專利名稱：熔融石英透射1×2分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及1x2分束器，特別是一種針對光纖通信用1550納米波段的 熔融石英透射lx2分束光柵。
技術(shù)背景分束器廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)中，它能把一束入射光分成幾束能量相等的出射 光。傳統(tǒng)的基于多層介質(zhì)膜的寬帶分束器能量損失較大，制造過程復(fù)雜，成本高。近 來，一些文獻(xiàn)報(bào)道了相位光柵作為分束器，例如3通道耦合器、干涉計(jì)用反射50/50 輸出等等。通常，全息光柵的工作帶寬窄。眾所周知，熔融石英是一種非常好的光學(xué) 材料，它具有從深紫外到遠(yuǎn)紅外的寬透射譜。以熔融石英為材料，已經(jīng)設(shè)計(jì)和制作了 低偏振相關(guān)損耗高效率光柵和偏振分束光柵。因此，如果熔融石英用來制作分束光柵 應(yīng)用于寬帶高功率激光系統(tǒng)中，將是非常吸引人的。矩形高密度深刻蝕光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有 較深槽形的光柵。由于表面刻蝕光柵的刻蝕深度較深，所以衍射性能類似于體 光柵，具有高效率的體光柵布拉格衍射效應(yīng)，這一點(diǎn)與普通的表面淺刻蝕的平 面光柵完全不同。矩形高密度深刻蝕光柵的衍射理論，不能由簡單的標(biāo)量光柵 衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方程并結(jié)合邊界條件，通過 編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴(yán)格耦合波理論 的算法在先技術(shù)1: M.GLMoharametal.，J.Opt.Soc.Am.A.12,1077(1995)，可以 解決這類高密度光柵的衍射問題。但據(jù)我們所知，沒有人針對光纖通信的1550 納米波段給出高密度深刻蝕烙融石英透射1x2分束光柵的設(shè)計(jì)參數(shù)。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對光纖通信的1550納米波段提供一 種熔 融石英透射1x2分束光柵，該光柵可以使TE或者TM偏振入射光等效率分別在0 和1級衍射，實(shí)現(xiàn)lx2分束，以及偏振自由選擇的情況下，同時(shí)對TE和TM偏 振入射光實(shí)現(xiàn)lx2分束。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)對TE或者1M以及同時(shí)對TE和IM 偏振入射光高衍射效率透射lx2分束，具有重要的實(shí)用意義。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下-一種用于常用波段1550納米光纖通信的熔融石英透射1x2分束光柵，該光 柵是矩形高密度深刻蝕光柵，光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度為1.380微米，該光柵適用于TE偏振光入射；該光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度為1.739微米，該光 柵適用于IM偏振光入射；該光柵的占空比為0.643、周期為1527納米、刻蝕深度為1.830微米，該光 柵同時(shí)適用于TE和IM偏振光入射。試驗(yàn)表明，本實(shí)用新型熔融石英透射1x2分束光柵，該光柵可以使TE或者 TM偏振入射光等效率分別在0級衍射和1級衍射，實(shí)現(xiàn)1x2分束，以及偏振自由選 擇的情況下，同時(shí)對TE和TM偏振入射光實(shí)現(xiàn)分束。本實(shí)用新型熔融石英光柵由光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電 子深刻蝕工藝加工而成，可以低成本、大批量生產(chǎn)。附圉說明


圖1是本實(shí)用新型1550納米波長的熔融石英透射1 x2分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。圖2是本實(shí)用新型熔融石英透射1x2分束光柵(熔融石英的折射率取 1.44462)在不同光柵刻蝕深度下的透射衍射效率。圖3是本實(shí)用新型熔融石英透射1x2分束光柵(熔融石英的折射率取 1.44462)在光纖通信的C+L波段使用，各個(gè)波長以相應(yīng)的Littrow角度入射到 光柵時(shí)，TWIM模式下的透射衍射效率。圖4是全息光柵的記錄光路。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí) 用新型的保護(hù)范圍。表1給出了本實(shí)用新型一系列實(shí)施例的參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果，
圖1顯示了本實(shí) 用新型熔融石英透射1"分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。在圖中，1代表光柵(基底熔融 石英折射率112-1.44462)， 2代表空氣(折射率為i^-l), 3代表入射光，4代 表0級衍射光，5代表1級衍射光。光柵矢量l位于入射平面內(nèi)。TE偏振AiT 光對應(yīng)于電場矢量的振動方向垂直于入射面,TM偏振入射光對應(yīng)于磁場矢量的 振動方向垂直于入射面。一線性偏振的光波以一定角度0i - sitf10/^ A))入射(定 義為Littrow條件)，X代表入射波長，A代表光柵周期。在如
圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下,本實(shí)用新型采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)1
計(jì)算了深刻蝕熔融石英光柵在光纖通信常用的1550納米波長處的衍射效率隨著 光柵深度的變化曲線。依據(jù)理論計(jì)算得到熔融石英透射1x2分束光柵的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果如圖2所示如圖2(a)所示，當(dāng)該光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度 為1.380微米時(shí)，TE偏振光的0級透射效率和1級透射效率分別為48.35%和 48.39%,實(shí)現(xiàn)對TE偏振光lx2分束；如圖2(b)所示，當(dāng)該光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度 為1.739微米時(shí)，TM偏振光的0和1級透射效率分別為49.13%和49.09%,實(shí) 現(xiàn)對TM偏振光lx2分束；如圖2(c)所示，當(dāng)該光柵的占空比為0.643、周期為1527納米，刻蝕深度 為1.830微米時(shí)，IE偏振光在0和1級透射效率分別為48.52%和48.56%, TM 偏振光在0和1級透射效率分別為49.35%和49.07%，實(shí)現(xiàn)對TE和TM偏振光 同時(shí)1x2分束。如圖3所示，對于TE偏振光的優(yōu)化數(shù)值結(jié)果，在C+L波段，兩個(gè)衍射級次 的效率差不大于3.28%;對于TM偏振光的優(yōu)化數(shù)值結(jié)果，在C+L波段，兩個(gè)衍射 級次的效率差不大于12.07%:對于TE和TM偏振光的同時(shí)優(yōu)化數(shù)值結(jié)果，在C+L 波段，TE偏振光在兩個(gè)衍射級次的效率差不大于0.44%， TM偏振光在兩個(gè)衍射級次 的效率差不大于9.24%。可以看出，優(yōu)化的熔融石英光柵對于TE偏振光可以作為寬帶分束器。本實(shí)用新型烙融石英透射ix2分束光柵的制備方法是利用微光學(xué)技術(shù)制備 的，首先在干燥、清潔的熔融石英基片上沉積一層金屬鉻膜，并在鉻膜上均勻 涂上一層正光刻膠(Shipley, S1805, USA)。然后采用全息記錄方式記錄光柵， 見圖4，在圖中6代表氦鎘激光器，7代表快門，8代表分束鏡，9、 10、 11、 12 代表反射鏡，13、 14代表擴(kuò)束鏡，15、 16代表準(zhǔn)直透鏡，17代表基片。氦鎘激 光器6 (波長為0.441萍)發(fā)出兩束平面波以26夾角在基片17上形成干涉場。 光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)表示為A-4/(24toe),其中X為記錄光波長。 記錄角0越大，則A越小，所以通過改變記錄角e的大小，可以控制光柵的周期A， 記錄高密度光柵。接著，顯影后，用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到鉻膜上, 利用化學(xué)試劑將多余的光刻膠去除。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕 機(jī)中進(jìn)行一定時(shí)間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)移到石英基片上，再用去鉻液將 鉻膜去除，就得到高密度深刻蝕的矩形熔融石英光柵。表1給出了本實(shí)用新型一系列實(shí)施例，在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇占 空比、周期及刻蝕深度，就可以得到熔融石英透射1x2分束光柵。由表1并結(jié)合圖2可知，該光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度為1.380 微米時(shí)，TE偏振光的0級透射效率和1級透射效率分別為48.35%和48.39%, 實(shí)現(xiàn)對TE偏振光lx2分束；該光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕 深度為1.739微米時(shí),TM偏振光的0級透射效率和1級透射效率分別為49.13% 和49朋％，實(shí)現(xiàn)對IM偏振光1x2分束；特別是該光柵的占空比為0.643、周 期為1527納米、刻蝕深度為1.830微米時(shí)，可以使TE偏振光在O級的透射效 率和1級的透射效率分別為48.52%和48.56%, TM偏振光在0級的透射效率和 1級的透射效率分別為49.35%和49.07%,實(shí)現(xiàn)對TE和TM偏振光同時(shí)1x2分束。本實(shí)用新型的熔融石英透射1x2分束光柵，具有很高的透射效率，并且對 于TB偏振光可以作為寬帶分束器，不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜，利用全息光柵記錄 技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產(chǎn)， 刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、可靠，是分束器的一種重要的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。lx2分束器是 最基本的光學(xué)元件，本實(shí)用新型的熔融石英透射1x2分束光柵具有結(jié)構(gòu)簡單、 效率高(例如對于TE偏振光，效率大于96%)、穩(wěn)定可靠、可以大批量、低成 本生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用前景。表l 1550納米波長不同偏振態(tài)布拉格角入射下，0、 l級透射衍射效率i ，偏振態(tài)/A (nm)TE5.0015501.3抑483548.39TM5.0015501.73949.1349.09TE,5.0015271.83048.5248.56TM49.354婦其中/為占空比，A為光柵周期，rf為刻蝕深度,
權(quán)利要求1、一種用于常用波段1550納米光纖通信的熔融石英透射1×2分束光柵，其特征在于該光柵是矩形高密度深刻蝕光柵，光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度為1.380微米或1.739微米。
專利摘要一種用于常用波段1550納米光纖通信的熔融石英透射1×2分束光柵，是一種矩形高密度深刻蝕光柵，光柵的占空比為0.500、周期為1550納米、刻蝕深度為1.380微米或1.739微米。本實(shí)用新型熔融石英光柵由光學(xué)全息記錄技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝加工而成，可以低成本、大批量生產(chǎn)。
文檔編號G02B5/18GK201166715SQ20072007615
公開日2008年12月17日 申請日期2007年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者周常河, 博 王 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所