專利名稱：亞波長金屬偏振分束光柵的優(yōu)化設計方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光柵設計領域，涉及一種偏振分束光柵的優(yōu)化設計，特別涉及一種亞波 長金屬偏振分束光柵優(yōu)化設計方法，該方法對簡化亞波長金屬偏振分束光柵的設計方法， 提高光柵的偏振分束性能具有重要的意義。
背景技術：
隨著微加工技術的不斷進步，目前已可制作周期小于100nm的亞波長金屬光柵。亞波 長金屬光柵只存在0級衍射，衍射效率穩(wěn)定，具有優(yōu)良的偏振分束特性，且體積小、效率 高、易集成，是偏振光分束器、光存儲器、光環(huán)形器、光隔離器等光學組件中的核心部 件，在光通信、光學測量、光學信息處理、液晶顯示等領域具有廣泛的應用前景。亞波 長金屬分束光柵通常要求角度適應范圍廣、光譜寬、消光比高、插入損耗低，同時還要 求能夠提供足夠的制作寬容度。因此，制作亞波長金屬偏振分束光柵，必須先進行優(yōu)化 設計，以確定最佳光柵參數(shù)，使光柵達到最佳分束性能。
目前，通常采用嚴格電磁矢量衍射理論與遺傳算法相結合(Cormier G, Boudreau R， Theriault S. 2001 JC^5bc Jw 5 18 1771 )的方法對亞波長金屬偏振分束光4冊進行優(yōu)化設 計，這種方法計算前先選取需要優(yōu)化的光柵參數(shù)(光柵占寬比/,刻槽深度/z和周期」)， 并表示成"染色體"，給出一組假設解，然后通過嚴格電磁矢量衍射理論計算，按適者生 存的原則，從中選擇出較適應環(huán)境的"染色體，，(局部優(yōu)化解)進行復制，再通過交叉， 變異過程產(chǎn)生更適應環(huán)境的新一代"染色體"群，并不斷進化，最后就會收斂到最適應環(huán) 境的一個"染色體"上，得到問題的最優(yōu)解，即全局解。這種方法算法復雜、計算效率低、 甚至有時得不到全局優(yōu)化解。
對于亞波長金屬偏振分束光柵的優(yōu)化，目前還沒有一種科學可靠的設計方法。傳統(tǒng) 的經(jīng)驗分析方法主要基于嚴格矢量電磁理論計算不同參數(shù)下光柵的衍射效率，并通過人 工的方法確定光柵最優(yōu)設計參數(shù)，這種方法無法解決光柵周期、占寬比、槽深等多參數(shù) 組合的優(yōu)化問題，往往獲得的是局部最優(yōu)解，且由于人為因素可能造成參數(shù)選擇錯誤。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足，提出 一種新的用于亞波長金屬 偏振分束光柵的優(yōu)化設計方法。由于亞波長光柵具有形式雙折射效應，可等效為均勻單軸正晶膜層 (Brundrett DL, Glytsis EN, Gaylord TK 1994 J; ; /. 6^. 33 2695 ),通過調(diào)整光4冊占寬 比，可以使光柵層獲得介于入射層和基底層之間任何大小的有效折射率。 本發(fā)明的方法具體包括以下幾個步驟
1. 確定光柵周期J。根據(jù)亞波長光柵的周期條件(AS^/IO )，確定工作
波長義o時的光柵周期J。
2. 采用薄膜光學抗反射設計方法計算TM偏振最大透射時所需的有效折射率。
3. 采用有效介質(zhì)理-論確定TE偏振和TM偏振有效折射率與光柵占寬比 的變化關系，并根據(jù)第2步確定的有效折射率確定光柵的占寬比/。
4. 根據(jù)薄膜光學抗反射的1/4波長匹配原理確定光柵刻槽深度/z。
本發(fā)明利用有效介質(zhì)理論和薄膜光學的抗反射原理解決光柵最佳參數(shù)的 確定問題，實現(xiàn)TE偏振和TM偏振的分束，可提高設計的科學性、可靠性、 快捷性。
圖1為亞波長金屬偏振分束光柵結構示意圖
圖2為光^t層金屬有效折射率與占寬比變化的關系
圖3為TE偏振光和TM偏振光衍射效率與入射角變化的關系
圖4為消光比與入射角變化的關系
圖5為插入損耗與入射角變化的關系
圖6為TE偏振光和TM偏振光衍射效率與入射光波長(工作波長)變化的關系 圖7為消光比與入射光波長(工作波長)變化的關系 圖8為插入損耗與入射光波長(工作波長)變化的關系
具體實施例方式
下面針對1550納米工作波長設計亞波長金屬偏振分束光柵，對本發(fā)明的具體優(yōu)化設 計過程進行詳細描述，所需亞波長金屬偏振分束光柵結構如圖1所示。 第一步確定光柵周期/L根據(jù)亞波長光柵的周期條件(A^;^/10)，確定工作
波長義。=1550納米時的光柵周期AS155納米，為了減小加工難度，通常取光柵周期的 上限值J=150纟內(nèi)米，此時光柵只存在0級衍射。
第二步確定TM偏振最大透射時所需的有效折射率。亞波長金屬光柵對TE偏振光等效為金屬膜，具有反射特性，對TM偏振光等效為介質(zhì)膜，具體透射特性。根據(jù)薄 膜光學的抗反射設計方法，當介質(zhì)膜的折射率滿足"-7^("i為入射層折射率，"2為光 柵基底層折射率)時，可實現(xiàn)TM偏振的最大透射。當入射層為空氣 =1.0,光柵基底層
為石英 =1.45,且垂直入射(入射角6 = 0度)時，則實現(xiàn)TM偏振最大透射所需的
有效折射率"Wl.0xl.45 1.20。
第三步確定光柵占寬比/
根據(jù)有效介質(zhì)理論，TE偏振光與TM偏振光在光柵層的有效折射率分別 表示為
其中/為光柵占寬比，即線寬與周期之比， =";+ "/和 分別為光柵脊和
光4冊槽的復折射率，"'與yt'分別為復折射率的實部和虛部，利用(1)式和(2)式可確《TE 偏振和TM偏振有效折射率與光柵占寬比的變化關系圖譜(光柵脊為金屬鋁)，
如圖2所示，圖中^ (<) , /b( (&)分別為TE(TM)偏振光有效折射率的實部和虛部。
根據(jù)第二步確定的有效折射率《=",并從圖2中得出光柵的占寬比/= 0. 3 。
第四步確定光柵刻槽深度。根據(jù)薄膜光學抗反射的1/4波長匹配原理，當光柵 層光學厚度滿足A)/4,即
式中/z為光柵刻槽深度，"為TM偏振光在光柵層的有效折射率(由步驟二確定)，可計 算得出TM偏振光實現(xiàn)最大透射時所需的光柵刻槽深度/z二 1550/(4x1.20) = 323納米。
通過以上四個步驟可以確定本例1550納米工作波長的亞波長鋁金屬偏振分束光柵的 優(yōu)化設計參數(shù)為周期」=150納米，占寬比/=0.3,刻槽深度/7 = 323納米。
通過嚴格耦合波理論(Moharam MG, Pommet DA, Gr^ EB and Gaylord TK 1995 ■/C^.&cJwJ 12 1077)計算上述優(yōu)化設計參數(shù)時光柵的偏振分束性能，可見在 -28G<0<28%々大入射角范圍內(nèi)，TE偏振光的反射率和TM偏振光的透射率分別高于96.3%和97.5%(圖3 ),消光比分別高于64dB和25dB (圖4 )，插入損耗分別低于0.13dB和0.16dB (圖5)。在1200納米<義0<1800納米的寬入射光譜范圍內(nèi)，TE偏振光的反射率和TM偏振 光的透射率均高于96% (圖6),消光比分別高于61dB和23dB (圖7),插入損耗均低于 0.16dB (圖8),具有最佳的偏振分束特性。
權利要求
1、亞波長金屬偏振分束光柵的優(yōu)化設計方法，所述方法利用有效介質(zhì)理論和薄膜光學的抗反射原理解決光柵最佳參數(shù)的確定問題，實現(xiàn)TE偏振和TM偏振的分束，方法具體包括以下步驟(1)確定光柵周期Λ根據(jù)亞波長光柵的周期條件A≤λ0/10，確定工作波長λ0時的光柵周期Λ；(2)采用薄膜光學抗反射設計方法計算TM偏振最大透射時所需的有效折射率TM偏振最大透射所需的有效折射率<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><msqrt> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub></msqrt><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009101034770002C1.tif" wi="18" he="5" top= "75" left = "110" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中n1為入射層折射率，n2為光柵基底層折射率；(3)采用有效介質(zhì)理論確定TE偏振和TM偏振有效折射率與光柵占寬比的變化關系，并根據(jù)第(2)步確定的有效折射率確定光柵的占寬比f根據(jù)有效介質(zhì)理論，TE偏振光與TM偏振光在光柵層的有效折射率分別表示為<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>n</mi> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow></msub><mo>=</mo><msqrt> <mi>f</mi> <msubsup><mi>n</mi><mi>r</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>f</mi><mo>)</mo> </mrow> <msubsup><mi>n</mi><mi>g</mi><mn>2</mn> </msubsup></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>n</mi> <mo>⊥</mo></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msqrt><msubsup> <mi>fn</mi> <mi>r</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>n</mi> <mi>g</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup> </msqrt></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中f為光柵占寬比，即線寬與周期之比，nr＝n′r+k′ri和ng＝n′g+k′gi分別為光柵脊和光柵槽的復折射率，n′與k′分別為復折射率的實部和虛部，利用(1)式和(2)式可確定TE偏振和TM偏振有效折射率與光柵占寬比的變化關系圖譜，并根據(jù)第(2)步確定的有效折射率n′⊥＝n，從關系圖譜中得出光柵的占寬比f；(4)根據(jù)薄膜光學抗反射的1/4波長匹配原理確定光柵刻槽深度hnh＝λ0/4(3)式中h為光柵刻槽深度，n為TM偏振光在光柵層的有效折射率，由步驟(2)確定，λ0為工作波長。
全文摘要
本發(fā)明提出一種亞波長金屬偏振分束光柵的優(yōu)化設計方法，可有效解決亞波長偏振分束光柵的參數(shù)確定問題。首先根據(jù)亞波長光柵的周期條件，確定光柵周期Λ。然后，采用有效介質(zhì)理論確定TE偏振和TM偏振的有效折射率與光柵占寬比的變化關系，并根據(jù)所需的有效折射率確定光柵占寬比f。最后，根據(jù)薄膜光學抗反射的1/4波長匹配原理確定光柵刻槽深度h。本發(fā)明提供了一種設計亞波長金屬分束光柵的優(yōu)化方法，解決了設計中的多光柵參數(shù)組合選優(yōu)問題，提高了設計的科學性、可靠性和快捷性。
文檔編號G02B5/18GK101515044SQ20091010347
公開日2009年8月26日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權日2009年3月30日
發(fā)明者袁代蓉, 趙華君 申請人:重慶文理學院