CN110989061A - 一种全介质偏振无关全内反射光栅及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全介质偏振无关全内反射光栅及其制作方法，属于反射光栅技术领域，能够解决现有反射光栅刻蚀深度较大，生产成品率较低的问题。所述反射光栅包括基底、平板波导层和光栅层。基底引导入射光进入平板波导层，并使出射光射出；平板波导层设置在基底上，调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光的衍射效率；光栅层设置在平板波导层上，调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光的衍射效率。本发明可以使TE光和TM光在‑1级利特罗角入射条件下，理论上同时具有99％以上的衍射效率，在实际应用中同时具有95％以上的衍射效率。
Description
技术领域
本发明涉及反射光栅技术领域，尤其是涉及一种全介质偏振无关全内反射光栅及其制作方法。
背景技术
光波分复用一般应用波长复用器和解复用器分别置于光纤两端，实现不同光波的耦合与分离。栅型光波分复用器是利用色散原理，使入射的多个不同波长的光聚集为复合光；或者使入射的多波长复合光分散为各个波长分量的光，含有多波长的光信号入射聚焦在光栅上，由于光栅对不同波长光的衍射角不同，因此把复合光信号分解成不同波长的光信号，再经透镜聚焦后分别注入每根输出光纤上。
用于光通信的波分复用和解复用的色散元件大部分是金属光栅，但是金属光栅只能对TM光(光偏振方向垂直于光栅槽型)实现高衍射效率，对TE光(光偏振方向平行于光栅槽型)的衍射效率很低。
目前，现有技术中通过全介质偏振无关的透射光栅或反射光栅实现波分复用和解复用技术，这种光栅是通过将光栅层嵌入到基底材料中，通过优化光栅层的刻蚀深度和宽度，形成对称布局，从而抑制反射，理论上可以达到TE光和TM光在-1级利特罗角入射条件下100％的衍射效率，降低了光栅的插入损耗。但是这种光栅在制作过程中都需要很深的刻蚀深度，而太深的刻蚀深度会降低波长复用器和解复用器的成品率，增加生产成本，不利于大批量产业化生产。
发明内容
本发明提供了一种全介质偏振无关全内反射光栅及其制作方法，能够解决现有反射光栅刻蚀深度较大，生产成品率较低的问题。
本发明提供了一种全介质偏振无关全内反射光栅，包括基底、平板波导层和光栅层；
所述基底，用于引导入射光进入所述平板波导层，并使出射光射出；
所述平板波导层，设置在所述基底上，用于调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光的衍射效率，所述平板波导层的厚度Ts小于1μm；
所述光栅层，设置在所述平板波导层上，用于调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光的衍射效率。
作为本发明再进一步的方案：所述全介质偏振无关全内反射光栅满足以下条件：
Np＞Npsinθi＝λ/2Λ＞1
其中：Np表示基底材料的折射率；
θi表示基底内入射光的入射角；
λ表示入射光的波长；
Λ表示光栅周期。
作为本发明再进一步的方案：所述基底材料的折射率Np为1.45-2.0。
作为本发明再进一步的方案：所述平板波导层的折射率Ns为1.2-3.0。
作为本发明再进一步的方案：所述光栅层的深度Tg小于2μm。
作为本发明再进一步的方案：所述光栅材料的折射率Ng为1.2-3.0。
作为本发明再进一步的方案：所述光栅占空比f为0.4-0.6。
作为本发明再进一步的方案：所述基底、平板波导层和光栅层分别至少由一种介质构成。
本发明还提供一种应用于上述任一种所述的全介质偏振无关全内反射光栅的制作方法，所述方法包括：
在基底设置用于调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光衍射效率的平板波导层，所述平板波导层的厚度Ts小于1μm；
在所述平板波导层上制作用于调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光衍射效率的光栅层。
作为本发明再进一步的方案：在所述平板波导层上制作光栅层的具体方法为：
在所述平板波导层上设置介质层，然后将所述介质层刻蚀为光栅层。
本发明能产生的有益效果包括但不限于：
(1)本发明提供的全介质偏振无关全内反射光栅，通过在基底和光栅层之间设置用于调节TE光衍射效率的平板波导层，形成反射光栅，可以使TE光和TM光在-1级利特罗角入射条件下，理论上同时具有99％以上的衍射效率，在实际应用中同时具有95％以上的衍射效率。
(2)相较于现有技术，本发明提供的全介质偏振无关全内反射光栅，具有光栅刻蚀深度小、偏振无关、宽波段的特点，且生产成品率高，生产效率高，生产成本低。
(3)本发明提供的全介质偏振无关全内反射光栅的制作方法，通过在基底设置平板波导层，然后在平板波导层上制作光栅层。平板波导层的引入，降低了光栅层的刻蚀深度，本发明加工工艺简单、加工成品率高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种全介质偏振无关全内反射光栅的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的全介质偏振无关全内反射光栅衍射效率随光栅刻蚀深度的变化曲线；
图3是本发明实施例2提供的全介质偏振无关全内反射光栅衍射效率随平板厚度的变化曲线；
图4是本发明实施例2提供的全介质偏振无关全内反射光栅衍射效率随波长的变化曲线；
图5是本发明实施例2提供的全介质偏振无关全内反射光栅衍射效率随入射角度的变化曲线；
图6是本发明实施例5提供的全介质偏振无关全内反射光栅制作方法流程图；
图中：1-基底；2-平板波导层；3-光栅层；4-入射光线；5-衍射光线；Λ-光栅周期；W-光栅脊的宽度；Ng-光栅材料的折射率；Tg-光栅层的深度；Ns-平板波导层的折射率；Ts-平板波导层的厚度；Np-基底材料的折射率；θi-基底内入射光的入射角。
具体实施方式
下面结合实施例详述本发明，但本发明并不局限于这些实施例。
实施例1：
图1是本发明实施例提供的全介质偏振无关全内反射光栅的结构示意图，如图1所示，该全介质偏振无关全内反射光栅包括基底、平板波导层和光栅层，
基底，用于引导入射光进入所述平板波导层，并使出射光射出；
平板波导层，设置在所述基底上，用于调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光的衍射效率，所述平板波导层的厚度Ts小于1μm；
光栅层，设置在所述平板波导层上，用于调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光的衍射效率。
本发明实施例中，基底材料可以是各种介质或玻璃，比如熔石英、H-K9L、H-ZK6、H-LAK52和H-ZLAF68B等。其中，优选为熔石英，熔石英具有从深紫外到远红外的宽透射谱，光学质量高，热稳定性好，损伤阈值高等优点。另外，基底的形状除平板式外均可，由于是全内反射光栅，通常是棱镜，使得入射光线在光栅层满足全内反射条件。
本发明实施例中光栅周期Λ是指定的，通常光栅周期越小，则光栅的色散越好，但是工艺越难做。
本发明确定光栅周期和基底材料后，根据不同的光栅周期和基底材料，利用严格耦合波程序可以优化出平板波导层，其包括两个参数平板波导层的折射率Ns和平板波导层的厚度Ts。
平板波导层不同材料的物理性质比如热导率、线性膨胀系数、应力系数和莫氏硬度等均不一样，而较厚的薄膜容易脱落或龟裂，因此，设置平板波导层的厚度Ts小于1μm。
本发明实施例中，平板波导层可以是各种镀膜介质，比如氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化钆(Gd2O3)、硫化锌(ZnS)和硒化锌(ZnSe)等。
本发明根据不同的光栅周期、基底材料和制作工艺，利用严格耦合波程序可以优化出光栅层的材料、厚度以及槽型。
进一步的，若入射光波长为λ，那么-1级利特罗角满足以下条件：
2NpΛsinθi＝λ
而为了使入射光在基底内部全内反射，则需满足以下条件：
Np＞Npsinθi＝λ/2Λ＞1
其中：Np表示基底材料的折射率；
θi表示基底内入射光的入射角；
λ表示入射光的波长；
Λ表示光栅周期。
进一步的，基底材料的折射率Np为1.45-2.0，
进一步的，根据常规的镀膜介质的折射率，因此本发明平板波导层的折射率Ns为1.2-3.0。
进一步的，光栅层的深度Tg小于2μm，光栅材料的折射率Ng为1.2-3.0。
进一步的，为了满足全息工艺和刻蚀工艺，光栅的占空比f为0.4-0.6。
进一步的，基底、平板波导层和光栅层分别至少由一种介质构成，即基底、平板波导层和光栅层均可以是由一种或多种介质而构成。
其中，光栅层的槽型可以是矩形、梯形、三角形或者正弦型。具体槽型对衍射效果影响不大，一方面是因为光栅槽型和厚度之间可以互相补偿；另一方面，为了满足全息工艺和刻蚀工艺，光栅的占空比f在0.4-0.6之间，即光栅的槽型不能变化太大。
本发明提供的全介质偏振无关全内反射光栅，通过在基底和光栅层之间设置平板波导层形成反射光栅，可以使TE光和TM光在-1级利特罗角入射条件下，理论上同时具有99％以上的衍射效率，在实际应用中同时具有95％以上的衍射效率。
实施例2：
本实施例中设置本发明反射光栅应用于通信波段λ＝1550nm，光栅周期Λ＝630nm，基底为熔石英Np＝1.444。为了设计和制造简易起见，光栅槽型采用矩形，光栅的占空比f＝W/Λ＝0.5，光栅层和平板波导层均各自使用一种均匀介质。使用本发明的光栅结构，设计出来的光栅参数如下：
光栅层材料为氧化钪(Sc2O3)，其折射率Ng＝1.89，光栅层的深度Tg＝0.5μm。
平板波导层材料为硒化锌(ZnSe)，其折射率Ns＝2.58，平板波导层的厚度Ts＝0.06μm。
基底内入射光的入射角θi＝58.4°。
根据本发明的光栅结构，按照以上参数，使用严格耦合波程序，可以计算出本实施例TE光的衍射效率为99.9％，TM光的衍射效率也为99.9％。
使用现有技术，该光栅周期的光栅刻蚀深度需要达到800nm左右，而使用本发明的光栅结构，可以看出该光栅周期的光栅刻蚀深度只需要500nm左右，极大提高了光栅的成品率。
如图2所示，是本实施例中光栅的衍射效率随光栅刻蚀深度的变化曲线，从该图可以看出，TM光的衍射效率随光栅刻蚀深度的变化影响不大，而TE光的衍射效率随光栅刻蚀深度的变化影响很大。当刻蚀深度在0.480μm-0.515μm之间时，无论TE光还是TM光，他们的衍射效率都大于95％。目前刻蚀工艺的精度小于0.02μm，因此满足高效率偏振无关光栅的技术要求。
图3是本实施例中光栅的衍射效率随平板波导层厚度的变化曲线。可以看出0.02μm的平板波导厚度公差对两个偏振的衍射效率都影响不大。实际镀膜工艺的厚度公差可以控制在0.005μm，完全满足平板波导的厚度公差要求。
图4是本实施例中光栅的衍射效率随波长的变化曲线。当入射波长在1.53μm至1.57μm之间，两个偏振光的衍射效率都大于95％，满足光纤通信的波段需求。
图5是本实施例中光栅的衍射效率随入射角度的变化曲线。满足-1级利特罗入射角是为了方便设计，实际光线入射角通常需要偏离该角度，通常是2°以内。由该图可以看出，2°以内的入射角偏离，衍射效率大于98％，满足实际应用。
实施例3：
本实施例中设置本发明反射光栅应用于通信波段λ＝1550nm，光栅周期Λ＝630nm，基底为熔石英Np＝1.444。按本发明的光栅结构，可以设计出多种方案，以下提供另一种设计方案，光栅参数如下：
光栅槽型采用矩形，光栅的占空比f＝W/Λ＝0.5，光栅层材料为氧化钇(Y2O3)，其折射率Ng＝1.87，光栅层厚度Tg＝0.51μm。
平板波导层材料为氧化钛(TiO2)，其折射率Ns＝2.35，平板波导层的厚度Ts＝0.06μm。
基底内入射光的入射角θi＝58.4°。
根据本发明的光栅结构，按照以上参数，使用严格耦合波程序，可以计算出本实施例TE光的衍射效率为99.9％，TM光的衍射效率也为99.6％。
实施例4：
本实施例中设置本发明反射光栅应用于通信波段λ＝1550nm，光栅周期Λ＝588.2nm，基底为H-K9L，Np＝1.517。按本发明的光栅结构，同样可以设计出多种方案，以下提供其中一种设计方案，光栅参数如下：
光栅槽型采用矩形，光栅的占空比f＝W/Λ＝0.5，光栅层材料为氧化钆(Gd2O3)，其折射率Ng＝1.80，光栅层厚度Tg＝0.53μm。
平板波导层材料为氧化钛(TiO2)，其折射率Ns＝2.35，平板波导层的厚度Ts＝0.04μm。
基底内入射光的入射角θi＝60.3°。
根据本发明的光栅结构，按照以上参数，使用严格耦合波程序，可以计算出本实施例TE光的衍射效率为99.5％，TM光的衍射效率也为99.7％。
实施例5：
本实施例提供一种应用于上述任一种所述的全介质偏振无关全内反射光栅的制作方法，如图6所示，所述方法包括：
步骤101、在基底设置用于调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光衍射效率的平板波导层，平板波导层的厚度Ts小于1μm。
其中，基底材料可以是各种介质或玻璃，比如熔石英、H-K9L、H-ZK6、H-LAK52和H-ZLAF68B等。其中，优选为熔石英，熔石英具有从深紫外到远红外的宽透射谱，光学质量高，热稳定性好，损伤阈值高等优点。另外，基底的形状除平板式外均可，由于是全内反射光栅，通常是棱镜，使得入射光线在光栅层满足全内反射条件。
平板波导层可以是各种镀膜介质，比如氧化铝(Al2O3)、氧化钛(TiO2)、氧化铪(HfO2)、氧化钆(Gd2O3)、硫化锌(ZnS)和硒化锌(ZnSe)等。
本发明确定光栅周期和基底材料后，根据不同的光栅周期和基底材料，利用严格耦合波程序可以优化出平板波导层，其包括两个参数平板波导层的折射率Ns和平板波导层的厚度Ts。然后利用真空镀膜技术在基底上镀制平板波导层，平板波导层能够增大由基底进入的偏振方向平行于光栅槽型的入射光的衍射效率，使入射光在基底内全反射。
步骤102、在平板波导层上制作用于调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光衍射效率的光栅层。
具体方法为：
在平板波导层上设置介质层，然后将介质层刻蚀为光栅层。
本发明根据不同的光栅周期、基底材料和制作工艺，利用严格耦合波程序可以优化出光栅层的材料、厚度以及槽型。然后利用真空镀膜技术在平板波导层上镀制介质层，然后利用全息技术和刻蚀技术，将介质层刻蚀为特定槽型和特定深度的光栅层。
其中，光栅的槽型可以是矩形、梯形、三角形或者正弦型。
本发明提供的全介质偏振无关全内反射光栅的制作方法，通过在基底和光栅层之间设置平板波导层形成反射光栅，可以使TE光和TM光在-1级利特罗角入射条件下，理论上同时具有99％以上的衍射效率，在实际应用中同时具有95％以上的衍射效率。
以上所述，仅是本发明的几个实施例，并非对本发明做任何形式的限制，虽然本发明以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，包括基底、平板波导层和光栅层；
所述基底，用于引导入射光进入所述平板波导层，并使出射光射出；
所述平板波导层，设置在所述基底上，用于调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光的衍射效率，所述平板波导层的厚度Ts小于1μm；
所述光栅层，设置在所述平板波导层上，用于调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光的衍射效率。
2.根据权利要求1所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述全介质偏振无关全内反射光栅满足以下条件：
Np＞Npsinθi＝λ/2Λ＞1
其中：Np表示基底材料的折射率；
θi表示基底内入射光的入射角；
λ表示入射光的波长；
Λ表示光栅周期。
3.根据权利要求2所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述基底材料的折射率Np为1.45-2.0。
4.根据权利要求1所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述平板波导层的折射率Ns为1.2-3.0。
5.根据权利要求1所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述所述光栅层的深度Tg小于2μm。
6.根据权利要求1所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述光栅材料的折射率Ng为1.2-3.0。
7.根据权利要求1所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述光栅层的占空比f为0.4-0.6。
8.根据权利要求1所述的全介质偏振无关全内反射光栅，其特征在于，所述基底、平板波导层和光栅层均由一种或多种介质构成。
9.一种全介质偏振无关全内反射光栅的制作方法，其特征在于，所述所述方法包括以下步骤：
在基底设置用于调节偏振方向平行于光栅槽型的入射光衍射效率的平板波导层，所述平板波导层的厚度Ts小于1μm；
在所述平板波导层上制作用于调节偏振方向垂直于光栅槽型的入射光衍射效率的光栅层。
10.根据权利要求9所述的全介质偏振无关全内反射光栅的制作方法，其特征在于，在所述平板波导层上制作光栅层的具体方法为：
在所述平板波导层上设置介质层，然后将所述介质层刻蚀为光栅层。
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