CN102156315A - Te偏振的双脊熔石英1×5分束光栅 - Google Patents
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Abstract
一种用于800纳米波长的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅，该分束光栅的光栅周期为1830～1850纳米，每个光栅周期内两个脊宽分别为143～146纳米和500～508纳米，两脊之间距为594～597纳米，脊深为872～875纳米。当TE偏振光垂直入射时，其透射光将分成等强度的5束光，这5束光总的衍射效率大于96％，并且其均匀性优于5％。本发明TE偏振双脊熔石英透射1×5分束光栅由电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，具有重要的实用前景。
Description
技术领域
本专利涉及透射分束光栅，特别是一种用于800纳米波长的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅。
背景技术
分束器是光学***中的基本元件，在光学***中有着重要的应用。在光通信、光信息处理、光计算、全息等等***中有着不可替代的作用。传统的多层膜结构分束器，由于工艺复杂，成本昂贵，而且激光破坏阈值不高。今年来兴起的光子晶体作为分束器，也同样存在着成本高，制造困难等缺点。熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量：稳定的性能、高损伤阈值和从深紫外到远红外的宽透射谱，并且由熔融石英设计制作高效率分束光栅，结构简单，工艺流程简单。因此，刻蚀高密度深刻蚀熔融石英光栅作为新型的分束器件具有广泛的应用前景。对熔石英光栅，其作为分束器的研究中最为常见的是光在利特罗条件下入射，即入射角为布拉格角。在利特罗条件下的高密度深刻蚀光栅，有极好的偏振相关性，可以用于制作偏振分束器，宽带的1/4玻片等。对于矩形槽型光栅，另外一种较为常见的光入射方式是垂直入射，即入射角是零度。
Jiangjun Zheng等人设计了一种布拉格角入射下的高效率透射式三角熔石英分束光栅，其TE与TM波透射效率在140纳米波长范围内高于97％【在先技术1：J.Zheng et al.，Opt.Lett.33，1554-1556(2008)】。Jijun Feng等人设计了一种布拉格角入射下的高效率透射式矩形熔石英偏振无关1×2分束光栅，其均匀性能非常好【在先技术2：J.Feng et al.，Appl.Opt.48，5636-5641(2009)】。Jijun Feng等人设计了一种光垂直入射下的高效率透射式矩形熔石英偏振无关1×3分束光栅，其TE与TM波透射效率均高于97％【在先技术3：J.Feng et al.，Appl.Opt.47，6638-6643(2008)】。以上光栅都是基于单脊结构，即一个光栅周期内只有一个脊。要想增加分束端口，一个有效的途径是采用双脊结构，即一个周期内有两个脊。
矩形光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有矩形槽形的光栅。高密度矩形光栅的衍射理论，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4：M.G.Moharam et al.，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800纳米波长给出在熔融石英基片上制作的TE偏振1×5双脊分束光栅。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于800纳米波长的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅。当TE偏振光垂直入射时，该光栅可以使入射光分成5束等强度的透射光，这5束透射光的总效率大于96％，并且均匀性优于5％。因此，该分束光栅具有重要的实用价值。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于800纳米波长的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅，其特征在于该分束光栅的光栅周期为1830～1850纳米，每个光栅周期内两个脊宽分别为143～146纳米和500～508纳米，两脊之间距为594～597纳米，脊深为872～875纳米。
最佳的分束光栅的光栅周期为1840纳米，每个光栅周期内两个脊宽分别为144.6纳米和504.2纳米，脊间边缘距为595.3纳米，脊深为873.8纳米。
本发明的技术效果如下：
特别是当分束光栅的光栅周期为1840纳米，两个脊宽分别为144.6和504.2纳米，脊间边缘距为595.3纳米，脊深为873.8纳米时，若考虑800纳米的TE偏振光垂直入射到光栅时，该光栅透射光的总效率大于96％，并且均匀性优于0.3％。本发明具有使用灵活方便、均匀性较好、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件，利用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，具有重要的实用前景。
附图说明
图1是本发明800纳米波长的TE偏振高效率双脊熔石英1×5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TE偏振模式下的入射光，5、6、7、8、9分别代表TE模式下的+2、+1、0、-1、-2级衍射光。d为光栅周期，x1和x2为脊宽，x为脊间边缘距，h为光栅深度。
图2是本发明要求范围内一个实施例的+2、+1、0、-1、-2级总衍射效率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的均匀性随波长变化的曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明TE偏振1×5双脊熔石英分束光栅的几何结构。图中，区域1、2都是均匀的，分别为空气(折射率n1＝1)和熔融石英(折射率n2＝1.45)。TE偏振入射光对应于电场矢量的振动方向垂直于入射面，其垂直入射到光栅。由图可见，本发明用于波长为800纳米波段的TE偏振双脊熔石英透射分束光栅，该分束光栅的光栅周期为1830～1850纳米，每个光栅周期内两个脊宽分别为143～146纳米和500～508纳米，两脊之间距为594～597纳米，脊深为872～875纳米。
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4】计算了双脊熔石英光栅在800纳米波段的衍射效率。我们利用严格耦合波理论【在先技术4】得到光栅初始结构，并采用模拟退火法则【在先技术5：W.Goffe et al.，J.Econometrics 60，65-99(1994)】进行优化，从而得到这种高效率双脊熔石英分束光栅。
表1给出了本发明一系列实施例，表中d为光栅周期，x1和x2为脊宽，x为脊间边缘距，h为光栅深度，λ为入射波长，Unifromity为5个端口的衍射均匀性，η为衍射效率。在制作本发明用于800纳米波长的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅的过程中，适当选择光栅周期、脊宽、脊间边缘距和刻蚀深度就可以在一定的带宽内得到高衍射效率和均匀性较好的透射1×5分束光栅。
图2是本发明要求范围内一个实施例的+2、+1、0、-1、-2级总衍射效率随波长变化的曲线。
图3是图2中实施例的均匀性随波长变化的曲线。
本发明的TE偏振高效率双脊熔石英透射分束光栅，具有使用灵活方便、均匀性较好、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件，利用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，具有重要的实用前景。
表1 TE偏振光垂直入射时不同波长的光在5个端口的总衍射效率和均匀性。
Claims (2)
1.一种用于800纳米波长的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅，其特征在于该分束光栅的光栅周期为1830～1850纳米，每个光栅周期内两个脊宽分别为143～146纳米和500～508纳米，两脊之间距为594～597纳米，脊深为872～875纳米。
2.根据权利要求1所述的TE偏振的双脊熔石英1×5分束光栅，其特征在于所述的分束光栅的光栅周期为1840纳米，每个光栅周期内两个脊宽分别为144.6纳米和504.2纳米，脊间边缘距为595.3纳米，脊深为873.8纳米。
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