CN109782390B - 基于非周期亚波长光栅的光分束器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非周期亚波长光栅的光分束器及其设计方法，属于光电子技术领域。所述方法包括建立三维坐标系，通过一维、二维和三维光栅构成非周期的光栅基本单元，周期性的延拓所述的光栅基本单元形成具有两个偏转角度的光分束器。本发明能够实现垂直方向上光的分束，并且仅为功率分束，使子分束光仍能维持为入射光的形态；采用光栅块结构组成的光栅基本单元周期性排列，可以形成任意一维、二维或三维光栅，具有无限延拓性。

Description

基于非周期亚波长光栅的光分束器及其设计方法

技术领域

本发明属于光电子技术领域，特别涉及一种基于非周期亚波长光栅的光分束器及其设计方法。

背景技术

随着信息时代的不断发展，光电子器件及光学系统的微纳化、集成化成为人们不断追求的目标。光学器件的亚波长结构因其独特的几何特性所带来的独特的光学特性引起了人们广泛的关注，各种性能优异的亚波长光学器件极大地推动了光电子学向微纳化、集成化发展。具有独特优良特性的光分束器也是光电子学领域重要的器件之一。

亚波长结构的光学器件，以亚波长光栅为典型代表，以其优异的光束控制特性和简单的平面化的几何结构特性，在光电子系统中不断地得到发展和应用。例如，亚波长光栅作为高反射镜集成在激光器和光探测器中，也被设计成光偏转、汇聚镜等。为了满足日益发展的光电子系统对各种微型化、集成化的光电子器件的需求，各个关键光学器件的微型化、易集成化和高性能都是近年来光电子器件研究的重要方向。

经典光分束器利用半透明镜面实现透射光和反射光的分束；波导型分束器利用平面波导可以实现平面上的分束；基于亚波长光栅的分束器能实现垂直方向上光的分束，但一般亚波长光栅分束器是利用偏转光栅将两部分光分别向两个方向偏转，不能保持入射光的整体形态，虽然可以实现功率分束，但会劈裂入射光斑形态。

发明内容

为了实现垂直方向上光的分束，并且仅为功率分束，使子分束光仍能维持为入射光的形态，本发明提出一种基于非周期亚波长光栅的光分束器及其设计方法。

本发明提供一种基于非周期亚波长光栅的光分束器设计方法，具体包括如下步骤：

步骤一、建立三维坐标系。

在平面介质底座上建立三维坐标系oxyz，其中，x轴和y轴位于平面介质底座所在平面内，x轴水平向右，z轴满足右手定则。

步骤二、构建光栅基本单元。

如是一维光栅，则选取能实现高透射或者高反射的光栅条，在x轴维度上设计光栅条的排列规则，并区分为A组和B组；如是二维光栅或者三维光栅，则选取能实现高透射或者高反射的光栅块，在x轴和y轴两个维度上设计光栅块的排列规则，光栅块的高度相同或不完全相同，并区分为A组和B组；A组和B组构成能形成使光束在相应维度上沿着两个任意偏转角度θ₁和θ₂分束的非周期光栅基本单元，θ₁和θ₂可以相等。在某一维度上，给定θ₁、θ₂和η后，代入方程组(1)中求解光栅条或光栅块的周期，即为本发明的光分束器的A组和B组光栅条(块)的周期。

步骤三、将光栅基本单元进行周期性地延拓，形成光分束器结构。

将光栅基本单元沿着一个维度(一维光栅)或者两个维度(二维或三维光栅)进行周期性延拓，再根据偏转相位规则，选择各光栅条(块)的占空比，获取使光束偏转的相位分布，最终设计完成本分束器，并且任意两个同一维度上的以延拓周期为间距的光栅条或光栅块在各偏转方向上的光程差为波长的整数倍，即整数波带法。

A组光栅条(块)组成的相位面使入射到A组光栅部分的光束实现θ₁角度的偏转，同理，B组光栅条(块)使入射到B组部分的光束偏转θ₂。将光栅基本单元周期性的延拓后，在一个维度上，由于每个光栅基本单元在各偏转方向上的光程差是波长的整数倍，在每个偏转方向上将形成等相位的平行光，实现对入射光的分束。其分束光的功率之比η即为A组光栅与B组光栅的宽度之比。

所述的方程组(1)，即为整数波带法：

其中，a和b为任意正整数，i和j为任意整数。T_A,T_A1,T_A2,…,T_An和T_B,T_B1,T_B2,…,T_Bm分别是A组和B组中对应应光栅条(块)的周期，θ₁和θ₂分别是两个子分束光的偏转角，

是A组和B组中第一块光栅条块的相位差，η是子分束光的功率之比。

所述亚波长光栅的构成材料主要为半导体材料，具体为磷化铟(InP)和空气、砷化镓(GaAs)和铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)和二氧化硅(SiO₂)等，也包括其它能应用于亚波长光栅结构的材料。

通过上述设计方法得到一种基于非周期亚波长光栅的光分束器，所述光分束器包括平面介质衬底以及光栅基本单元，所述的光栅基本单元位于平面介质衬底上，所述的光栅基本单元为一维光栅、二维光栅或三维光栅。

对于一维光栅，由光栅条在平面介衬底座上沿x方向平行排列构成，并分为A组和B组；对于二维光栅，由等高度的光栅块在平面介质衬底上分布排列构成，并分为A组和B组；对于三维光栅，由高度不完全相等的光栅块在平面介质底座上分布排列构成，并分为A组和B组。所述A组光栅条或光栅块的周期为T_A,T_A1,T_A2,…,T_An，所述B组光栅条或光栅块的周期为T_B,T_B1,T_B2,…,T_Bn。A组和B组构成能形成使光束在相应维度上沿着两个任意偏转角度θ₁和θ₂分束的非周期光栅基本单元，θ₁和θ₂可以相等。

所述平面介质衬底的材料为半导体材料，具体为磷化铟(InP)、空气、砷化镓(GaAs)、铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)和二氧化硅(SiO₂)等。

本发明的优点或有益效果在于：

(1)本发明能够实现垂直方向上光的分束，并且仅为功率分束，使子分束光仍能维持为入射光的形态。

(2)本发明采用光栅块结构组成的光栅基本单元周期性排列，可以形成任意一维、二维或三维光栅，具有无限的延拓性。

(3)本发明可以使入射光在其任意部分被分束，不像由两个偏转光栅对称构成的分束器一样，需要对准在中心，才能分束。

(4)本发明因其简单的光栅结构，具有高衍射效率，低能量损失，和高制备容差。

附图说明

图1A～1C分别为本发明的光分束器的一维光栅、二维光栅和三维光栅结构示意图。

图2为本发明的光分束器的光栅基本单元的结构示意图。

图3为本发明的光分束器的沿一维光栅(一维条形光栅)方向上的周期延拓结构示意图。

图4为整数波带法的一个特例。

图5A和图5B为图4中所述特例的具体实施效果，是一维透射分束光栅，其中，图5A入射光为均匀平行光，图5B入射光为高斯光束，并且a＝b＝1,m＝n＝0,i＝j＝0,θ₁＝θ₂＝43°，η＝1，透射率>96％。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例和附图，对实施例中的结构、技术方案进行完整清晰地描述。本实施例只是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。所有在本发明实施例基础上，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明首先提供一种基于非周期亚波长光栅的光分束器设计方法，具体包括步骤：

步骤一、建立三维坐标系。

参见图1A～图1C，根据所要设计的光栅的维度，在平面介质底座上建立三维坐标系oxyz，其中，x轴和y轴位于平面介质底座所在平面内，x轴水平向右，z轴满足右手定则。

如需要设计一维光栅分束器，则需要在x轴维度上设计光栅条的排列规则，如图1A的排列形式；如果需要设计二维或三维光栅分束器，则需要在x轴和y轴两个维度上设计光栅块的排列规则，如图1B中所示光栅块的高度相同，如图1C中所示的光栅块高度不完全相同。

步骤二、构建光栅基本单元。

所述的光栅基本单元是光栅块或光栅条按照非周期排列规则排列得到。在某一个维度上，参见图2，根据给定的设计需求，给定偏转角度θ₁、偏转角度θ₂和分束光的功率之比η，带入方程组(1)中，分别解出此维度上的A组的光栅条(或光栅块)的周期和B组的光栅条(块)的周期，构成分束器基本光栅单元。所述的A组和B组在具有高透射率或高反射率的同时，可以分别实现角度为θ₁和θ₂的光束偏转。

所述的方程组(1)如下，可以用来描述整数波带法：

其中，a、b为任意正整数，a＝,1,2,3,4,…；b＝,1,2,3,4,…；；i、j为任意整数，i＝0,1,2,3,…；j＝0,1,2,3,…。T_A,T_A1,T_A2,…,T_An分别是A组中n+1个光栅条(块)的周期，T_B,T_B1,T_B2,…,T_Bm分别是B组中m+1光栅条(块)的周期，m＝0,1,2,3,…；n＝0,1,2,3,…；；θ₁和θ₂分别是A组和B组中对应子分束光的偏转角，

是A组和B组中第一个光栅条或光栅块的相位差，η是两组中对应子分束光的功率之比，λ为入射光的波长。

如果是一维光栅，则选取能实现高透射或者高反射的光栅条；如是二维光栅或者三维光栅，则选取能实现高透射或者高反射的光栅块，构成能形成使光束在相应维度上沿着两个任意角度分束的非周期光栅基本单元。

步骤三、将光栅基本单元进行周期性地延拓，形成本分束器结构。

参见图3，将光栅基本单元在该维度上周期延拓，延拓次数视所需分束器大小而定，形成所需的光分束器。并且任意两个同一维度上的以延拓周期为间距的光栅条(块)在各偏转方向上的光程差为波长的整数倍，即满足整数波带法。

所述光分束器的材料为半导体材料，典型尺寸为长和宽均为100μm，但不仅限于此尺寸。本实施例采用了InP/air二元光栅材料，厚度为0.8μm，可以用高精度电子束曝光系统(EBL)光刻出所设计的光栅结构。所述的半导体材料还可以采用砷化镓(GaAs)和铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)和二氧化硅(SiO₂)二元材料。

A组光栅条(块)组成的相位面使入射到A组光栅条(块)部分的光束实现θ₁角度的偏转，同理，B组光栅条(块)组成的相位面使入射到B组光栅条(块)部分的光束实现θ₂角度的偏转。将光栅基本单元周期性的延拓后，在一个维度上，由于每个光栅基本单元在各偏转方向上的光程差是波长的整数倍，在每个偏转方向上将形成等相位的平行光，实现对入射光的分束。其分束光的功率之比η即为A组光栅条(块)与B组光栅条(块)的宽度之比。

在某一维度上，给定θ₁、θ₂和η后，代入以上方程(1)，得到关于光栅条或光栅块周期的解，即为本发明的光分束器的A组和B组的周期，再根据偏转相位规则，选择各光栅条(块)的占空比，获取使光束偏转的相位分布，最终设计完成本分束器。

所述亚波长光栅的材料主要为半导体材料，也包括其它能应用于亚波长光栅结构的材料。

本发明提供的一种基于非周期亚波长光栅的光分束器，具体地，所述光分束器包括平面介质衬底以及光栅块，所述光栅块位于平面介质衬底上，所述平面介质衬底的材料为半导体材料，具体包括磷化铟(InP)和空气、砷化镓(GaAs)和铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)和二氧化硅(SiO2)等。对于一维光栅，形成一系列等高度的光栅条在平面上平行排列的结构；对于二维光栅，形成一系列等高度的光栅块在平面上分布排列的结构；对于三维光栅结构，形成一系列光栅块(高度可不等)在平面上分布排列的结构。并且，在平面上一个维度(即x轴或y轴方向，形成一维光栅)或者两个维度(即x轴和y轴方向，形成二维或三维光栅)都为光栅基本单元的周期性排列结构。所述光栅基本单元为光栅条在一个维度上或者光栅块在两个维度上，非周期性地排列，实现相应维度上的分束。

参见图4所示给出一种最简单的光分束器，本实施例设计的光分束器，其λ＝1.55μm，a＝b＝1，m＝n＝0，i＝j＝0，T_A＝1.082μm，T_B＝1.198μm，D_A＝0.202，D_B＝0.794，所以，A组光栅条和B组光栅条相同，共同构成光栅基本单元。由此可得θ₁＝θ₂＝arcsin(λ/(T_A+T_B))＝43°,

其中，D_A周期为T_A的光栅条或光栅块的占空比，D_B是周期为T_B的光栅条或光栅块的占空比。

参见图5A和图5B，为本实施例的仿真不同入射光的效果图，图5A入射光为均匀平行光，图5B为高斯光束。从两图中可以看出，入射光束一分为二，左右对称，并保持了入射光形态。

上述实施方式仅用于说明本发明，相关的技术领域普通技术人员在无任何创造性劳动的情况下，在本发明的精神和范围内，对本发明做出各种变化和变型，都属于等同的技术方案，都在本发明的范畴内。本发明实际保护范畴应有权利要求限定。

Claims (4)

1.基于非周期亚波长光栅的光分束器的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括如下步骤，

步骤一、建立三维坐标系；

在平面介质底座上建立三维坐标系oxyz，其中，x轴和y轴位于平面介质底座所在平面内，x轴水平向右，z轴满足右手定则；

步骤二、构建光栅基本单元；

如是一维光栅，则选取能实现高透射或者高反射的光栅条，在x轴维度上设计光栅条的排列规则，并区分为A组和B组；如是二维光栅或者三维光栅，则选取能实现高透射或者高反射的光栅块，在x轴和y轴两个维度上设计光栅块的排列规则，光栅块的高度相同或不完全相同，并区分为A组和B组；A组和B组构成能形成使光束在相应维度上沿着两个任意偏转角度θ₁和θ₂分束的非周期光栅基本单元；在某一维度上，给定θ₁、θ₂和η后，求解光栅条或光栅块的周期，得到光栅基本单元；

所述的光栅条或光栅块的周期，通过如下方程组(1)求得，

其中，a和b为任意正整数，i和j为任意整数；T_A,T_A1,T_A2,…,T_An和T_B,T_B1,T_B2,…,T_Bm分别是A组和B组中对应光栅条或光栅块的周期，θ₁和θ₂分别是两个子分束光的偏转角，

是A组和B组中第一块光栅条块的相位差，η是子分束光的功率之比；

步骤三、将光栅基本单元进行周期性地延拓，形成光分束器；

将光栅基本单元沿着一维光栅、二维光栅或者三维光栅进行周期性延拓，再根据偏转相位规则，选择各光栅条或光栅块的占空比，获取使光束偏转的相位分布，最终设计完成所述的光分束器，并且任意两个同一维度上的以延拓周期为间距的光栅条或光栅块在各偏转方向上的光程差为波长的整数倍，即满足整数波带法。

2.一种基于非周期亚波长光栅的光分束器，其特征在于：采用权利要求1所述的设计方法得到；所述光分束器包括平面介质衬底以及光栅基本单元，所述的光栅基本单元位于平面介质衬底上，所述的光栅基本单元为一维光栅、二维光栅或三维光栅。

3.根据权利要求2所述的一种基于非周期亚波长光栅的光分束器，其特征在于：对于一维光栅，由光栅条在平面介质衬底上沿x方向平行排列构成，并分为A组和B组；对于二维光栅，由等高度的光栅块在平面介质衬底上分布排列构成，并分为A组和B组；对于三维光栅，由高度不完全相等的光栅块在平面介质衬底上分布排列构成，并分为A组和B组；所述A组光栅条或光栅块的周期为T_A,T_A1,T_A2,…,T_An，所述B组光栅条或光栅块的周期为T_B,T_B1,T_B2,…,T_Bn；A组和B组构成能形成使光束在相应维度上沿着两个任意偏转角度θ₁和θ₂分束的非周期光栅基本单元，θ₁和θ₂不相等。

4.根据权利要求2所述的一种基于非周期亚波长光栅的光分束器，其特征在于：所述光栅基本单元和平面介质衬底材料均为平面电介质材料，具体为磷化铟和空气、砷化镓和铝镓砷、硅和二氧化硅组成的半导体材料。

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