專利名稱：矩形槽石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏振分束光柵，特別是一種TE波和TM波衍射效率均可達(dá)99%以上的 寬帶的矩形槽石英透射偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
偏振分束器是一種關(guān)鍵的光學(xué)元件，它可以將入射光分成兩束偏振方向相互垂直 的偏振光，在偏振成像系統(tǒng)、自由空間光交換網(wǎng)絡(luò)和磁光存儲系統(tǒng)中有廣泛地應(yīng)用。在大多 數(shù)應(yīng)用中，人們常常需要高消光比，即高衍射效率，較寬可操作波長范圍，體積小，低成本的 偏振分束器。傳統(tǒng)的偏振分束器多是利用晶體的自然雙折射效應(yīng)或者是多層介質(zhì)膜的偏振 特征設(shè)計制作的。但是，利用雙折射效應(yīng)制作的偏振分束器(例如Nicol棱鏡和Wollaston 棱鏡)不僅笨重，體積大，而且價格昂貴，不利于集成；而薄膜偏振分束器的工作帶寬較小， 且常常需要鍍幾十層膜，制作工藝復(fù)雜，對制作環(huán)境和技術(shù)的要求較高。近些年來，隨著微制作技術(shù)的快速發(fā)展和日趨成熟，利用亞波長表面浮雕型光柵 的偏振特性設(shè)計的偏振分束器引起人們的廣泛興趣。與傳統(tǒng)的偏振分束器相比，表面浮雕 型光柵的結(jié)構(gòu)緊湊，易于小型化和集成化，并且可以借助成熟的微電子工藝技術(shù)低成本大 量制造，具有重要的實用前景。石英是一種物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)均十分穩(wěn)定的礦產(chǎn)資源，具 有損傷閾值高，熱膨脹系數(shù)小，折射率可控等特點參見在先進(jìn)技術(shù)1 折射率可控的多孔 性二氧化硅減反膜的制備方法，唐永興、熊懷、李海元、陳知亞，申請?zhí)枮?00910048696. 4， 是用于制作偏振分束光柵的優(yōu)良材料。在光通信領(lǐng)域，王博等人設(shè)計了 1550納米波長的石 英透射偏振分束光柵，其衍射效率在理論上TE波(即電場偏振方向垂直于入射面)的衍 射效率可達(dá)90. 02%，TM波(即磁場偏振方向垂直于入射面)的衍射效率達(dá)99. 05%，并在 1512-1601nm的波長范圍內(nèi)的消光比均達(dá)到100以上參見先進(jìn)技術(shù)2 1550納米波長的石 英反射偏振分束光柵，周常河、王博，專利號為ZL2006100234207。雖然該設(shè)計對TM波的衍 射效率較高，但是TE波的衍射效率較低，因此，可通過改進(jìn)光柵結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高其效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種矩形槽石英透射偏振分束光柵，該光柵可以 將互相垂直的TE、TM兩種偏振模式光分開，使其對中心波長在各自方向上的衍射效率達(dá)到 99%以上，并具有較寬的使用帶寬。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種矩形槽石英透射偏振分束光柵，其特點是該光柵的結(jié)構(gòu)包括熔融石英矩形槽 光柵及其表面的多孔性二氧化硅增透膜，該光柵存在兩種偏振方式第一種偏振方式是TM波被衍射到0級，而 TE波則被衍射至-1級，該方式的光柵 的歸一化周期P，即光柵周期與入射波長的比值的變化范圍為0. 582 0. 854，而其它參數(shù) 滿足下列關(guān)系式f = 3. 3098 P 2-6· 2731 P+2. 991，
Aneff,TE = -1. 9076f2+l. 8060f-0. 0214，其中f表示占空比，即光柵線寬占光柵周期的比例，波的有效折射 率差，光柵的刻蝕深度為，Xtl為中心波長；
Z ZAHeff，丁 E第二種偏振方式是TM波被衍射到-1級，TE波被衍射到0級，該方式的光柵結(jié)構(gòu) 的歸一化周期P的變化為0. 624 1. 049，其余參數(shù)滿足下列關(guān)系式 其中光柵深度J 該矩形槽石英透射偏振分束光柵，經(jīng)分析和實驗表明，對中心波長按照設(shè)計要求制 作的偏振分束光柵，TE和TM波的衍射效率都可達(dá)99%以上，且具有較大可使用波長范圍。


圖1是本發(fā)明偏振光柵分束器的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明偏振光柵分束器第一種分束方式幾何結(jié)構(gòu)示意圖TE波被衍射到-1 級，TM波被衍射到0級。圖3是本發(fā)明偏振光柵分束器第二種分束方式幾何結(jié)構(gòu)示意圖TM波被衍射到-1 級，TE波被衍射到0級。圖4是本發(fā)明偏振光柵分束器第一種分束方式滿足分束要求Δ neff,TM = 0的光柵 參數(shù)歸一化周期和占空比的關(guān)系曲線。圖5是本發(fā)明偏振光柵分束器第二種分束方式滿足分束要求Δ neff, ΤΕ/ Δ neff, ΤΜ = 2的光柵參數(shù)歸一化周期和占空比的關(guān)系曲線。圖6是按圖2設(shè)計的各光柵分束器未加增透膜時所對應(yīng)的衍射效率。圖7是按圖2設(shè)計的各光柵分束器加不同增透膜情況下所對應(yīng)的衍射效率。圖8是按圖3設(shè)計的各光柵分束器未加增透膜時所對應(yīng)的衍射效率(長線部分)。圖9是按圖3設(shè)計的各光柵分束器加不同增透膜情況下所對應(yīng)的衍射效率(長線 部分)。圖10是本發(fā)明的光柵以第一種分束方式，P = 0.655，入射角恒定時透過率隨波 長變化的曲線。圖11是本發(fā)明的光柵以第一種分束方式，P=O. 655，入射角隨波長變化時透過 率隨波長變化的曲線。圖12是本發(fā)明的光柵以第二種分束方式，P=L 18，入射角恒定時透過率隨波長 變化的曲線。圖13是本發(fā)明的光柵以第二種分束方式，P=L 18，入射角隨波長變化時透過率 隨波長變化的曲線。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明的依據(jù)如下圖1是本發(fā)明矩形槽石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域1、2都是均 勻的，分別是空氣(折射率Ii1 = 1.0)和熔融石英(折射率Ii2 = 1.45)，陰影部分為多孔二 氧化硅減反膜，折射率可在1.22-1. 29的范圍內(nèi)變化；ρ為光柵的實際周期，d為光柵的刻蝕 深度。入射面垂直于光柵的槽線，一光波以Littrow角入射，SP Qim = Sirr1Uc^n1Ph限 制光柵周期，使其只存在0，-1級衍射光以θ_1= Q0 = SirT1(Xz^n2P)出射。如圖2和圖 3所示，圖2是本發(fā)明偏振光柵分束器第一種分束方式幾何結(jié)構(gòu)示意圖ΤΕ波被衍射到-1 級，TM波被衍射到O級。圖3是本發(fā)明偏振光柵分束器第二種分束方式幾何結(jié)構(gòu)示意圖 TM波被衍射到-1級，TE波被衍射到O級。在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明首先采用簡化模式法在先進(jìn)技術(shù)3，按照圖 2和圖3所示的兩種分束方式，分別對光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并得到偏振分束光柵需滿足 的兩個條件1)第一種偏振分束方式的光柵的歸一化周期和占空比需滿足等式AnefT, TM = O ；2)第二種偏振分束方式的光柵的歸一化周期和占空比需滿足等式Aneff，TE/ Aneff，TM = 2，其中，Aneff，TM和Δ neff，TE分別為TM和TE波的有效折射率差，是它們 O級和-1級有效折射率之差的絕對值，更詳細(xì)的信息參見在先進(jìn)技術(shù)3。圖4是本發(fā)明偏 振光柵分束器第一種分束方式滿足分束要求Anrff,TM = O的光柵參數(shù)歸一化周期和占空比 的關(guān)系曲線。圖5是本發(fā)明偏振光柵分束器第二種分束方式滿足分束要求Anrff,TE/Anrff, χ = 2的光柵參數(shù)歸一化周期和占空比的關(guān)系曲線。，然后，利用常用的插值法得到描述這 些參數(shù)關(guān)系的公式⑴ ⑷第一種偏振方式是TM波被衍射到O級，而TE波則被衍射至-1級。該方式要求光 柵的歸一化周期P (即光柵周期與入射波長的比值)在0. 582 0.854之間變化，且其它 參數(shù)滿足下面的等式
(1)
(1)其中f表示占空比，即光柵線寬占光柵周期的比例，Aneff, TE 波的有效折射
率，光柵的刻蝕深度為3=^^，、為中心波長。第二種偏振方式是TM波在-1級，TE波在0級，對光柵結(jié)構(gòu)的要求是歸一化周期 P在0. 624 1. 049之間變化，其余參數(shù)滿足
(2)
，(3)其中光柵深度d =^-。當(dāng)采用不同的折射率和厚度的多孔性二氧化硅增透膜時，光柵的衍射效率會發(fā)生 不同程度的變化。因為圖5中短線部分描述的光柵效率較低(未鍍膜 前不超過90%，鍍膜后也未達(dá) 到99% )，所以這部分的結(jié)果不在此給出。本發(fā)明首先采用Clausnitzer等人提出的簡化模式法在先進(jìn)技術(shù)3:Τ. Clausnitzer et al. , Opt. Express 13，10448 (2005)得到符合要求的光柵結(jié)構(gòu)，并用 插值法擬合出光柵參數(shù)所滿足的公式，然后采用Moharam等提出的嚴(yán)格耦合波理論計算出 各光柵結(jié)構(gòu)的TE波衍射效率在先進(jìn)技術(shù)4 :M. G. Moharam et al.，J. Opt. Soc. Am. A 12， 1077 (1995)，以及Lalarme等人改進(jìn)的嚴(yán)格耦合波法驗證相應(yīng)的TM波衍射效率在先進(jìn)技 術(shù)5 :P. Lalanne et al.，J. Opt. Soc. Am. A13，779 (1996)。因為這些光柵偏振分束器的結(jié) 構(gòu)設(shè)計與具體的入射光波波長無關(guān)，所以設(shè)計結(jié)果可用于各種激光波長。如圖6所示，對應(yīng)第一種偏振方式，當(dāng)光柵的歸一化周期為0. 567 0. 885，光柵 其它參數(shù)滿足公式(1)和(2)時，TE波-1級和TM波O級的衍射效率均大于90%。在此基 礎(chǔ)上，為了簡化膜層的優(yōu)化難度，我們設(shè)定膜層的折射率為1. 23，并對厚度進(jìn)行優(yōu)化取值。 圖7是按圖2設(shè)計的各光柵分束器加不同增透膜情況下所對應(yīng)的衍射效率，其中(a)nlayCT =I- 23, dlayer = 0. 2581 λo； (b)nlayer = 1·23，dlayer = 0.2258 λo ； (c) nlayer = 1· 25，dlayer =
0.2452 λo ； (d)nlayer = 1.29, dlayer = 0. 2452 λo。如圖 7 (a)所示，鍍上厚度為 0. 2581 λo 的 多孔二氧化硅減反膜后，歸一化周期在0. 582 0. 854范圍內(nèi)光柵的_1級TE波和0級TM 波的衍射效率均提高至99%以上。對于第二種偏振方式，如圖8所示，TE波-1級和TM波0級的衍射效率均大于90 % 時，光柵的結(jié)構(gòu)要求是歸一化周期在0. 64 1. 331之間，其余參數(shù)滿足公式(3)和(4)，同 樣，在此基礎(chǔ)上添加添加折射率為1. 23，厚度為0. 2581 λo的多孔二氧化硅減反膜后，歸一 化周期在0. 624 1. 049范圍內(nèi)的光柵結(jié)構(gòu)的TE波-1級和TM波0級的衍射效率均提高至 99%以上，圖9是按圖3設(shè)計的各光柵分束器加不同增透膜情況下所對應(yīng)的衍射效率(長 線部分)，其中(a)nlayer = 1. 23，dlayer = 0. 2581 λo ； (b)nlayer = 1. 23，dlayer = 0.1935 λo ； (c)nlayer = 1. 25，dlayer = 0. 2064λo ;(d)nlayer = 1. 29，dlayer = 0. 1806 λ。。如圖 9(a)所 示。因為光柵的結(jié)構(gòu)是獨立于入射波長設(shè)計的，確定了入射波長后，按比例就可得到光柵的 結(jié)構(gòu)。例如對于通信技術(shù)常用的中心波長為1550nm的情況而言，采用第一種偏振方式時， 其光柵周期可在879 1371nm之間取值，光柵的占空比和深度則可由公式(1)和(2)計算 得出，再添加折射率為1. 23，厚度為400nm的多孔二氧化硅減反膜后，其對TE波-1級和TM 波0級的衍射效率均會大于99%。同理，按第二種偏振方式分束的光柵結(jié)構(gòu)也能很容易得 至IJ。需要指出的是，膜層的折射率和厚度可根據(jù)實際應(yīng)用的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對光柵的性能 產(chǎn)生影響。圖7(b) (d)和圖9(b) (d)分別顯示了第一和第二種偏振分束方式下，不 同膜層折射率和厚度對光柵衍射效率的影響。偏振分束器的可用帶寬是衡量其性能的一個重要參數(shù)，圖10和圖11分別顯示了 歸一化周期為0. 655，以第一種偏振方式分束的偏振光柵分束器的透射率在入射角恒定，和 入射角始終滿足Littrow條件下隨波長變化的曲線。當(dāng)入射角恒定時，歸一化周期為0. 655 的偏振光柵分束器在0. 9439 λo 1. 054 λo范圍內(nèi)的TE波-1級和TM波0級透射率均大 于95%，在0. 9168 λo 1. 077 λo范圍內(nèi)則均大于90%。當(dāng)入射角隨波長變化，且始終滿足 Littrow條件的情況下，相應(yīng)的波長范圍分別擴(kuò)大至0. 9206 λo 1. 088 λo和0. 8832 λo
1.12 λo。圖12和13則分別顯示了歸一化周期為1. 18，以第二種偏振方式分束的偏振光柵 分束器的透射率在入射角恒定，和入射角始終滿足Littrow條件下隨波長變化的曲線，相 應(yīng)的可用歸一化波長范圍已在圖中用標(biāo)簽標(biāo)明。需要指出的是，該可用波長范圍會隨著光 柵參數(shù)的變化而變化，圖10 圖13中列出的是我們在入射角恒定，TE和TM波透射率均大于90%的情況下，于現(xiàn)有偏振光柵分束器中找到的最大的波長范圍。本發(fā)明的矩形槽石英透射偏振分束光柵的制作分為制作光柵和鍍膜兩部分。首先 根據(jù)實際情況選擇使用的中心波長，按不同的偏振分束方式確定光柵周期的范圍，并在光 柵周期的范圍內(nèi)挑選符合實際要求的光柵周期，接著，按公式(1)、(2)或(3)、(4)確定光柵 的占空比和刻蝕深度，最后用中心波長乘以0. 2581計算出多孔性二氧化硅(折射率1. 23) 的厚度，則得到所需的光柵結(jié)構(gòu)。按該數(shù)據(jù)設(shè)計的光柵的理論衍射效率均高于99%。由于 設(shè)計的光柵偏振分束器的周期多在半波長和一個波長之間，其制作方法可根據(jù)實際的情況 選擇電子束直寫、激光束直寫和全息記錄法結(jié)合干法刻蝕。電子束方法的制作精度較高，適 合加工水平線寬小于500nm的器件，激光直寫法多用于最小水平線寬大于500nm的器件制 作。兩種直寫方式的原理基本相同，都是利用電子束在抗蝕層表面曝光劑量與顯影后抗蝕 層高度的線 性關(guān)系，將光柵的輪廓分布用曝光劑量的大小表示出來，再用該劑量的電子束 對基片逐點曝光，顯影后得到設(shè)計的形貌。但是激光直寫的加工輪廓深度與曝光強(qiáng)度、掃描 速度、顯影液配方等多種因素有關(guān)，難以精確控制，而電子束需要放在真空系統(tǒng)中，且其設(shè) 備龐大，昂貴，加工成本很高。因此，全息記錄法結(jié)合干法刻蝕是目前較為實際且經(jīng)濟(jì)的制作技術(shù)。其制作過程 包括全息記錄和干法刻蝕兩部分。首先，利用激光器發(fā)出兩束平面波以2 θ夾角在涂有光 刻膠的熔融石英基片上形成干涉場，記錄高密度的光柵。光柵的周期可以表示為P= λ/ (2sine)，其中λ表示記錄光波長。因為多數(shù)光刻膠的光敏度依賴于波長，當(dāng)波長大于 500nm時，光敏度急劇下降，所以曝光用的激光器多用氬離子(458nm)、氪離子(351nm)、和 氦-鎘激光器(442nm)。雖然理論上θ等于90度時，獲得的干涉條紋最密，但是實際情況 不可能，而多采用θ等于60度，則可獲得的光柵周期為0.6 λ『如果在致密介質(zhì)中發(fā)生干 涉，則可進(jìn)一步縮短周期。接著，曝光后顯影，在基底表面形成光刻膠光柵，最后，采用干法 刻蝕法將光刻膠光柵轉(zhuǎn)移到石英基片上，得到高密度表面浮雕結(jié)構(gòu)的石英光柵。干法刻蝕 的種類較多，常見用于SiO2材料的刻蝕的就有反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、電子回旋共振等離子體 (ECR)、感應(yīng)耦合等離子體(ICP)等。此外，在母光柵制作好的基礎(chǔ)上，還可采用光柵復(fù)制技 術(shù)進(jìn)一步提高制作效率，減少成本。光柵做好后，需在其表面鍍多孔性二氧化硅增透膜，其 折射率和厚度可根據(jù)實際情況選擇(參考折射率和厚度為1.23，0. 2581 Xci)。該方法是采 用先堿催化后酸催化的方法制備涂膜液，采用噴涂法在光柵上噴制多孔性二氧化硅膜層， 高溫?zé)崽幚砗蟮玫蕉嗫仔远趸枘?，更詳盡的制作方法可參見先進(jìn)技術(shù)1。本發(fā)明的矩形槽石英透射偏振分束光柵，具有很高的衍射效率(99% )和較寬的 可用波長范圍，可根據(jù)實際情況選擇多種工藝制作，或利用光柵復(fù)制技術(shù)大批量、低成本生 產(chǎn)，且制作出的光柵性能穩(wěn)定可靠，因此，本發(fā)明具有重要的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
一種矩形槽石英透射偏振分束光柵，其特征是該光柵的結(jié)構(gòu)包括熔融石英矩形槽光柵及其表面的多孔性二氧化硅增透膜，該光柵存在兩種偏振方式第一種偏振方式是TM波被衍射到0級，而TE波則被衍射至-1級，該方式的光柵的歸一化周期ρ，即光柵周期與入射波長的比值的變化范圍為0.582～0.854，而其它參數(shù)滿足下列關(guān)系式f＝3.3098ρ2-6.2731ρ+2.991，Δneff，TE＝-1.9076f2+1.8060f-0.0214，其中f表示占空比，即光柵線寬占光柵周期的比例，Δneff，TE為TE波的有效折射率差，光柵的刻蝕深度為λ0為中心波長；第二種偏振方式是TM波被衍射到-1級，TE波被衍射到0級，該方式的光柵結(jié)構(gòu)的歸一化周期ρ的變化為0.624～1.049，其余參數(shù)滿足下列關(guān)系式f＝1.0228ρ4-5.1384ρ3+10.0316ρ2-9.2527ρ+3.6559，Δneff，TE＝-1.1568f2+1.0310f+0.1005，其中光柵深度FSA00000074386600011.tif,FSA00000074386600012.tif
全文摘要
一種矩形槽石英透射偏振分束光柵，該光柵的結(jié)構(gòu)包括熔融石英矩形槽光柵及其表面的多孔性二氧化硅增透膜，該光柵存在兩種偏振方式第一種偏振方式是TM波被衍射到0級，而TE波則被衍射至-1級，該方式的光柵的歸一化周期ρ，即光柵周期與入射波長的比值的變化范圍為0.582～0.854；第二種偏振方式是TM波被衍射到-1級，TE波被衍射到0級，該方式的光柵結(jié)構(gòu)的歸一化周期ρ的變化為0.624～1.049。本發(fā)明矩形槽石英透射偏振分束光柵的TE和TM波的衍射效率都可達(dá)99％以上，且具有較大可使用波長范圍。
文檔編號G02B27/28GK101846759SQ20101014294
公開日2010年9月29日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者孫美智, 林尊琪, 畢群玉, 謝興龍 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所