CN108761598A - 夹层式熔融石英偏振无关1×2分束光栅 - Google Patents

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Abstract

一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光，由矩形高密度深刻蚀光栅上加一层均匀熔融石英材料一体构成，该矩形光栅占空比为0.647～0.66、刻蚀深度为1.816～1.866微米、光栅周期为1.5微米，对TE和TM偏振光均可同时实现近乎理想的高效率1×2分束。该夹层式1×2偏振无关分束光栅可视为等效的法布里波罗(F‑P)腔，能有效抑制反射损失，在C+L波段和宽角度范围内使用。本发明光栅部分被夹在中间，可免于机械损伤和灰尘等，稳定性好。

Description

夹层式熔融石英偏振无关1×2分束光栅
技术领域
本发明涉及光纤通信波段的偏振无关分束器件，尤其是一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅。
背景技术
分束器是光学系统中的基本元件，被广泛应用于光通信、光信息处理等相关领域。传统的基于多层介质膜的分束器能量损失较大，制造过程复杂，成本高，而且激光破坏阈值不高，因此限制了多层膜结构的广泛应用。基于熔融石英的分束光栅温度稳定性好，激光破坏阈值高，此外，熔融石英分束光栅的制作可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能批量生产，因此具有重要的实用前景。
熔融石英光栅中矩形光栅制作简单，由于矩形深刻蚀光栅在界面处存在菲涅尔反射，反射值随入射角增大或光栅周期减小而增大，这使得衍射效率不能达到很高。为解决这个问题，W.Sun等人提出夹层式熔融石英光栅【授权发明专利号：201010224395.5】，得到了TE偏振下高效率1×2分束光栅。对于偏振无关光栅，难以得到宽带的光栅设计参数，因此限制了它在激光系统中的应用。通过合理的计算和参数设计，我们可以得到宽带高效率的偏振无关分束光栅。据我们所知，目前为止还没有人针对光纤通信的1550纳米波段给出夹层式熔融石英光栅作为宽带1×2偏振无关分束器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于光纤通信的1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅，在C+L波段入射光以利特罗角入射到光栅面上时，该光栅可以对TE和TM偏振光同时实现0级和-1级衍射等效率透射，效率之比接近1，总衍射效率高于97％。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅，包括熔融石英基片和深刻蚀矩形光栅，其特点是在所述矩形深刻蚀光栅上加一层厚度均匀的熔融石英，该矩形光栅的占空比为0.647～0.66，刻蚀深度1.816～1.866微米，光栅周期为1.5微米。
所述光栅的占空比为0.655，刻蚀深度为1.84微米的技术效果最好。
本发明的技术效果如下：
1)当分束光栅占空比为0.655，刻蚀深度1.84微米，TE偏振光0级和-1级衍射效率分别为49.67％和49.57％，TM偏振光0级和-1级衍射效率分别为48.69％和48.88％，总衍射效率高于97％，对TE和TM偏振光可同时实现近乎理想的高效率1×2分束，具有重要的实用意义。
2)本发明可视为等效的法布里波罗(F-P)腔，能有效一直反射损失，可以在C+L波段宽角度范围内使用，并且光栅部分被夹在中间，可免于机械损伤和灰尘等，稳定性好。本发明由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，工艺成熟，造价小，能批量生产，具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅的几何结构示意图。
图2是本发明夹层式1×2偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)在不同光栅周期和刻蚀深度下TE偏振光0级衍射和-1级衍射效率的比值。
图3是本发明夹层式1×2偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)在不同光栅周期和刻蚀深度下TM偏振光0级衍射和-1级衍射效率的比值。
图4是本发明夹层式1×2偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅占空比为0.655、刻蚀深度为1.84微米，在光纤通信的C+L波段使用，各个波长以相应的利特罗角入射到光栅上时，TE和TM偏振光入射下0级和-1级衍射效率随入射波长的变化曲线。
图5是本发明夹层式1×2偏振无关分束光栅(熔融石英的折射率取1.44462)光栅占空比为0.655、刻蚀深度为1.84微米，入射波长1550纳米，以不同入射角入射时，TE和TM偏振光入射下0级和-1级衍射效率随入射角度的变化曲线。
图中：1为空气(折射率n1＝1),2为熔融石英基片(折射率n2＝1.44462)，3为熔融石英(折射率n2＝1.44462)，4为光栅区域，5代表入射光，6代表0级衍射光，7代表-1级衍射光
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
本发明的依据如下：
先请参阅图1，图1是本发明1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅的几何结构示意图。图中：Λ代表光栅周期，h代表光栅槽深，b代表光栅凸起的宽度(占空比为f＝b/Λ)。区域1,2,3都是均匀的。光栅矢量K位于入射平面内，TE偏振光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面。线性偏振的入射光以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*Λ*n1))入射(定义为利特罗角)，λ代表入射波长，该光栅可以对TE和TM偏振光同时实现1×2等效率分束。由图可见，一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅，包括熔融石英基片2和深刻蚀在该熔融石英基片2上的矩形光栅4，所述的矩形光栅4上还设有一层厚度均匀的熔融石英材料3，该矩形光栅4的占空比为0.647～0.66，刻蚀深度为1.816～1.866微米，矩形光栅4周期为1.5微米。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术2：M.G.Moharam et.al.J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)】计算了夹层式熔融石英光栅(光栅周期为1.5微米)在光纤通信常用的1550纳米处TE和TM偏振光入射下0级和-1级衍射效率的比值。依据理论计算得到矩形光栅的数值优化结果，如图2所示，该光栅占空比的取值范围为0.647～0.66、刻蚀深度为1.812～1.871微米时，TE偏振光的0级和-1级衍射效率之比在0.95-1.05之间；如图3所示，该光栅占空比的取值范围为0.641～0.668、刻蚀深度为1.816～1.866微米时，TM偏振光的0级和-1级衍射效率之比在0.95-1.05之间；即当光栅占空比为0.647～0.66、刻蚀深度为1.816～1.866微米时，TE和TM偏振光的0级和-1级衍射效率之比均在0.95～1.05范围内。特别是光栅占空比为0.655，刻蚀深度为1.84微米时，可以使TE偏振光0级和-1级衍射效率分别为49.67％和49.57％，TM偏振光0级和-1级衍射效率分别为48.69％和49.88％，总衍射效率均高于97％，对TE和TM偏振光可以同时实现近似理想的高效率1×2分束。
如图4所示，光栅的占空比为0.655，刻蚀深度为1.84微米，若考虑1550纳米波段附近TE和TM偏振以各自对应的利特罗角入射到光栅时，该偏振无关分束光栅在1495～1605纳米波长范围内，TE和TM偏振光的0级和-1级衍射效率同时在50％±5％范围内。如图5所示，光栅占空比0.655，刻蚀深度1.84微米，入射波长1550纳米时，TE和TM偏振光以不同入射角入射到光栅时，该光栅在16.5～25.3°角度范围内，TE和TM偏振光的0级和-1级衍射效率同时在50％±5％范围内。因此，本发明夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅可以在C+L波段宽角度范围内使用。
由图2和图3，根据TE和TM偏振光入射下0级和-1级衍射效率的比值同时在0.95～1.05之间的要求选择光栅占空比及刻蚀深度，得到本发明一系列实施例，如表1所示，得到高效率衍射的熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅。测试结果表明与理论预期相符。
本发明的夹层式熔融石英透射光栅作为1×2偏振无关分束器，可有效抑制反射损失，具有均匀的光强分布和高的衍射效率，是一种非常理想的1×2偏振无关宽带分束器件，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可大批量、低成本生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是分束器的一种重要的实现技术，具有重要的实用前景。
表1 1550纳米波长入射下，0级和-1级衍射效率η，f为光栅占空比，h为光栅刻蚀深度

Claims (2)

1.一种用于1550纳米波段的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅，包括熔融石英基片(2)和深刻蚀在该熔融石英基片(2)上的矩形光栅(4)，其特征在于，所述的矩形光栅(4)上还设有一层厚度均匀的熔融石英材料(3)，所述的矩形光栅的占空比为0.647～0.66，刻蚀深度为1.816～1.866微米，矩形光栅的周期为1.5微米。
2.根据权利要求书1所述的夹层式熔融石英透射1×2偏振无关分束光栅，其特征在于，所述的矩形光栅的占空比为0.655，刻蚀深度为1.84微米。
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