反膜的设计中，通常遵循的原则是：取两种交替介质薄膜的光学厚度为l／4的工作波长。由于对不同角度的入射光，介质薄膜的光学厚度不同，而且一维光子晶体也没有完全禁带，所以一般认为利用多层介质膜不可能实现对光的全方向反射。但是实际使用多层介质膜做反射镜时，入射到它表面的光沿介质膜法向的波矢必须是纯实数。因此，设计的一维光子晶体只要在光锥内存在完全禁带，就是一个理想的介质全方向反射镜。

光信号在入射介质中传播，经过本发明实施例中的全角度全偏振反射镜后，由于反射镜前膜层有完全的禁带，能够把各个角度入射的各种偏振光都高效率的反射回去，因此，光信号能够以任意偏振状态、任意角度几乎100%完全反射回去，而不会有光透过基底到达光出射介质中。

本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜，其特征在于：包括反射镜前膜层和反射镜基底，所述反射镜前膜层为一维光子晶体结构，它由两种介电常数不同的材料周期排列组成，其对应长度分别为h和l，其周期长度为d=h+l，光子晶体沿着Z方向的晶格常数为a，倒格子的基矢为2π/a，两种材料分别用H和L表示，其折射率分别对应为n_H以及n_L，当入射光沿Z轴方向在一维光子晶体里传播的时候，其Z轴上存在的第一布里渊区为（-π/a，π/a），相应的频谱为：

$\mathrm{\ω}\left(k\right)=\frac{\mathrm{ck}}{\sqrt{\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)}},$

其中：ω为角频率，向量k为波矢，ω（k）代表角频率为波矢k的函数，c为光速，ε为介电常数，ε(ω)代表ε为ω的函数，k的绝对值与波长λ成反比：|k|=2π/λ；

所述反射镜前膜层中的两种材料逐层镀在反射镜基底上，以两种材料分别镀一层其组合后，计为一个周期，反射镜基底上镀有8组以上的周期结构，反射镜前膜层对光的反射率达到99%以上。

2.如权利要求1所述的通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜，其特征在于：所述反射镜基底为平整的玻璃或者金属。

3.权利要求1或2所述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

以单晶硅和温度折射率关系为负值的聚合物为原材料，根据一维光子晶体全方位反射镜理论，利用电磁波的平面波展开算法解麦克斯韦方程组：

$\▿\×E=-\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\μH}\right)$

$\▿\×H=J+\frac{\∂}{\∂t}\left(\mathrm{\ϵE}\right)$

$\▿\·\left(\mathrm{\ϵE}\right)=\mathrm{\ρ}$

$\▿\·\left(\mathrm{\μH}\right)=0$

其中：

为数学矢量微分算符，H为磁场强度，E为电场强度，ρ为电荷密度，J为电流密度，ε为介电常数，μ为磁导率，这些物理量都是时间t或者空间r的函数；

解方程组后，计算出本全角度全偏振反射镜对所需波长全反射需要的材料相应厚度尺寸，按照该厚度尺寸在反射镜基底上镀上8组以上的周期结构即可。

4.如权利要求3所述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，其特征在于：所述温度折射率关系为负值的聚合物为光学有机硅、聚甲基丙烯酸甲酯或者氟化聚酰亚胺。

5.如权利要求4所述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，其特征在于：所述温度折射率关系为负值的聚合物为光学有机硅时，单晶硅折射率和光学有机硅的折射率分别为3.5和1.5，它们所构成的一个周期的厚度为a，在单晶硅、光学有机硅的厚度比为3：7的情况下，计算得到的P模式、S模式共同的全方向反射归一化频率范围是（0.231，0.298）（2πc/a），P模式指偏振在入射光线法线所成的入射面内，S模式指偏振与入射面垂直；取归一化频率（0.231，0.298）（2πc/a）的中心值0.2645（2πc/a），将1440nm波长与其对应，在1260～1620nm范围内都实现全角度全偏振反射，获得最小周期厚度a的真实值为380nm，单晶硅的厚度为115nm，光学有机硅厚度为265nm。

6.如权利要求5所述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，其特征在于：所述反射镜基底为平整的玻璃时，在玻璃的基底上周期的镀上8组单晶硅的厚度为115nm、光学有机硅厚度为265nm的薄膜，对于P偏振光，仿真得到全角度反射谱的范围是1260～1630nm，在该波长范围内，对于P偏振光，实现99.9%的全角度反射。

7.如权利要求6所述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，其特征在于：所述反射镜基底为平整的玻璃时，在玻璃的基底上周期的镀上8组单晶硅的厚度为115nm、光学有机硅厚度为265nm的薄膜，对于S偏振光，仿真得到全角度反射谱的范围是1260～1992nm，在该波长范围内，对于S偏振光，实现99.9%的全角度反射。

8.如权利要求7所述通信波段的热不敏感的全角度全偏振反射镜的制造方法，其特征在于：所述P偏振光和S偏振光同时实现全角度99.9%反射的光谱范围是1260～1630nm。

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