CN113219571A - 光栅结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光栅结构。光栅结构包括：基底结构；光栅层，光栅层为周期结构，每个周期内的光栅作为一个子光栅，多个子光栅间隔设置在基底结构的一侧，子光栅为矩形结构，且子光栅为非对称结构，光栅结构的周期小于1.5倍入射中心波长。本发明解决了现有技术中偏振分束器件存在不同偏振状态的±1级衍射光的色散能力不同的问题。
Description
技术领域
本发明涉及衍射光学设备技术领域，具体而言，涉及一种光栅结构。
背景技术
随着对未来科技的不断发展，偏振分束器在光学系统中扮演着越来越重要的角色。特别是在AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、MR(混合现实)等显示领域，为了达到3D的显示效果，左右眼需观测到不同光学成分，进而形成3D的观测体验。通常需要用到偏振分束器来使得左右眼观测到不同的偏振光。而传统的偏振分束器光栅绝大多数都是在利特罗角度入射，使经光栅衍射后的0级和-1级衍射光呈现不同偏振状态。但对于光波导系统，这种配置有两个弊端，一是实际光波导设计中入射角通常是关于0度角呈左右对称状态(比如±15°)或有较小偏转，如果利特罗角入射其偏转角度过大会破坏系统K域关系使得部分视场缺失。二是利特罗角入射下经光栅衍射的0级衍射光不具有色散能力，通常在耦入过程中是不被耦合进入系统的。因此设计垂直入射条件下±1级高消光比的偏振分束器件具有重要意义。
也就是说，现有技术中偏振分束器件存在不同偏振状态的±1级衍射光的色散能力不同的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种光栅结构，以解决现有技术中偏振分束器件存在不同偏振状态的±1级衍射光的色散能力不同的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光栅结构，包括：基底结构；光栅层，光栅层为周期结构，每个周期内的光栅作为一个子光栅，多个子光栅间隔设置在基底结构的一侧，子光栅为矩形结构，且子光栅为非对称结构光栅结构的周期小于1.5倍入射中心波长。
进一步地，子光栅内具有至少两个占空比不同的光栅脊，光栅脊是多层结构，。
进一步地，光在垂直于基底结构的方向入射时，经光栅结构衍射后产生的透射-1级T-1和透射+1级T+1，透射-1级T-1与透射+1级T+1的偏振状态垂直。
进一步地于，透射-1级T-1的偏振状态为TE偏振，透射+1级T+1的偏振状态为TM偏振；或者透射-1级T-1的偏振状态为TM偏振，透射+1级T+1的偏振状态为TE偏振。
进一步地，光栅脊的宽度在远离基底结构的方向上保持一致。
进一步地，光栅脊的折射率大于等于1.45且小于等于4.8。
进一步地，光栅脊的高度大于等于10nm且小于等于2um。
进一步地，多层结构中位于中间的层为中间层，多层结构的折射率由中间层向两侧逐渐减小。
进一步地，多层结构中离基底结构最远的一层为外层，外层的折射率大于空气的折射率。
进一步地，多层结构中与基底结构连接的层为内层，内层的折射率大于基底结构的折射率。
进一步地，基底结构的折射率大于等于1.4且小于等于2.9。
进一步地，基底结构的材料为二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、聚合物中的一种。
进一步地，光栅结构还包括截止层，截止层设置在基底结构与光栅层之间。
应用本发明的技术方案，光栅结构包括基底结构和光栅层，光栅层为周期结构，每个周期内的光栅作为一个子光栅，多个子光栅间隔设置在基底结构的一侧，子光栅为矩形结构，且子光栅为非对称结构，光栅结构的周期小于1.5倍入射中心波长。
通过将光栅层设置成周期结构，并且每个周期内的光栅作为一个子光栅，且子光栅是矩形结构，降低了工艺制作难度，将子光栅设置成非对称结构，能够实现在垂直入射条件下，±1级衍射光不同效率的衍射特性。通过对子光栅的设计可以实现垂直入射条件下±1级衍射光不同的偏振衍射特性。本申请中的光栅结构能够有效解决垂直入射条件下偏振分束问题，使得具有不同偏振状态的±1级衍射光具有相同的色散能力，实现高消光比高效率偏振分束功能，同时降低工艺制作难度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示出了本发明的实施例一的的光栅结构的结构示意图；以及
图2示出了本发明的实施例二的光栅结构的结构示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、基底结构；20、光栅层；21、光栅脊；211、外层；212、中间层；213、内层；30、截止层。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
需要指出的是，除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的，或者是针对部件本身在竖直、垂直或重力方向上而言的；同样地，为便于理解和描述，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外，但上述方位词并不用于限制本发明。
为了解决现有技术中偏振分束器件存在不同偏振状态的±1级衍射光的色散能力不同的问题，本发明提供了一种光栅结构。
如图1至图2所示，光栅结构包括基底结构10和光栅层20，光栅层20为周期结构，每个周期内的光栅作为一个子光栅，多个子光栅间隔设置在基底结构10的一侧，子光栅为矩形结构，且子光栅为非对称结构，光栅结构的周期小于1.5倍入射中心波长。
通过将光栅层20设置成周期结构，并且每个周期内的光栅作为一个子光栅，将子光栅设计成矩形结构大大降低了光栅结构对工艺的要求，降低了制作难度。将子光栅设置成非对称结构，能够实现在垂直入射条件下，±1级衍射光不同效率的衍射特性。通过对子光栅的设计可以实现垂直入射条件下±1级衍射光不同的偏振衍射特性。本申请中的光栅结构能够有效解决垂直入射条件下偏振分束问题，使得具有不同偏振状态的±1级衍射光具有相同的色散能力，实现高消光比高效率偏振分束功能，同时降低工艺制作难度。
具体的，子光栅内具有至少两个占空比不同的光栅脊21，光栅脊21是多层结构。子光栅内设置有至少两个占空比不同的光栅脊21，便于子光栅形成矩形的非对称结构，以实现不同偏振状态下不同的衍射特性。而将光栅脊21设置成多层结构，便于光线在光栅脊21内传播，能够有效减少光栅脊21对光的反射。
需要说明的是，光栅脊21可以是多个，只需满足子光栅是矩形非对称结构即可。实际上是光栅脊21的数量越多，参数空间更大，能够实现更优异的衍射特性，但是每个小矩形的深宽比会很大、不易制作。在图1和图2所示的实施例中，一个子光栅内的光栅脊21为两个，这样便于子光栅的制作。
需要说明的是，入射中心波长实际上是中心波长，亚波长的光栅实际工作中对波长是很敏感的，在实际模拟设计中也都是针对单一波长进行设计，而光栅本身具有一定的带宽范围，根据中心波长和结构不同，带宽范围也会有所不同，而描述亚波长光栅器件时，也都需要说明所适用的入射中心波长或波长范围，而光栅尺寸和入射中心波长在近似情况下是成比例缩放的(从理论上讲材料折射率不改变的情况下可等比例缩放，衍射性质完全相同)，所以这里没有限定具体的入射中心波长，而是以周期比例形式进行描述。
空气中垂直入射到光栅上的情况下，只有在光栅周期小于入射中心波长的时候才可以实现1级衍射光满足全反射条件在光波导中传播(由光栅方程计算得出)。但不排除一些其他方法，比如偏转入射光线或添加角度缩小组件等方法放宽对光栅周期的限制。但终究光栅周期是在入射中心波长量级，因此将光栅结构的周期限制的小于1.5倍入射中心波长。
具体的，光在垂直于基底结构10的方向入射时，经光栅结构衍射后产生的透射-1级T-1和透射+1级T+1，透射-1级T-1与透射+1级T+1的偏振状态垂直。通过设置一个子光栅内两个占空比不同的光栅脊，使得子光栅为非对称结构，以实现在垂直入射条件下±1级衍射光具有不同的衍射特性，实现经光栅后±1透射光具有相互垂直的偏振特性。±1透射光具有相互垂直的偏振特性，能够使得具有不同偏振状态的±1级衍射光具有相同的色散能力，实现高消光比高效率偏振分束功能，同时降低工艺制作难度。
具体的，透射-1级T-1的偏振状态为TE偏振，透射+1级T+1的偏振状态为TM偏振；或者透射-1级T-1的偏振状态为TM偏振，透射+1级T+1的偏振状态为TE偏振。需要说明的是，TE偏振为光的振动方向垂直于入射面，TM偏振为光的振动方向平行于入射面。
具体的，光栅脊21的宽度在远离基底结构10的方向上保持一致。这样设置便于光栅脊21的制作，大大简化了光栅结构的制作流程。
具体的，光栅脊21的折射率大于等于1.45且小于等于4.8。将光栅脊21的折射率限制在1.45至4.8的范围内，能够有效减少光栅脊21对光的反射，使得光能够顺利通过光栅结构发射衍射效应。
具体的，光栅脊21的高度大于等于10nm且小于等于2um。将光栅脊的高度限制在10nm至2um的范围内，能够保证光栅结构具有良好的衍射效果。
具体的，多层结构中位于中间的层为中间层212，多层结构的折射率由中间层212向两侧逐渐减小。通过将光栅脊21设置成多层结构，并且将多层结构设置成折射率渐变的形式，能够有效减少各个界面的反射能量，进而提高最终的衍射效率。
具体的，多层结构中离基底结构10最远的一层为外层211，外层211的折射率大于空气的折射率。外层211的折射率大于空气的折射率且小于中间层212的折射率，有利于空气中的光传播到光栅脊21内，有效减少了光栅脊21对光的反射。
具体的，多层结构中与基底结构10连接的层为内层213，内层213的折射率大于基底结构10的折射率。这样设置可以减少对光的反射。
具体的，基底结构10的折射率大于等于1.4且小于等于2.9。将基底结构10的折射率限制在1.4至2.9的范围内，使得基底结构10与内层213的折射率差值不会太大，大大减少了光线的反射，有利于光线射入到基底结构10内。
可选地，基底结构10的材料为二氧化硅、掺杂二氧化硅、硼磷酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃、氮化硅、氮氧化硅、二氧化钛、二氧化铈、氧化铝、五氧化二钽、聚合物中的一种。
可选地，光栅结构还包括截止层30，截止层30设置在基底结构10与光栅层20之间。截止层30的设置使得特定范围内的波长的光透过。
波长在800nm和1550nm范围内的光垂直射入到本申请中的光栅结构上，能够产生透射-1级T-1的偏振状态为TE偏振，透射+1级T+1的偏振状态为TM偏振，衍射效率大于85％，且±1级消光比均大于20dB。
其中消光比定义为：
η＝10|log(PTE/PTM)|(dB)
其中PTE和PTM分别为该衍射级次上TE偏振光的衍射效率和TM偏振光的衍射效率。
实施例一
如图1所示，在本实施例中光栅脊21为三层结构。
需要说明的是，波长是和光栅结构的参数有关(根据严格耦合波理论，假如不考虑材料折射率变化影响的情况下，按照入射中心波长等比例缩放光栅结构可以得到完全相同的衍射效率值)，比如入射中心波长增加或减小时，光栅结构的周期和各层深度也等比例增加或减少。但实际情况下，由于材料色散关系影响不同波长所对应的折射率不同，各参数增加或减少的比例会有调整，但通过适当优化同样可以找到较为合适的光栅参数，由于优化算法差异，得到的结构参数也会有所差异，为了验证以上描述，下文中以三个不同波长具体参数实施例作为例子进行简单说明。
在本实施例中，光栅脊21为三层，即外层211、中间层212和内层213，外层211的材料为二氧化硅，中间层212的材料为硅，内层213的材料为二氧化钛，基底结构10的材料为二氧化硅。p为光栅周期，光栅参数x1，x2，x3为光栅结构中两个光栅脊所对应的坐标位置，h1为外层211的厚度，h2为中间层212的厚度，h3为内层213的厚度。其中，T0表示透射0级，R0表示反射0级。
例子一
入射中心波长为532nm，p为520.5nm，x1为26.3nm，x2为383.2nm，x3为443.3nm，h1为738.4nm，h2为348.2nm，h3为405.1nm。
则衍射效率如表1所示：
表1
例子二
入射中心波长为1550nm，p为1114nm，x1为130.2nm，x2为710.8nm，x3为929.6nm，h1为768.5nm，h2为1000nm，h3为145nm。
则衍射效率如表2所示：
表2
例子三
入射中心波长为800nm，p为792.7nm，x1为90.3nm，x2为225.1nm，x3为412nm，h1为179.3nm，h2为1002.8nm，h3为121.6nm。
则衍射效率如表3所示：
表3
其中Tηx表示透射x级的衍射效率，Rηx表示反射x级的衍射效率。
这三个不同波长下，效率差异主要是由于两个方面，一是材料折射率相差较大，特别是在短波范围内，Si的吸收增大，效率降低。第二是优化算法所优化到的最优点不同。不同的优化算法找到的最优解也不相同，如果匹配工艺，还需对参数进行更严苛的限制，得到符合工艺的结构参数。
则在该实施例中800nm和1550nm下，TE和TM偏振光的衍射效率均大于85％，且±1级的消光比均大于20dB。
实施例二：
如图2所示，在本实施例中，光栅脊21为两层，且在本实施例中，光栅层20与基底结构10之间具有截止层30，截止层30可以是压印工艺中的残胶层，也可以是单独制作的一层。在本实施例中，截止层30的折射率小于光栅脊21中与截止层30连接的一层，截止层30的折射率大于基底结构10的折射率。而两层中远离截止层30的一层小于另一层的折射率。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、工作、器件、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光栅结构，其特征在于，包括：
基底结构(10)；
光栅层(20)，所述光栅层(20)为周期结构，每个周期内的光栅作为一个子光栅，多个所述子光栅间隔设置在所述基底结构(10)的一侧，所述子光栅为矩形结构，且所述子光栅为非对称结构，所述光栅结构的周期小于1.5倍入射中心波长。
2.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，所述子光栅内具有至少两个占空比不同的光栅脊(21)，所述光栅脊(21)是多层结构。
3.根据权利要求1所述的光栅结构，其特征在于，光在垂直于所述基底结构(10)的方向入射时，经所述光栅结构衍射后产生的透射-1级T-1和透射+1级T+1，所述透射-1级T-1与所述透射+1级T+1的偏振状态垂直。
4.根据权利要求3所述的光栅结构，其特征在于，
所述透射-1级T-1的偏振状态为TE偏振，所述透射+1级T+1的偏振状态为TM偏振；或者
所述透射-1级T-1的偏振状态为TM偏振，所述透射+1级T+1的偏振状态为TE偏振。
5.根据权利要求2所述的光栅结构，其特征在于，所述光栅脊(21)的宽度在远离所述基底结构(10)的方向上保持一致。
6.根据权利要求2所述的光栅结构，其特征在于，所述光栅脊(21)的折射率大于等于1.45且小于等于4.8。
7.根据权利要求2所述的光栅结构，其特征在于，所述光栅脊(21)的高度大于等于10nm且小于等于2um。
8.根据权利要求2所述的光栅结构，其特征在于，所述多层结构中位于中间的层为中间层(212)，所述多层结构的折射率由所述中间层(212)向两侧逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的光栅结构，其特征在于，所述多层结构中离所述基底结构(10)最远的一层为外层(211)，所述外层(211)的折射率大于空气的折射率。
10.根据权利要求8所述的光栅结构，其特征在于，所述多层结构中与所述基底结构(10)连接的层为内层(213)，所述内层(213)的折射率大于所述基底结构(10)的折射率。
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