CN106918856B - 一种半反半透型偏振分束光栅 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半反半透型偏振分束光栅，该光栅的归一化周期Λ/λ与入射角θ满足如下关系，其中，θ为入射角，λ为波长，Λ为周期，n 1 为基底材料折射率，n 2 为空气折射率；该光栅的TE波能量分配在反射零级衍射级次上，TM波能量分配在透射零级衍射级次上，入射波由光密介质入射到光疏介质，即n 1 >n 2 ，且透射+1级衍射处于倏逝临界位置，即θt,+1=90°；与现有的复杂制作工艺相比，半反半透型偏振分束光栅可以一次刻蚀制成，具有更好的光栅层稳定性；并且该光栅使TE波与TM波分量分别位于不同衍射级次，实现了高消光比的偏振光分束与极高的光能利用率。
Description
技术领域
本发明属于光学元件技术领域，具体涉及一种半反半透型偏振分束光栅。
背景技术
一维亚波长光栅结构由于具有沿单一方向的周期沟槽或折射率更替，因此对于TE波与TM波具有不同的衍射效应，这种衍射能量的重新分布特性使它能够成为一种偏振元件。
目前，亚波长光栅主要基于导模共振原理实现偏振光分束，这就需要构建波导层并使其等效折射率大于基底层与覆盖层，通常通过制备折射率周期变换的介质层或独立膜层来实现，其制作过程相对复杂，并且制作过程出现细微问题都将影响光栅层的稳定性及很难实现高消光比的偏振分束等问题。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种半反半透型偏振分束光栅，更好地实现了高消光比的偏振分束及极高的光能利用率，并且简化复杂制作工艺，同时也提高了光栅层的稳定性
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种半反半透型偏振分束光栅，该光栅的归一化周期Λ/λ与入射角θ满足如下关系
，其中，θ为入射角，λ为波长，Λ为周期，n 1 为基底材料折射率，n 2 为空气折射率；
该光栅的TE波能量分配在反射零级衍射级次上，TM波能量分配在透射零级衍射级次上，入射波由光密介质入射到光疏介质，即n 1 >n 2 ，且透射+1级衍射处于倏逝临界位置，即θt,+1=90°。
所述的一种半反半透型偏振分束光栅，其光栅以硅为基底材料，当中红外波长λ为=3～5μm，入射角θ=22～26°范围时，周期Λ为=1.97～2.14μm，占空比f=0.60～0.62，蚀刻深度h=2.2～2.4μm。
所述的一种半反半透型偏振分束光栅，当中红外波长λ为=4μm，入射角θ=23.84°时，周期Λ为=2.121μm，占空比f=0.609，蚀刻深度h=2.217μm。
本发明的有益效果是：与现有的复杂制作工艺相比，半反半透型偏振分束光栅可以一次刻蚀制成，具有更好的光栅层稳定性；并且该光栅使TE波与TM波分量分别位于不同衍射级次，实现了高消光比的偏振光分束与极高的光能利用率。
附图说明
图1是本发明的结构模型；
图2是本发明的波矢量图；
图3是本发明的关于周期与入射角的评价函数图；
图4和图5是本发明的光强分布图 (a) TE波入射 (b) TM波入射；
图6是本发明的出射光光谱；
图7是本发明的形状误差示意图；
图8是占空比f制造误差对偏振特性的影响；
图9是深度h制造误差对偏振特性的影响；
图10是边缘倾角α制造误差对偏振特性的影响。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，应对理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
一种半反半透型偏振分束光栅，该光栅的归一化周期Λ/λ与入射角θ满足如下关系
，即，
其中，θ为入射角，λ为波长，Λ为周期，n 1 为基底材料折射率，n 2 为空气折射率；基底材料可以是硅等多种不同材料，只要是满足上述公式中入射角与光栅归一化周期Λ/λ关系，可以衍生出该结构的不同参数组合的半反半透型偏振分束光栅，该光栅的TE波能量分配在反射零级衍射级次上，TM波能量分配在透射零级衍射级次上，入射波由光密介质入射到光疏介质，即n 1 >n 2 ，且透射+1级衍射处于倏逝临界位置，即θt,+1=90°。
当入射光采用λ为=3～5μm的中波红外近似平行光束，入射角θ=22～26°范围时，周期Λ为=1.97～2.14μm，占空比f=0.60～0.62，蚀刻深度h=2.2～2.4μm。
当中红外波长λ为=4μm，入射角θ=23.84°时，周期Λ为=2.121μm，占空比f=0.609，蚀刻深度h=2.217μm。
图1所示为半反半透型偏振分束光栅模型。光栅区域(0<z<h)沿x方向周期分布的介电常数与磁导率可表示为和，覆盖层区域1(z<0)和基底层区域2(z>h)的介电常数与磁导率分别为、、和。波长为的线偏振光以入射角入射到光栅界面，入射平面与光栅沟槽方向垂直，偏振角为。
如图2所示，半反半透型偏振分束光栅将TE波能量分配在反射零级衍射级次上，TM波能量分配在透射零级衍射级次上，此种分束形式下，入射波由光密介质入射到光疏介质即n 1 >n 2 ，且透射+1级衍射处于倏逝临界位置(θt,+1=90°)，光栅归一化周期Λ/λ与入射角θ满足如下关系：
即。
进一步的，图3显示了偏振分束光栅评价函数η与上式推导关系基本吻合。由图可知，最优化的结果分布基本符合上文公式。
进一步的，在此种分光模式下，虽然反射+1级衍射理论上存在，但是通过参数优化设计，它只携带了较少能量，对偏振分光消光比和光能利用率的影响有限。例如在硅基底上建立半反半透型偏振分束光栅仿真模型，采用入射光4μm中波红外近似平行光束，图4、图5为FDTD仿真计算结果，结构参数如下：周期Λ=2.121μm，占空比f=0.609，沟槽深度h=2.217μm，入射角θ=23.84°。
进一步的，图6光谱特性显示该偏振分束光栅对TE波在较宽的波段范围内具有高消光比(>20dB)，而对于TM波，消光比大于20dB的光谱宽度约为0.03λ。由此可见，该半反半透型偏振分束光栅达到了极高的消光比与光能利用率。
进一步的，光栅的轮廓误差将在制备过程中不可避免地引入，它们主要包括沟槽刻蚀深度误差、占空比偏差以及微结构形状误差，如图7所示。这些形状尺寸的改变将影响亚波长光栅的衍射特性，从而降低偏振消光比和光能利用率。利用RCWA方法对占空比f，深度h，边缘倾角α等误差来源进行分析。
进一步的，如图8至图10所示，对于半反半透型偏振分束光栅，实现TE波与TM波的最大消光比的占空比位置一致，这主要由于无用衍射级次的倏逝使得能量能够完全保留在有用的两个衍射级次上，但是也使得形状尺寸的容差很小，偏振消光比迅速下降到20dB以下。因此具有相对小的消光比和较弱的误差敏感性。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的各实施例技术方案的范围。并且本发明权利要求保护范围不限于上述实施例。
Claims (2)
1.一种半反半透型偏振分束光栅，其特征在于：
该光栅的归一化周期Λ/λ与入射角θ满足如下关系
，其中，θ为入射角，λ为波长，Λ为周期，n 1 为基底材料折射率，n 2 为空气折射率；
该光栅的TE波能量分配在反射零级衍射级次上，TM波能量分配在透射零级衍射级次上，入射波由光密介质入射到光疏介质，即n 1 >n 2 ，且透射+1级衍射处于倏逝临界位置，即θt,+1=90°；
该光栅以硅为基底材料，当中红外波长λ为=3～5μm，入射角θ=22～26°范围时，周期Λ为=1.97～2.14μm，占空比f=0.60～0.62，蚀刻深度h=2.2～2.4μm。
2.根据权利要求1所述的一种半反半透型偏振分束光栅，其特征在于，当中红外波长λ为=4μm，入射角θ=23.84°时，周期Λ为=2.121μm，占空比f=0.609，蚀刻深度h=2.217μm。
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