CN101109831A - 1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅 - Google Patents
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Abstract
一种1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，TM偏振光和TE偏振光分别在0级和1级反射，光栅的占空比为0.5，该光栅的周期为344－412纳米、刻蚀深度为1.076－1.205微米时，偏振分束光栅的消光比大于100，可以实现将两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向出射。
Description
技术领域
本发明涉及偏振分束光栅，特别是一种1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅。
背景技术
在光通信领域，偏振分束器是一种关键的光学元件，它可以实现将光分成两束偏振方向相互垂直的偏振光。大多数应用中，人们往往需要高消光比、高衍射效率、较宽的可操作波长范围和角度带宽、体积小的偏振分束器。传统的偏振分束器是基于一些晶体的自然双折射效应(例如Thomson棱镜、Nicol棱镜和Wollaston棱镜)或者多层介质膜的偏振选择性。但是，利用双折射晶体所制成的偏振分束器，体积大，价格昂贵；而薄膜偏振分束器一般工作带宽较小，而且薄膜层数达到几十层，对均匀性和对称性要求较严，加工较难，高消光比元件的成本很高。随着微制造技术的快速发展，亚波长光栅表现出来的特有光学效应受到人们的广泛关注。近来，一些研究工作报道了表面浮雕型光栅作为偏振分束器。与其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光栅的结构紧凑，易于小型化和集成化，且***损耗小，是一种无源器件。如Bo Wang等人制作的1550nm石英偏振分束光栅的消光比理论上可达5.11×103，TM偏振光0级衍射效率为98.62％，TE偏振光1级衍射效率为88.52％【参见在先技术1：B.Wang et al.，Opt.Lett.32，1299(2007)】。
硅作为地球上储藏最丰富的材料之一，具有较好的耐高温和抗辐射性能，特别适宜制作大功率器件，因而成为应用最多的一种半导体材料。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成硅。硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，已渗透到国民经济和国防科技各个领域，当今的电子通信半导体市场中95％以上的半导体器件及99％以上的集成电路用的都是硅。因而，用硅来制作深刻蚀光栅，取材方便且价格低廉，耐高温抗辐射，能够在高强度激光和一些特殊的环境中工作，具有重要的实用意义。此外，偏振分束光栅的制造可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能大批量生产，而其消光比和衍射效率较已报道的表面浮雕型偏振分束光栅都要高。故而，这一新型的硅反射偏振分束光栅较其他表面浮雕型偏振分束光栅成本低，更适宜工业生产，具有重要的实用前景。
矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术2：M.G.Moharam etal.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用1550纳米波长的红外光给出高密度深刻蚀硅反射式偏振分束光栅的设计参数。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对常用1550纳米波长的红外光提供一种1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，该光栅可以将TM、TE两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向，实现0级和1级衍射光消光比大于100，TM偏振光的0级反射衍射效率和TE偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.05％和99.04％。因而能够实现高消光比、高衍射效率的深刻蚀硅反射偏振分束光栅，具有重要的实用意义。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于1550纳米波段的硅反射偏振分束光栅，该光栅的TM偏振光和TE偏振光分别在0级和1级反射，光栅的占空比为0.5，其特征在于该光栅的周期为344-412纳米、刻蚀深度1.076-1.205微米，光栅的占空比为0.5。
所述的1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅的周期为397纳米，光栅的刻蚀深度为1.092微米。
本发明的依据如下：
图1显示了高密度矩形深刻蚀硅光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n1＝1)和硅(折射率n2＝3.47694)。光栅矢量K位于入射平面内。TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射面，TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面。线性偏振的光波以一定角度θi＝sin-1(λ/(2*A*n2))入射(定义为Littrow条件)，λ代表入射波长，Λ代表光栅周期。该偏振分束光栅的消光比定义为0级反射衍射光中TM、TE偏振模式衍射效率之比和1级反射衍射光中TE、TM偏振模式衍射效率之比中的较小值。
在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术2】计算了高密度深刻蚀硅光栅(占空比为0.5)在红外光1550纳米波段的消光比和衍射效率。依据理论计算得到高消光比、高衍射效率矩形光栅的数值优化结果，如图2所示，即当光栅的周期为344-412纳米、刻蚀深度为1.076-1.205微米时，偏振分束光栅的消光比大于100，TM偏振光的0级反射衍射效率和TE偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.05％和99.04％。特别是光栅周期为397纳米，刻蚀深度为1.092微米时，可以使偏振分束光栅的消光比达到2.50×105，TM偏振光0级反射衍射效率为99.9996％，TE偏振光1级反射衍射效率为99.999999％。如此高的消光比和衍射效率使得本发明能够成为一种非常理想的偏振分束器件，具有重要的实用意义。
如图3、4所示，光栅的周期为397纳米，深度为1.092微米，若考虑1550纳米附近两种偏振模式的入射光各自以对应的Littrow角度入射到光栅时，该偏振分束光栅在1542-1558纳米波长范围内所有波长的消光比均可以达到100以上，即对应于16纳米的谱宽范围，TM偏振光的0级反射衍射效率和TE偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.66％和99.05％。
如图5、6所示，TM/TE偏振模式的入射光以34.16°角度(对应入射波长为1550纳米时的Littrow角度)附近入射到光栅时，光栅的周期为397纳米，深度为1.092微米，该偏振分束光栅在32.61°-35.73°角度范围内所有入射角的消光比均可以达到100以上，即对应于3.12°的角度带宽，TM偏振光的0级反射衍射效率和TE偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.02％和99.47％。
附图说明
图1是本发明1550纳米波长的硅反射偏振分束光栅的几何结构。
图中，1代表区域1(折射率为n1)，2代表区域2(折射率为n2)，3代表光栅，4代表入射光，5代表TM模式下的0级衍射光，6代表TE模式下的1级衍射光。
图2是本发明反射偏振分束光栅(硅的折射率取3.47694，光栅占空比为0.5)在不同光栅周期和刻蚀深度下的消光比在对数尺度下的密度曲线。
图3是本发明反射偏振分束光栅(硅的折射率取3.47694)光栅周期为397纳米、光栅深度1.092微米，占空比为0.5，在1550纳米波段附近使用，各波长以相应的Littrow角度入射到光栅时，消光比随入射波长的变化曲线。
图4是本发明反射偏振分束光栅(硅的折射率取3.47694)光栅周期为397纳米、光栅深度1.092微米，占空比为0.5，在1550纳米波段附近使用，各波长以相应的Littrow角度入射到光栅时，TM/TE模式下的反射衍射效率随入射波长的变化曲线。
图5是本发明反射偏振分束光栅(硅的折射率取3.47694)光栅周期为397纳米、光栅深度1.092微米，占空比为0.5，入射光以34.16°角度(对应入射波长为1550纳米时的Littrow角度)附近入射到光栅时，消光比随入射角度的变化曲线。
图6是本发明反射偏振分束光栅(硅的折射率取3.47694)光栅周期为397纳米、光栅深度1.092微米，占空比为0.5，入射光以34.16°角度(对应入射波长为1550纳米时的Littrow角度)附近入射到光栅时，TM/TE模式下的反射衍射效率随入射角度的变化曲线。
图7是全息光栅记录光路。
图中7代表氦镉激光器，8代表快门，9代表分束镜，10、11、12、13代表反射镜，14、15代表扩束镜，16、17代表透镜，18代表基片。
具体实施方式
利用微光学技术制造高密度矩形偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的硅基片上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均匀涂上一层正光刻胶(Shipley，S1818，USA)。然后采用全息记录方式记录光栅(见图7)，采用He-Cd激光器7(波长为441纳米)作为记录光源。记录全息光栅时，快门8打开，从激光器发出的窄光束经过分束镜9分成两窄光束。一束通过反射镜10后，经过扩束镜14、透镜16形成宽平面波；另一束通过反射镜11后，经过扩束镜15、透镜17形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜12、13后，以2θ夹角在基片18上形成干涉场。光栅空间周期(即相邻条纹的间距)可以表示为Λ＝λ/(2*sinθ)，其中λ为记录光波长。记录角θ越大，则Λ越小，所以通过改变θ的大小，可以控制光栅的周期(周期值可以由上述消光比和效率图设计)。全息记录高密度光栅，然后显影，接着再用去铬液将光刻图案从光刻胶转移到铬膜上，利用化学试剂将多余的光刻胶去除。最后，将样品放入感应耦合等离子体刻蚀机中进行一定时间的等离子体刻蚀，把光栅转移到硅基片上，再用去铬液将剩余的铬膜去除，就得到高密度深刻蚀表面浮雕结构的硅光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得高消光比、高衍射效率的矩形硅偏振分束光栅。由表1并结合图2可知，该光栅的周期为344-412纳米、刻蚀深度为1.076-1.205微米时，偏振分束光栅的消光比大于100，TM偏振光的0级反射衍射效率和TE偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.05％和99.04％，实现了将两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向。特别是光栅周期为397纳米，刻蚀深度为1.092微米时，本发明可以使偏振分束光栅的消光比达到2.50×105，TM偏振光0级反射衍射效率为99.9996％，TE偏振光1级反射衍射效率为99.999999％。
本发明的高密度硅反射光栅作为偏振分束器，具有极高的消光比和衍射效率，是一种非常理想的偏振分束器件，利用全息光栅记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的光栅性能稳定、可靠，是偏振分束器的一种重要的实现技术，具有重要的实用前景。
表1 1550纳米波长入射下，0级、+1级布拉格反射衍射效率η和消光比，d为光栅深度，Λ为光栅周期
| d(μm) | Λ(nm) | η(％) | 消光比 | ||||
| TM | TE | ||||||
| 0级 | 1级 | 0级 | 1级 | 0级 | 1级 | ||
| 1.080 | 393 | 99.04 | 0.96 | 4.02 | 95.98 | 24.65 | 99.83 |
| 395 | 99.18 | 0.82 | 2.85 | 97.15 | 34.79 | 1.18×102 | |
| 397 | 99.30 | 0.70 | 1.91 | 98.09 | 51.98 | 1.40×102 | |
| 399 | 99.39 | 0.61 | 1.18 | 98.82 | 84.09 | 1.62×102 | |
| 401 | 99.45 | 0.55 | 0.65 | 99.35 | 1.53×102 | 1.81×102 | |
| 1.092 | 393 | 99.96 | 0.040 | 0.42 | 99.58 | 2.36×102 | 2.50×103 |
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| 397 | 99.04 | 0.96 | 1.94 | 98.06 | 51.18 | 1.02×102 | |
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| 401 | 98.46 | 1.54 | 3.93 | 96.07 | 25.02 | 62.36 | |
Claims (2)
1.一种1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，该光栅的TM偏振光和TE偏振光分别在0级和1级反射，光栅的占空比为0.5，其特征在于该光栅的周期为344～412纳米、刻蚀深度为1.076～1.205微米，光栅的占空比为1/2。
2.根据权利要求1所述的1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，其特征在于所述的光栅的周期为397纳米，光栅的刻蚀深度为1.092微米。
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- 2007-08-22 CN CNB2007100451415A patent/CN100464199C/zh not_active Expired - Fee Related
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