TWI820663B - 高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構 - Google Patents
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Abstract
本發明係提供一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，包括：基板、高折射率干涉層、低折射率干涉層及光柵層，其中高折射率干涉層，係形成於基板上；一低折射率干涉層，係形成於該高折射率干涉層上；以及一光柵層，係形成於該低折射率干涉層上，藉由在光柵層與基板之間加入一對高/低折射率干涉層，用以達成反射光破壞性干涉的物理機制，抑制自然反射，達到高繞射效率和寬頻譜的目的。
Description
本發明係關於介電光柵結構，特別是關於一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構。
習知金屬介電反射光柵的設計方法，金屬介電光柵結構為熔融石英(Fused silica)基底上依次鍍上鉻膜、金膜和熔融石英膜，在熔融石英膜層上刻蝕矩形槽光柵，使用底部金屬反射層用以達到高反射繞射效率，該方法具有物理圖像清晰和結構簡單等優點，但由於金屬的耐受功率較介電層來得低，因此金屬光柵元件一般只能應用較低功率光學系統，不利於應用於高功率雷射光學系統。
習知多層介電光柵繞射光柵元件，主要是揭露介電光柵結構製作在多層介電層上面，對於反射式介電光柵，應用多層介電層高反射率特性，可以製作出高繞射效率之反射式介電光柵元件，反之，也可以設計出低反射率多層介電層，令元件產生高穿透，進而達成高繞射效率穿透式介電光柵元件，但對於穿透式繞射光柵應用而言，反而增加了介電光柵元件設計上的複雜度和製作困難度。
習知穿透式繞射光柵元件，該專利提出與偏振無
關的穿透式繞射光柵元件，其中的高折射率介電光柵層頂端加上一層低折射率介電光柵層，在光柵層與基板中間則是使用多層介電層，此設計主要是達到與偏振無關並且具有高繞射率的穿透式繞射光柵元件，但對於單一偏振穿透式繞射元件應用而言，反而增加了結構複雜度。
習知具有低厚度與匹配層設計之高繞射效率光柵元件，使用光柵層為三明治結構，由三種不同折射率的矽化合物組成，由空氣至光柵層表面分別為：SiO2、SiN、和SiOxNy，所對應到的折射率分別為1.45、2.2、和1.7，藉由其他兩種高折射率匹配層(SiN和SiOxNy)，來達到降低光柵層厚度目的，但是在實際製作上則是考驗著蝕刻技術，要對三種不同材料做蝕刻，蝕刻製程相對困難。
綜上所述，目前介電光柵元件仍有改進空間，因此本案之申請人研究發展出了高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，有效解決介電光柵元件所遭遇到之問題。
鑒於上述悉知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，藉由在光柵層與基板之間加入一對高/低折射率干涉層，用以達成反射光破壞性干涉的物理機制，抑制自然反射，達到高繞射效率和寬頻譜的目的。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，包括：基板、高折射率干涉層、低折射率干涉層及光柵層，高折射率干涉層係形成於該基板上，低折射率干涉層係形成於該高折射率干涉層上，以及一光柵層係形成於該低折射率干涉層上。
較佳地，光柵層及低折射率干涉層可為一低折射率材料所組成，低折射率材料可為SiO2。
較佳地，高折射率干涉層材質可為一般光學鍍膜材料，其材質折射率大於光柵層之折射率，高折射率干涉層材質可為SiN、Ta2O5或HfO2。
較佳地，光柵層之光柵週期範圍可為300nm至1000nm、蝕刻深度可為100nm至2000nm和寬度可為50nm至500nm。
較佳地，低折射率干涉層之厚度可為50nm至500nm，以及高折射率干涉層之厚度可為50nm至1000nm。
較佳地，基板之材質可為SiO2或藍寶石(Sapphire)，其厚度可為1mm至50mm。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之另一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，包括：一基板；一低折射率干涉層，係形成於該基板上；以及一光柵層，係形成於該低折射率干涉層上，其中，該光柵層係為底部為低折射率材料、中間為高折射率材料、頂部為低折射率材料的三明治結
構。
較佳地，高折射率材料可為SiN、Ta2O5或HfO2，該低折射率材料可為SiO2。
較佳地，低折射率干涉層可為低折射率材料所組成，低折射率材料可為SiO2，低折射率干涉層之厚度可為50nm至500nm。
較佳地，基板之材質可為SiO2或藍寶石(Sapphire)，其厚度可為1mm至50mm。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1:基板
2:高折射率干涉層
3:低折射率干涉層
4:光柵層
41:低折射率材料
42:高折射率材料
g:蝕刻深度
d:寬度
Λ:光柵週期
第一圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構示意圖。
第二圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構參數示意圖。
第三圖係為本發明之比較例單一SiO2光柵結構示意圖。
第四圖係為本發明之比較例多層介電光柵結構示意圖。
第五圖係為單一光柵結構設計之繞射光譜。
第六圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構之繞射光譜。
第七圖係為多層介電光柵結構設計之繞射光譜圖。
第八圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構示意圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
請參閱第一圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構示意圖，及第二圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構參數示意圖。本發明在於提供高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，包括：基板1、高折射率干涉層2、低折射率干涉層3及光柵層4，基板1之材質可為SiO2或藍寶石(Sapphire)，其厚度可為1mm至50mm，而高折射率干涉層2係形成於基板1上，低折射率干涉層3係形成於高折射率干涉層2上，以及光柵層4係形成於低折射率干涉層3上。光柵層4和低折射率干涉層3同為低折射率介電材質，例如：SiO2，雖然低折射率干涉層3厚度較光柵層4厚度薄，但也是影響繞射效率其中關鍵因素。高折射率干涉層2材質
可為一般光學鍍膜材料，例如：SiN、Ta2O5或者是HfO2等折射率大於光柵層4之材料，在本發明實施方式中，光柵層4和低折射率干涉層3是選用SiO2，折射率約為1.45@970nm；而高折射率干涉層2則是選用HfO2，折射率約為1.96@970nm。藉由在光柵層4與基板1中間加入高/低折射率干涉層2、3，用以達成反射光破壞性干涉，幫助降低自然反射，達到高繞射效率和寬頻譜的目的。
本發明在設計上，使用嚴格耦合波分析法(Rigorous couple wave analysis method,RCWA)，此方法對於分析週期性結構的光學繞射元件，具有非常好的計算效率與準確性。在元件最佳化參數尋找上，則是應用基因演算法，尋找最佳的元件結構參數。在穿透式介電光柵色散元件設計，主要是設計出具有負一階的高繞射效率和寬頻譜之穿透式介電光柵色散元件，此元件是在半導體雷射多光束光譜合束技術，扮演相當重要的角色。
請參閱第二圖，在SiO2基板1表面製作上光柵結構，光柵結構的相關參數，包含：光柵週期Λ、蝕刻深度g(depth of grating)、寬度d和佔空比(filling ratio)定義為(d/Λ)。使用基因演算法尋找本發明的介電光柵元件的最佳參數範圍，光柵層4之光柵週期範圍可為300nm至1000nm、蝕刻深度g可為100nm至2000nm和寬度d可為50nm至500nm。
在本發明實施方式中，光柵週期Λ設定為
625nm，而主要有二個光柵結構參數參與運算，蝕刻深度g、佔空比(filling ratio)，在高繞射效率呈現出佔空比(d/Λ)與蝕刻深度g呈反比，佔空比小，則需要較深的蝕刻深度g，其中物理為基態波導模態與負一階波導模態之間的差值為一定值，等效折射率必須為一定值所致。對於本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構(bi-layer dielectric grating design)則會增加SiO2低折射率干涉層3之厚度(residual thickness)和HfO2高折射率干涉層2之厚度，低折射率干涉層3之厚度可為50nm至500nm，以及高折射率干涉層2之厚度可為50nm至1000nm。為了確定本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，我們將比較單一SiO2光柵結構(如第三圖所示)、本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構以及在本發明結構下多增加一對SiO2/HfO2低/高折射率干涉層3、2設計(如第四圖所示)，第一種結構及第三種結構的繞射效率計算結果都明顯地比起本發明設計差一點。在適應函數(Metric function)設定如方程式：Σ(3-(de 950+de 970+de 990))，本方程式主要是計算(950nm,970nm,990nm)等三個波長的負一階穿透繞射效率(de 950,de 970,de 990)相加後與三相減，當獲得最小值，即為最佳解。
以穿透式光柵色散元件而言，最佳的基板材料為熔融石英(Fused silica)，對於大於800nm波段具有低吸收，有利於高功率雷射使用，其中又以Corning 7980和Corning 7979為最佳。我們將比較三種結構，第一種結構為單一SiO2
光柵結構(如第三圖所示)，直接在熔融石英基板1上製作光柵層4結構、第二種結構為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構(bi-layer dielectric grating design)(如第一圖所示)，在熔融石英基板1上先鍍上一層高折射率介電材料，一般可以使用Ta2O5或是HfO2，選用HfO2的原因為比起Ta2O5，前者具有較高的耐受功率，接著為低折射率材料SiO2(nSiO2)的低折射率干涉層3和光柵層4。第三種結構為多層介電光柵結構設計(multi-layer dielectric grating design)(如第四圖所示)，是在第二種結構的光柵層4下方，再多增加一對低/高折射率干涉層3、2(SiO2/HfO2)。
請參閱第五圖，使用基因演算法所獲得的最佳解。基因演算法的最佳解在920nm-1000nm範圍內，其負一階穿透繞射效率皆大於90%，最高的繞射效率為95.3%，此時的結構參數分別如下：蝕刻深度g為1.42um、佔空比為0.557，此結果並沒有達到大於98%以上高繞射效率的預設目標。另外，藉由零階和負一階穿透與反射光譜圖計算，來討論光能量損失的原因，由穿透光譜計算在940nm-960nm範圍內，有些微的光能量是直接穿透(零階穿透)；而在960nm-1000nm範圍內，穿透能量皆為負一階繞射，但是由反射光譜可以觀察到將近4-5%能量，主要是以直接反射(零階反射)與負一階繞射反射方式傳遞光能量，為了降低4-5%的直接反射(零階反射)與負一階繞射反射，本發明採用第二種結構-雙層介電光柵設
計，雙層介電膜一般主要是所謂的V-coating，專門應用於抗反射鍍膜，藉由雙層結構令入射光在反射方向產生破壞性干涉，進而達到極低的反射率。
雙層介電光柵結構設計為本發明設計，主要是在第一種結構之光柵層4與基板1中間加入一對高/低折射率干涉層2、3，高/低折射率材料分別為一Ta2O5或者是HfO2(高折射率材料)，以及SiO2(低射率材料)，在設計計算中，高折射率材料主要是選用HfO2，折射率約為1.96@970nm，結構參數分別有四項：蝕刻深度g、佔空比、低折射率干涉層3(SiO2)厚度、以及高折射率干涉層2(HfO2)厚度。第六圖為經由基因演算法所獲得的本發明設計最佳穿透繞射光譜圖，最佳化結構參數分別為：蝕刻深度g為1.296um、佔空比為0.409、低折射率干涉層3厚度為183.7nm以及高折射率干涉層2厚度為177.9nm，在960-980nm波段範圍，穿透負一階繞射效率平均值為99.4%，具有高繞射效率與寬頻譜光學特性。
另外，為減少繞射光打基板1背面的自然反射，而在基板1背面在鍍上抗反射層，最常用的技術為V-coating-兩層高/低折射率介電材料。對於950-990nm波段範圍內和入射角度51.3度，經由優化的V-coating：HfO2厚度為185.3nm和SiO2厚度為166.1nm。以下將呈現第二種結構在有/無基板1背面抗反射層下的計算結果，基板1厚度為1mm，一般在尋找結構優化條件時，會使用無限基板1厚度(infinite
substrate case)以增加計算速度；在有限基板1厚度條件計算下，由於光行進至基板1背面會有部份反射以及Fabry-Perot干涉，因此在無鍍抗反射層條件下，平均繞射效率在90%左右；而有加基板1背面抗反射層(with backside AR coating)的結果，能有效地抑制基板1背部的反射，雖然還有明顯的Fabry-Perot干涉現象，但是平均繞射效率仍能維持在99.3%，與無限基板1厚度計算相差不到0.1%。
接著我們分析第三種結構為多層介電光柵結構設計(multi-layer dielectric grating design)(如第四圖所示)，是在第二種結構的光柵層4下方，再多增加一對低/高折射率干涉層3、2(SiO2/HfO2)，結構參數增加為六項：蝕刻深度g、佔空比、第一層低折射率干涉層3(SiO2)厚度、第一層高折射率干涉層2(HfO2)厚度、第二層低折射率干涉層3(SiO2)厚度、以及第二層高折射率干涉層2(HfO2)厚度。第七圖為經由基因演算法所獲得的多層介電光柵結構繞射光譜圖，最佳化結構參數分別為：蝕刻深度g為1.366um、佔空比為0.333、第一層低折射率干涉層3(SiO2)厚度為167.3nm、第一層高折射率干涉層2(HfO2)厚度為83.3nm、第二層高折射率干涉層2(HfO2)厚度為177.9nm以及第二層低折射率干涉層3(SiO2)厚度為351.2nm，在960-980nm波段範圍，穿透負一階繞射效率平均值為98.9%，此一結果雖然也能獲得高繞射效率，但是其結果低於第二種結構之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結
構。
請參閱第八圖係為本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構示意圖。一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，包括：基板1、低折射率干涉層3及具有SiO2/HfO2/SiO2三明治結構的光柵層4。基板1之材質為SiO2或藍寶石(Sapphire)，其厚度為1mm至50mm。低折射率干涉層3係形成於基板1上，低折射率干涉層3為低折射率材料所組成，低折射率材料為SiO2，低折射率干涉層3之厚度為50nm至500nm。光柵層4係形成該低折射率干涉層3上，其中光柵層4係為底部為低折射率材料41、中間為高折射率材料42、頂部為低折射率材料41的三明治結構，而高折射率材料42為SiN、Ta2O5或HfO2，低折射率材料41為SiO2。
綜上所述，本發明係一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，由於是全介電材料組成，可承受更高的耐受功率，適合應用於高功率雷射系統。另外，藉由應用低/高/低折射率的三明治結構，形成反射光破壞性干涉的物理機制，用以抑制自然反射效應，以提高繞射效率。理論計算顯示，加入高/低折射率干涉層3，在穿透式繞射元件應用有著較高的元件性能。再者，藉由簡單的元件設計，可降低製作上的困難度之功效。以上，使用基因演算法進行元件結構優化，顯示控制適合的高/低折射率干涉層3厚度，能降低自然反射所造成的損耗，進而提升元件的繞射效率，對於950-990nm波
長範圍，繞射效率皆大於98%以上。本發明由於結構相對簡單，對於後續製作上更加容易，因此本發明之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，可應用於高功率光纖雷射系統或是高功率半導體雷射系統中的多光束光譜合束(spectra beam combination)之色散元件。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如
後述之申請專利範圍所列。
1:基板
2:高折射率干涉層
3:低折射率干涉層
4:光柵層
Claims (4)
- 一種高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，包括：一基板；一高折射率干涉層，係形成於該基板上；一低折射率干涉層，係形成於該高折射率干涉層上；以及一光柵層，係形成於該低折射率干涉層上，其中該光柵層及該低折射率干涉層為一低折射率材料所組成，該低折射率材料為SiO2，其中該光柵層之光柵週期範圍為300nm至1000nm、蝕刻深度為100nm至2000nm和寬度為50nm至500nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，其中該高折射率干涉層材質為一般光學鍍膜材料，其材質折射率大於該光柵層之折射率，該高折射率干涉層材質為SiN、Ta2O5或HfO2。
- 如申請專利範圍第1項所述之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，其中該低折射率干涉層之厚度為50nm至500nm，以及該高折射率干涉層之厚度為50nm至1000nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構，其中該基板之材質為SiO2或藍寶石(Sapphire)，其厚度為1mm至50mm。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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