CN109655951A - 一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅 - Google Patents
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Abstract
一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，涉及用于光通信的反射光栅领域，包括衬底，衬底上方覆盖有反射金属层，金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um,第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um，本发明要解决的技术问题是针对光通信用1550纳米波段提供偏振不相关宽带反射光栅，该光栅可以使TE和TM偏振光在中心波长对应的利特罗角入射的情况下的‑1级衍射效率在100纳米的波长带宽内（1500〜1600纳米）高于90%。本发明具有结构简单、偏振无关、宽带的优点，其在波分复用技术里有重要实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及用于光通信的反射光栅领域，具体涉及一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅。
背景技术
波分复用(WDM)技术能够在单根光纤复用几十甚至上百个波长，以满足增长的对带宽的需求，是提高通信能力的有效方法之一。波分复用技术现已提高得可以传送数百个波长的激光，每个波长间的间隔1.6nm、0.8nm或0.4nm，甚至0.2nm，这种技术称作密集波分复用(DWDM)。WDM已经广泛应用于长途传输中，也开始进入短程光通信网络中。
波分复用器是波分复用光纤通信系统中最关键的器件。平面衍射光栅是传统的色散元件，具有结构简单、衍射效率高、温度稳定性好等特点，该器件在光通信行业领域已经广泛使用。光纤中的光学信号具有不确定的偏振态，其需要多路复用（解复用）器基本上是偏振不灵敏的，以便最小化偏振相关损耗。即对衍射光栅要求偏振不敏感。
美国专利US8989537B2描述了适用于光通信的偏振不相关透射型光栅。但是很多光路设计中，比如目前波分复用技术最新发展的波长选择技术(WSS), 需要用到反射型偏振不相关光栅。为了提高衍射效率，一般采用亚波长光栅结构，即光栅周期小于或接近工作波长，也称为高密度光栅。该种光栅一般对入射光的偏振敏感，即针对一个偏振衍射效率达到最大值，另外一个偏振衍射效率会比较低。
高密度光栅的衍射不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术4:M.G.Moharam et al，J.Opt.Soc.AmA.12，1077(19%)】。利用严格耦合波分析，可以计算光栅的衍射效率，将合严格耦合波分析与模拟退火算法相结合，可以优化设计偏振不相关宽带反射光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对光通信用1550纳米波段提供偏振不相关宽带反射光栅，该光栅可以使TE和TM偏振光在中心波长对应的利特罗角入射的情况下的-1级衍射效率在100纳米的波长带宽内（1500〜1600纳米）高于90%。本发明具有结构简单、偏振无关、宽带的优点，因此该反射光栅在波分复用技术里有实用价值，其技术方案如下：
一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，包括衬底，衬底可以选择透明材料或者金属、陶瓷等不透明材料,所述衬底上方覆盖有反射金属层，所述金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，第二折射膜层的折射率在2左右，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um，第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um。
进一步地，所述光栅的周期为1060纳米、光栅占空比为0.55，第一、二折射膜层厚度分别为0.32、0.73um。
进一步地，所述第一、二折射膜层的折射率分别为1.444、1.998。
进一步地，所述第一折射膜层材质为二氧化硅。
进一步地，所述第二折射膜层材质为氮化硅、五氧化二钽或氧化铪。
进一步地，所述衬底为硅片、熔融石英、金属、玻璃或陶瓷。
进一步地，所述金属层的材质为金、银、铝或铜。
依据上述技术方案，本发明的偏振不相关宽带反射光栅，具有结构简单、对衬底材料无要求、偏振不敏感、衍射效率高的特点，特别是当金属层材质选择金，光栅的周期为1.06um，第一折射膜层为0.32um厚度的二氧化硅，第二折射膜层为0.73um厚度的氮化硅，光栅占空比为0.55时，波长范围在1500〜1600nm内的入射光沿利特罗角度入射，TE和TM膜衍射效率均高于90%；如果用零膨胀玻璃或者低热膨胀系数的陶瓷衬底，比目前普遍采用的熔融石英衬底的光栅热稳定性更好，可应用于波分复用系统。
附图说明
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明的偏振不相关宽带反射光栅的几何结构示意图；
图2为本发明在金属层材质为金、光栅周期为1060纳米、光栅占空比为0.55、第一、二折射膜层厚度分别为0.32、0.73um，入射角度沿利特罗角入射时衍射效率随入射光波长的变化特性曲线。
其中，1、衬底；2、金属层；3、第一折射膜层；4、第二折射膜层；5、入射光；6、衍射光。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1，图1是本发明偏振不相关宽带反射光栅的几何结构示意图。本实施例衬底1采用硅片，金属层2采用金，光栅为二层结构，底部第一折射膜层3是二氧化硅薄膜，顶部第二折射膜层4是折射率为2左右的氮化硅薄膜。氮化硅薄膜折射率为1.998,二氧化硅薄膜折射率为1.444，利用严格耦合波法优化光栅的周期为1060纳米，优化第一折射膜层3和第二折射膜层4厚度为0.32um和0.73um。针对1550纳米波段TE和TM两个偏振入射角度45度左右，-1级衍射效率均在95%以上。该光栅的周期为0.99〜1.15um，光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层3厚度为0.27um〜0.55um, 第二折射膜层4厚度为0.67〜0.85um。
图1中入射光5从空气中以中心波长对应的利特罗角θ入射，衍射光6与入射光5平行反向，b表示光栅宽度，d表示光栅的周期,光栅占空比定义为f=b/d。金属层在很宽有光谱范围内都具较高的反射率，因此如图1所示几何结构的光栅，可以用于设计中心波长为1550纳米的偏振不相关宽带反射光栅。在如图1所示的光栅结构下，如图2所示，本发明采用严格耦合波理论计算了该反射光栅的-1级衍射效率随入射光波长的变化曲线即当光栅的周期为1060纳米，光栅占空比为0.55，第一、二折射膜层（3、4）厚度分别为0.32um、0.73um时， TE或TM偏振光以中心波长1550纳米对应的利特罗角46.6度入射时，该光栅的-1级衍射效率在100纳米波长带宽（1500〜1600纳米)内均大于90%。
表1给出了本发明的一系列实施例。当第一、二折射膜层（3、4）厚度分别为0.32um、0.73um、光栅占空比为0.55时，中心波长衍射效率随光栅的周期的变化数据。由表1可知，光栅的周期d在0.99〜1.14微米，入射光中心波长1550nm TE和TM偏振衍射效率均大于90%。
表2给出了本发明的另一系列实施例，其中光栅的周期d为1060纳米、光栅占空比为0.55，光栅底部的第一折射膜层3厚度为0.32um时，中心波长衍射效率随光栅的第二折射膜层4厚度的变化数据。由表2可知，第二折射膜层4厚度为067〜0.8um时，入射光中心波长1550nm两个偏振TE和TM模衍射效率均大于90%。
表3给出了本发明的另一系列实施例。当第一、二折射膜层（3、4）厚度分别为0.32um、0.73um时，中心波长衍射效率随光栅占空比的变化数据。由表3可知，光栅占空比f在0.52〜0.57之间，入射中心波长1550nm两个偏振TE和TM衍射效率均大于90%。
表1
表2
表3
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (7)
1.一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，包括衬底，所述衬底上方覆盖有反射金属层，所述金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um,第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um。
2.如权利要求1所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述光栅的周期为1060纳米、光栅占空比为0.55，第一、二折射膜层厚度分别为0.32、0.73um。
3.如权利要求2所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述第一、二折射膜层的折射率分别为1.444、1.998。
4.如权利要求3所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述第一折射膜层材质为二氧化硅。
5.如权利要求4所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述第二折射膜层材质为氮化硅、五氧化二钽或氧化铪。
6.如权利要求5所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述衬底为硅片、熔融石英、金属、玻璃或陶瓷。
7.如权利要求6所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述金属层的材质为金、银、铝或铜。
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| Wang et al. | Polarization-selective beam splitter by a sandwiched grating |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190419 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |