CN104777545A - 一种硅纳米砖阵列偏振分光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅纳米砖偏振分光器，属于微纳光学及偏振光学领域。一种硅纳米砖阵列偏振分光器，包括透明衬底和透明衬底上均匀分布的硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖为长方体，且纳米砖的排列方向相同；当入射光垂直入射时，偏振方向沿纳米砖长边和短边的光分别发生反射和透射。该硅纳米砖阵列偏振分光器能够使偏振方向互相垂直的两种线偏振光一种近乎全透、一种近乎全反，从而将这两种偏振态的光完全分离，同时不改变系统光轴方向；硅纳米砖偏振分光器可采用二元光学器件的制备方法，且容易对其进行大规模复制生产；具有分光效果好，体积小，重量轻，结构紧凑，易于集成，符合光学器件发展趋势。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光学及偏振光学领域，尤其涉及一种硅纳米砖阵列偏振分光器。
背景技术
对偏振态的控制，在许多光学系统中都是十分重要的，尤其是在工程光学中，研究人员常常需要获取、检验和测量光的偏振特性、改变偏振态，以及利用偏振特性进行一些物理量的测量等，而在这些研究中能产生和检验光的偏振态的器件是必不可少的。其中，偏振分光器是最重要的偏振器件之一，它能将偏振方向互相垂直的两种偏振态的光波分离开来，因此偏振分光器是光学仪器、光电显示、激光调制、激光隔离、光信息处理及其它众多应用中的关键器件。
传统偏振分光器件多为薄膜干涉型和双折射晶体型。薄膜干涉型偏振分光器件基于薄膜内光的干涉作用，偏振分束膜层数多，且要将其胶合在棱镜中；双折射晶体型偏振分光器件是利用晶体的双折射特性设计而成的，其受限于晶体种类及尺寸。而且，传统的偏振分光器件价格昂贵，工艺复杂，且体积大、重量重，不适合光集成，无法满足未来光子器件的发展趋势。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明结合超材料(metamaterial)理论，通过优化硅纳米砖结构参数，并据此制备纳米砖阵列，从而提供一种高效的、易于集成的符合光学器件发展趋势的硅纳米砖阵列偏振分光器。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种硅纳米砖阵列偏振分光器，包括透明衬底和透明衬底上均匀分布的硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖为长方体，且纳米砖的排列方向相同；当入射光垂直入射时，偏振方向沿纳米砖长边和短边的光分别发生反射和透射。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器的工作波长范围为1460nm-1625nm。
所述衬底材料为石英玻璃，硅纳米砖材料为硅薄膜。
所述硅纳米砖的长宽高均为亚波长。
所述硅纳米砖的长为400nm，高为500nm，宽为180-245nm。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器的制备方法为投影光刻法或电子束直写法。
一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其由衬底和在衬底上周期排列的硅纳米砖阵列构成，纳米砖的排列方向相同，其长宽高尺寸均为亚波长量级。当入射光垂直入射时，偏振方向沿纳米砖长边和短边的光分别发生高效的反射和透射，从而将这两种偏振态的光完全分离。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器，通过优化纳米砖的长宽高尺寸可使偏振分离效率达到最高；当固定住纳米砖的长度和高度，通过改变纳米砖的宽度可以改变峰值响应波长，从而使硅纳米砖阵列偏振分光器的工作波长范围从1460nm至1625nm，即覆盖光纤通信的S、C和L波段。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器，偏振分离后不改变系统光轴。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器，衬底材料为石英玻璃，纳米砖材料为硅薄膜。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器，在衬底面上两个方向排列的周期相同。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器，采用二元光学器件的制备方法，如投影光刻法、电子束直写法等，且可采用铸造法、模压法等方法对其进行大规模复制生产。
硅薄膜是不同于晶体硅的非晶硅材料，又称微晶硅、不定形硅，可以作为硅纳米砖。
本发明具有以下优点与积极效果：
1、和传统薄膜干涉型和双折射晶体型相比，本发明具有体积小、重量轻、结构紧凑、易于集成等重要优点，符合未来光器件发展趋势。
2、本发明对入射光偏振态不敏感(即不管入射光偏振态如何，均能够使偏振方向互相垂直的两种线偏振光一种透射一种反射，从而将这两种偏振态的光完全分离)，能够使偏振方向互相垂直的两种线偏振光一种透射一种反射，从而将这两种偏振态的光完全分离；且使用过程中不改变系统光轴，非常方便使用。
3、本发明所涉及的制造工艺成熟简单，可进行大规模、低成本的复制生产，具有极大的产业化前景。
附图说明
图1是硅纳米砖阵列偏振分光器的结构示意图。
图2是本发明中单个周期内的纳米砖单元结构示意图。
图3是本发明中实施例2针对主波长为1547.5nm制备的硅纳米砖偏振分光器偏振分光能力图。
图4是本发明中实施例3针对主波长为1460nm制备的硅纳米砖偏振分光器偏振分光能力图。
图5是本发明中实施例4针对主波长为1625nm制备的硅纳米砖偏振分光器偏振分光能力图。
其中，1-硅纳米砖；2-石英玻璃衬底；L为纳米砖长轴尺寸，W为纳米砖短轴尺寸，H为纳米砖高度，C为纳米砖周期尺寸大小。
具体实施方式
本发明提供的硅纳米砖偏振分光器，其在通信波段内可实现偏振方向相互垂直的两种线偏振光一种透射一种反射，从而达到偏振分光的效果。
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1-2所示，一种硅纳米砖阵列偏振分光器，包括透明衬底和透明衬底上均匀分布的硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖为长方体，且纳米砖的排列方向相同；当入射光垂直入射时，偏振方向沿纳米砖长边和短边的光分别发生反射和透射。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器的工作波长范围为1460nm-1625nm。
所述衬底材料为石英玻璃，硅纳米砖材料为硅薄膜。
所述硅纳米砖的长宽高均为亚波长。
所述硅纳米砖的长为400nm，高为500nm，宽为180-245nm。
所述硅纳米砖阵列偏振分光器的制备方法为投影光刻法或电子束直写法。
如图2所示，纳米砖单元基本结构包括一个纳米砖单元和相应的衬底，纳米砖阵列每个单元结构中衬底的长与宽称为纳米砖周期尺寸，均用C表示。
实施例2
本实施例选取通信波段内主波长λ0＝1547.5nm，硅纳米砖偏振分光器具体结构参数为：纳米砖周期尺寸C＝690nm，纳米砖长轴尺寸L＝400nm，纳米砖短轴尺寸W＝220nm，纳米砖高度H＝500nm。在纳米砖层上建立xyz坐标系后，其长轴沿x方向，短轴沿y方向，入射方向为z方向。当含有多种偏振态的光波入射至此硅纳米砖偏振分光器上时，沿y方向偏振的线偏振光透过该偏振分光器，而沿x方向偏振的线偏振光会发生反射，从而达到偏振分光的效果。
按照本实施例中参数提供的硅纳米砖偏振分光器在整个通信波段偏振分光效果如图3所示。由图中可以看出，针对主波长λ0＝1547.5nm设制备的硅纳米砖偏振分光器在主波长附近x方向偏振光反射率接近100％，即几乎达到全反射，而y方向透过率在90％以上。由图3可知，其在主波长附近具有很好的偏振分光效果。
实施例3
本实施例选取通信波段内主波长λ0＝1460nm，硅纳米砖偏振分光器具体结构参数为：纳米砖周期尺寸C＝690nm，纳米砖长轴尺寸L＝400nm，纳米砖短轴尺寸W＝180nm，纳米砖高度H＝500nm。在纳米砖层上建立xyz坐标系后，其长轴沿x方向，短轴沿y方向，入射方向为z方向。当含有多种偏振态的光波入射至此硅纳米砖偏振分光器上时，沿y方向偏振的线偏振光透过该偏振分光器，而沿x方向偏振的线偏振光会发生反射，从而达到偏振分光的效果。
按照本实施例中参数设计的硅纳米砖偏振分光器在整个通信波段偏振分光效果如图4所示。由图中可以看出，针对主波长λ0＝1460nm制备的硅纳米砖偏振分光器在主波长附近x方向偏振光反射率接近100％，即几乎达到全反射，而y方向透过率达到95％。由图4可知，其主波长附近具有很好的偏振分光效果。
实施例4
本实施例选取通信波段内主波长λ0＝1625nm，硅纳米砖偏振分光器具体结构参数为：纳米砖周期尺寸C＝690nm，纳米砖长轴尺寸L＝400nm，纳米砖短轴尺寸W＝245nm，纳米砖高度H＝500nm。在纳米砖层上建立xyz坐标系后，其长轴沿x方向，短轴沿y方向，入射方向为z方向。当含有多种偏振态的光波入射至此硅纳米砖偏振分光器上时，沿y方向偏振的线偏振光透过该偏振分光器，而沿x方向偏振的线偏振光会发生反射，从而达到偏振分光的效果。
按照本实施例中参数制备的硅纳米砖偏振分光器在整个通信波段偏振分光效果如图5所示。由图中可以看出，针对主波长λ0＝1625nm制备的硅纳米砖偏振分光器在主波长附近x方向偏振光反射率与y方向透过率均达到90％。由图5可知，其在主波长附近具有很好的偏振分光效果。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其特征在于：包括透明衬底和透明衬底上均匀分布的硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖为长方体，且纳米砖的排列方向相同；当入射光垂直入射时，偏振方向沿纳米砖长边和短边的光分别发生反射和透射。
2.根据权利要求1所述一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其特征在于：所述硅纳米砖阵列偏振分光器的工作波长范围为1460nm-1625nm。
3.根据权利要求1或2所述一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其特征在于：所述衬底材料为石英玻璃，硅纳米砖材料为硅薄膜。
4.根据权利要求1或2所述一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其特征在于：所述硅纳米砖的长宽高均为亚波长。
5.根据权利要求4所述一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其特征在于：所述硅纳米砖的长为400nm，高为500nm，宽为180-245nm。
6.根据权利要求1或2或4所述一种硅纳米砖阵列偏振分光器，其特征在于：所述硅纳米砖阵列偏振分光器的制备方法为投影光刻法或电子束直写法。
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