CN103777263A - 亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法及偶数分束器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，其用于制作可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构，其包括如下步骤：S11、确定入射波波长和光栅基底的材料的折射率；S13、根据目标偶数分束数构建评价函数；S15、利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合所述评价函数，优化获得所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽、槽宽及深度；S17、根据所述脊宽、所述槽宽及所述深度，制作所述亚波长矩形单周期光栅结构。获得的亚波长矩形单周期光栅结构可对不同的入射波波长实现较为理想的偶数分束效果；同时，具有所述亚波长矩形单周期光栅结构的偶数分束器可有效地实现偶数分束，且其为周期性矩形结构，易于生产复制，实用性强。

Description

亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法及偶数分束器

技术领域

本发明涉及衍射光学器件，尤其涉及一种可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法及偶数分束器。

背景技术

分束器是光学系统中起重要作用的分光元件，在光纤通信、光计算、图像处理和光盘存储等众多技术领域中，经常需要利用分束器将单一信号变换为多个信号输出。偶数分束器是将一束入射电磁波变换为偶数束输出，即1x2，1x4，1x6……，其具有对称分光效果及较高光能利用率的优点，使偶数分束器在搭建光学系统中具有重要意义。

普通光栅设计理论——标量衍射理论由于其设计局限性，无法产生高衍射效率偶数等光强分束的效果。

公告号CN201107422Y的中国专利提出一款达曼光栅结构偶数分束器，虽然实现较低的零级衍射效率低、较好的偶数分束效果，但由于其为复杂周期矩形结构，结构较为复杂，生产难度较大，不利于复制和应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法及偶数分束器，利用所述可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，可制作出结构简单、易于生产复制和应用的亚波长矩形单周期光栅结构及偶数分束器。

一种亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，其用于制作可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构，其包括如下步骤：

S11、确定入射波波长和光栅基底的材料的折射率；

S13、根据目标偶数分束数构建评价函数：

$\left\{\begin{array}{c}g\left(x\right)=\mathrm{\α}\underset{m=-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\η}\left(m\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_E}{N}|+\mathrm{\β}\×\mathrm{rms}+\mathrm{\μ}|1-{\mathrm{\η}}_E|+\mathrm{v\η}\left(0\right)\\ M=\frac{N}{2}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\μ}+v=1\\ {\mathrm{\η}}_E=\underset{m+-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right)\\ \mathrm{rms}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\end{array}\right.,$

其中，N为目标偶数分束数，α、β、μ、ν为权重因子，η_E为总衍射效率，rms为光强相对均匀性误差，I_max，I_min分别为N个衍射级中的最大光强和最小光强；

S15、利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合所述评价函数，优化获得所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽、槽宽及深度；

S17、根据所述脊宽、所述槽宽及所述深度，制作所述亚波长矩形单周期光栅结构。

本发明一较佳实施例中，所述光栅基底的厚度为所述入射波波长的1～5倍。

本发明一较佳实施例中，步骤S17中，采用二元光学深刻蚀工艺或反应离子刻蚀工艺制作所述可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构。

本发明另外提供一种偶数分束器，其具有亚波长矩形单周期光栅结构，所述亚波长矩形单周期光栅结构根据入射波波长和光栅基底的材料的折射率，直接在光栅基底的材料上制作而成，所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽、槽宽及深度由严格耦合波理论和全局优化算法结合评价函数优化获得，所述评价函数为：

$\left\{\begin{array}{c}g\left(x\right)=\mathrm{\α}\underset{m=-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\η}\left(m\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_E}{N}|+\mathrm{\β}\×\mathrm{rms}+\mathrm{\μ}|1-{\mathrm{\η}}_E|+\mathrm{v\η}\left(0\right)\\ M=\frac{N}{2}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\μ}+v=1\\ {\mathrm{\η}}_E=\underset{m+-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right)\\ \mathrm{rms}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\end{array}\right.,$

其中，N为目标偶数分束数，α、β、μ、ν为权重因子，η_E为总衍射效率，rms为光强相对均匀性误差，I_max，I_min分别为N个衍射级中的最大光强和最小光强。

本发明一较佳实施例中，所述光栅基底的厚度为所述入射波波长的1～5倍。

本发明一较佳实施例中，所述亚波长矩形单周期光栅结构采用二元光学深刻蚀工艺或反应离子刻蚀工艺直接在光栅基底的材料上制作而成。

相较于现有技术，利用本发明所提出的所述亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法获得的亚波长矩形单周期光栅结构可以对不同的入射波波长实现较为理想的偶数分束效果；同时，具有所述亚波长矩形单周期光栅结构的偶数分束器可以有效地实现偶数分束，且其为周期性矩形结构，具有较简单的结构，易于生产复制，而且成本较低、实用性强。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1为本发明提供的亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法的流程图。

图2为图1所示亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法获得的光栅结构。

图3为利用波长118.83um的光源系统搭建的测试光路示意图。

图4为1×4等光强分束光栅的远场衍射示意图。

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详细的说明。

请参阅图1，本发明提供一种亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，其用于制作可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构。所述亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法包括如下步骤：

S11、确定入射波波长和光栅基底的材料的折射率。

本实施例中，所述光栅基底的厚度D（如图2所示）为所述入射波波长的1～5倍，长度L可根据入射平行光束的大小确定。

本实施例中，所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽A、槽宽B及深度H的尺寸均为亚波长量级，且均与所述入射波波长相关。

S13、根据目标偶数分束数构建评价函数：

$\left\{\begin{array}{c}g\left(x\right)=\mathrm{\α}\underset{m=-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\η}\left(m\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_E}{N}|+\mathrm{\β}\×\mathrm{rms}+\mathrm{\μ}|1-{\mathrm{\η}}_E|+\mathrm{v\η}\left(0\right)\\ M=\frac{N}{2}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\μ}+v=1\\ {\mathrm{\η}}_E=\underset{m+-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right)\\ \mathrm{rms}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\end{array}\right.,$

其中，N为目标偶数分束数，α、β、μ、ν为权重因子，η_E为总衍射效率，rms为光强相对均匀性误差，I_max，I_min分别为N个衍射级中的最大光强和最小光强。

可以理解的是，所述目标偶数分束数N为二、四、六等偶数。

S15、利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合所述评价函数，优化获得所述可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽、槽宽及深度。

严格耦合波理论(Rigorous Coupled Wave Analysis，RCWA)一直广泛的使用在各种形状光栅的分析设计中，是一种直接有效的电磁场理论，它在光栅区域严格的求解麦克斯韦（Maxwell）方程，将麦克斯韦方程的求解问题化为一个求解特征函数的问题，得到光栅区域由特征函数耦合起来的电磁场表达式，然后在光栅区域与其它区域交界面上求解边界条件得到最终衍射效率的值。

严格耦合波理论是没有近似的严格方法，将介质光栅当作周期调制的平面波导处理，通过Maxwell方程组和边界条件进行求解波导模式的本征方程。求解过程分为三步：首先，对任意面型的光栅进行等厚或者等宽分层，然后在每一分层内对电磁场做傅里叶级数展开，由麦克斯韦方程组导出入射介质层和基底层电磁场的表达式；然后，利用傅里叶级数展开光栅层的介电常数，推导出耦合波微分方程组，将其转化为本征模式场的求解问题；最后，在不同区域边界上运用电磁场边界条件，采用一定的数学手段求解每一分层本征模式场的振幅系数和传播常数，进而确定光栅衍射效率或者近场分布情况。

可以理解的是，利用严格耦合波理论可精确的计算衍射器件的光场衍射分布。

本实施例中，利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合所述评价函数，优化获得所述可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽A、槽宽B及深度H，如图2所示。

本实施例中，所述评价函数的值越小，优化获得的所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽A、槽宽B及深度H越优。

S17、根据所述脊宽、所述槽宽及所述深度，制作所述亚波长矩形单周期光栅结构。

可以理解的是，制作所述亚波长矩形单周期光栅结构时，可以采用二元光学深刻蚀工艺或反应离子刻蚀工艺，由此即可获得确定脊宽A、槽宽B及深度H的亚波长矩形单周期光栅结构。

本发明另外提供一种偶数分束器，其具有所述亚波长矩形单周期光栅结构，可以有效地实现偶数分束。

实施例一

下面利用本发明所提出的所述亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法结合实例进行说明。

本实施例针对入射波波长为118.83um的入射偏振光进行四分束器设计，光栅基底的材料选为高阻硅，其对118.83um波长的入射波吸收较少，折射率为3.42。本实施例中，分束数为四分束，即N=4。

由此，所述评价函数可构建为：

$\left\{\begin{array}{c}g\left(x\right)=0.1\×\underset{m=-2,m\≠0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\η}\left(m\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_E}{4}|+0.4\×\mathrm{rms}+0.2\×|1-{\mathrm{\η}}_E|+0.3\×\mathrm{\η}\left(0\right)\\ {\mathrm{\η}}_E=\underset{m=-2,m\≠0}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right)\\ \mathrm{rms}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\end{array}\right.$

其中，η_E为总衍射效率，rms为光强相对均匀性误差，I_max，I_min分别为4个衍射级中的最大光强和最小光强。

利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合目标函数，优化获得所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽A、槽宽B及深度H，如表1所示。

表1118.83um波长的入射偏振光进行四分束器设计的优化结果

由表1可知，具有所述亚波长矩形单周期光栅结构的分束器可以对118.83um波长的电磁波实现四分束变换，且每束入射光的衍射效率均达到22.96%，而零级衍射效率仅为0.2%，总衍射效率达到91.84%。

本实施例中，进一步利用电子束直写技术制作掩模板，利用二元光学深刻蚀工艺加工所述亚波长矩形单周期光栅结构。

进一步地，本实施例利用波长118.83um的光源系统搭建测试光路，实验光路如图3所示，单色平面波1垂直入射到具有所述亚波长矩形单周期光栅结构的分束器2，经过会聚透镜3在透镜的焦平面4上产生光栅分束器的衍射图样，即无零级的多级衍射光强相等的光斑，图4显示了1×4等光强分束光栅的远场衍射示意图。

通过上述测试表明，具有所述亚波长矩形单周期光栅结构的分束器成功地实现了四分束的效果，且实验结果与理论模拟较好的相符。

实施例二

利用本发明所提出的所述亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，分别对其他入射频率的偶数分束器进行了器件结构模拟优化，优化出了不同波长的入射偏振波二分束、四分束、六分束的光栅结构参数（脊宽A、槽宽B及深度H），如表2所示。

表2不同波长的入射偏振波进行偶数分束器设计的优化结果

可知，利用本发明所提出的所述亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法获得的亚波长矩形单周期光栅结构可以对不同的入射波波长实现较为理想的偶数分束效果；同时，具有所述亚波长矩形单周期光栅结构的偶数分束器可以有效地实现偶数分束，且其为周期性矩形结构，具有较简单的结构，易于生产复制，而且成本较低、实用性强。

综上可知，相对于现有技术，利用本发明所提出的所述亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法获得的亚波长矩形单周期光栅结构可以实现任意波长入射光的偶数分束、零级衍射效率低、分束质量高、结构简单。

可以理解的是，由于本发明提供的偶数分束器是亚波长结构器件，因此标量衍射分析理论已不适用。本发明采用可精确计算衍射器件光场衍射分布的电磁矢量理论——严格耦合波理论计算入射光通过偶数分束器的光场分布；并根据设计目标，用严格耦合波理论结合全局优化算法设计优化所述亚波长矩形单周期光栅的结构参数（脊宽A、槽宽B及深度H）。

当入射光垂直入具有射所述亚波长矩形单周期光栅的偶数分束器时，其偏振方向与光栅齿的方向相关，入射光场受到光栅层亚波长结构的调制导致出射光场的衍射能量分布发生改变，从而可以消除零级衍射，实现偶数分束，总衍射效率可以达到90%以上，且相对均匀性误差小于1%，两分束、四分束零级衍射效率小于1%。

本发明所提出的所述亚波长矩形单周期光栅所需的设计参数少，设计效率高，可采用微光学、二元光学等加工方法，亦可采用高精度微机械加工技术及相关技术进行制作；此外由于所述亚波长矩形单周期光栅是矩形单周期结构，因此易于生产、便于复制，且制作成本较低、实用性较强。

以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，其用于制作可实现偶数分束的亚波长矩形单周期光栅结构，其特征在于，包括如下步骤：

S11、确定入射波波长和光栅基底的材料的折射率；

S13、根据目标偶数分束数构建评价函数：

$\left\{\begin{array}{c}g\left(x\right)=\mathrm{\α}\underset{m=-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\η}\left(m\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_E}{N}|+\mathrm{\β}\×\mathrm{rms}+\mathrm{\μ}|1-{\mathrm{\η}}_E|+\mathrm{v\η}\left(0\right)\\ M=\frac{N}{2}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\μ}+v=1\\ {\mathrm{\η}}_E=\underset{m+-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right)\\ \mathrm{rms}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\end{array}\right.,$

其中，N为目标偶数分束数，α、β、μ、ν为权重因子，η_E为总衍射效率，rms为光强相对均匀性误差，I_max，I_min分别为N个衍射级中的最大光强和最小光强；

S15、利用严格耦合波理论和全局优化算法，结合所述评价函数，优化获得所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽、槽宽及深度；

S17、根据所述脊宽、所述槽宽及所述深度，制作所述亚波长矩形单周期光栅结构。

2.如权利要求1所述的亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，其特征在于，所述光栅基底的厚度为所述入射波波长的1～5倍。

3.如权利要求1所述的亚波长矩形单周期光栅结构的制作方法，其特征在于，步骤S17中，采用二元光学深刻蚀工艺或反应离子刻蚀工艺制作所述亚波长矩形单周期光栅结构。

4.一种偶数分束器，其具有亚波长矩形单周期光栅结构，其特征在于，所述亚波长矩形单周期光栅结构根据入射波波长和光栅基底的材料的折射率，直接在光栅基底的材料上制作而成，所述亚波长矩形单周期光栅结构的脊宽、槽宽及深度由严格耦合波理论和全局优化算法结合评价函数优化获得，所述评价函数为：

$\left\{\begin{array}{c}g\left(x\right)=\mathrm{\α}\underset{m=-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\η}\left(m\right)-\frac{{\mathrm{\η}}_E}{N}|+\mathrm{\β}\×\mathrm{rms}+\mathrm{\μ}|1-{\mathrm{\η}}_E|+\mathrm{v\η}\left(0\right)\\ M=\frac{N}{2}\\ \mathrm{\α}+\mathrm{\β}+\mathrm{\μ}+v=1\\ {\mathrm{\η}}_E=\underset{m+-M,M\≠0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\η}\left(m\right)\\ \mathrm{rms}=\frac{I_{\max }-I_{\min }}{I_{\max }+I_{\min }}\end{array}\right.,$

其中，N为目标偶数分束数，α、β、μ、ν为权重因子，η_E为总衍射效率，rms为光强相对均匀性误差，I_max，I_min分别为N个衍射级中的最大光强和最小光强。

5.如权利要求4所述的偶数分束器，其特征在于，所述光栅基底的厚度为所述入射波波长的1～5倍。

6.如权利要求4所述的偶数分束器，其特征在于，所述亚波长矩形单周期光栅结构采用二元光学深刻蚀工艺或反应离子刻蚀工艺直接在光栅基底的材料上制作而成。

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