专利名称：1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅的制作方法
技术领域：
本专利涉及光纤通信波段偏振分束光栅器件，特别是一种1550纳米波长的亚波长金属 偏振分束光才册。
背景技术：
光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，具有大容量、低损耗、传输距离远、保密性强 等优点，在现代通信中起着举足轻重的作用，是信息传输的主要方式。为了增加带宽、提高 通信容量、减少信道间的串扰，通常采用不同的偏振态传输信号。偏振分束器是光纤通信中 的一种关键光学元件，它可以将光分成偏振方向相互垂直的两束偏振光(TM偏振光和TE偏 振光)，用于制作光开关、光环形器、光隔离器、光耦合器等光学组件，广泛应用于现代光纤 通信系统及光纤传感系统中。
在偏振分束器的应用中，通常要求高的消光比与衍射效率、宽的角度适应范围和工作波 长，同时还要求体积小、效率高、易集成，能够提供足够的制作宽容度等。传统的偏振分束 器通常由双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质构成。但是，利用双折射晶体所制 成的偏振分束器，体积大、效率较低；而多层介质膜偏振分束器通常工作带宽较小，加工难 度大，热稳定性较差，不能很好地满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求。随着微加 工技术的不断进步，目前已可制作周期小于100纳米的亚波长金属光栅。亚波长金属光栅衍射 效率稳定，能够将入射光分解为相互垂直的两束偏振光，且体积小、效率高、易集成，能够 大规模生产，是制作偏振分束器的理想元件，受到人们越来越多的关注，具有重要的应用前 景。
亚波长金属光栅是利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术，在熔融石英基底 上加工出光栅周期远小于工作波长的亚波长光栅。由于周期远小于入射光波长(工作波长)， 因此光栅只存在O级衍射，具有优良的偏振分束特性。亚波长金属光栅的衍射特性的计算分析， 不能采用标量衍射理论，而必须采用矢量光栅电磁理论。矢量光栅电磁理论是基于麦克斯韦 方程并结合光栅边界条件，通过计算机仿真进行精确的求解。Moharam等人已给出了基于矢量 光栅电磁理论的严格耦合波理论的算法在先技术1: Moharam MG W a/., 1995 J.O/ /.Soc.爿肌爿 12 1077，可以解决这类亚波长金属光栅的衍射问题。在先技术授权发明专利号 2006100234207给出了实现偏振分束的深刻蚀矩形光栅装置，在先技术授权发明专利号 200710045141.5给出了基于1550纳米波段的硅反射式偏振分束光栅装置。据我们所知，目
前没有人针对1550纳米波段给出亚波长金属偏振分束光栅。因此能够实现具有高消光比和衍
3射效率、宽入射角和工作波长的亚波长金属偏振分束光栅，将具有重要的实用意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的1550纳米波段亚波长金属偏振分束光栅，该光栅可以 将TE、 TM两种偏振模式相互垂直的一束光分解为TE偏振(电矢量平行于光栅刻槽)和TM偏 振(电矢量垂直于光栅刻槽)不同传输方向的两束线偏振光，实现0级4汙射消光比大于20dB, 在-38^^38G的大入射角范围内，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率均高于 96°/。，在1200纳米<义<1800纳米的宽入射光波长范围内，TE偏振光的反射书f射率和TM偏振 光的透射衍射率均高于96%。本发明的1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，可以大批 量、低成本的生产，刻蚀后的光栅偏振分束特性优良，性能稳定可靠。
本发明的技术解决方案如下
一种用于1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期小于200 纳米、刻槽深度为230纳米-410纳米、光栅占宽比，即光栅脊与光栅周期之比为0. 3。
所述的1550纳米波段的亚波长偏振分束光栅的周期为150纳米，刻槽深度为323纳米。 本发明的依据如下
图1显示了矩形亚波长金属偏振分束光栅的几何结构。区域1和区域2分别为均匀的空 气(折射率w产l.O)和熔融石英(折射率"2=1.45)。区域1与区域2之间为周期结构的光栅 层，本例光栅脊为金属铝。TE偏振和TM偏振的线性偏振平面波以角度e入射到亚波长金属 光栅，实现TE偏振0级反射衍射与TM偏振0级透射衍射。
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1计算了亚波长 金属偏振分束光栅的消光比和衍射效率。如图2、 3所示，依据理论计算得到高消光比矩形亚 波长金属偏振分束光栅的优化参数，即当光栅的周期小于200纳米、刻蚀深度为230纳米-410纳米时，偏振分束光栅的消光比大于20dB, TE偏振光的0级反射衍射率和TM偏振光的0 级透射衍射率均高于96%。特别是光栅周期为150纳米、刻蚀深度为323纳米时，可以使透 射衍射消光比与反射衍射消光比分别达到67dB和23dB, TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光 的透射衍射率分别达到96. 47°/ 和97. 04%。
如图4所示，光栅周期为150纳米，刻蚀深度为323纳米，入射波长义=1550纳米，该 偏振分束光栅在-38^W38G入射角范围内所有入射角的消光比均可高于20dB,即对应76Q的 角度带宽，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分别高于96.47%和96.48%。
如图5所示，周期为150纳米，刻蚀深度为323纳米，入射角6 = 0度，该偏振分束光栅 在1200纳米<^<1800纳米入射波长范围内所有入射光的消光比均可高于20犯，即对应600 纳米的波长带宽，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分别高于96.42%和95.98%。
图1为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅的几何结构。
图2为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在优化刻蚀深度/7=323纳米下， 光栅0级衍射效率随周期的变化曲线，入射角0 = 0度，入射波长;i = 1550纳米。
图3为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在优化光栅周期3=150纳米下， 光栅反射消光比随刻蚀深度的变化曲线，入射角0 = 0度，入射波长义=1550纳米。
图4为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在周期为150纳米，刻蚀深度 为323纳米，入射波长义=1550纳米，TE、 TM偏振0级衍射效率随入射角的变化曲线。
图5为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在周期为150纳米，刻蚀深度 为323纳米，入射角6 = 0度，TE、 TM偏振O级衍射效率随入射光波长的变化曲线。
具体实施例方式
通过纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作亚波长金属偏振分束光栅。制作 过程按以下步骤进行
首先，在熔融石英基底上旋覆一层323纳米厚的聚曱基丙烯酸曱酯(P固A),加热至200 。C (高于聚曱基丙烯酸甲酯的玻璃化相变点105。C )，将预制的二氧化硅模板(具有周期为150 纳米，占宽比为0.7,深900纳米的光栅图案)以15MPa大小的压力压入聚曱基丙烯酸曱酯。 此时聚曱基丙烯酸曱酯高于其玻璃化相变点温度105。C，类似于黏性液体，并能在压力下流 动。保持这种压力大小不变，降温到60。C，(低于相变点105°C ),保持约10分钟。由于聚曱 基丙烯酸曱酯的亲水性，不会同二氧化硅模板发生翁附，将模板抬起脱膜。
然后，采用氧气反应型离子刻蚀(RIE)聚曱基丙烯酸曱酯层，直至低凹处露出石英基 底，就得到了聚曱基丙烯酸曱酯的周期图案。
最后，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期图案上利用物理溅射方法沉积上金属铝，通过溶脱在 丙酮溶液中将聚甲基丙烯酸曱酯及其上的铝去掉，就留下了周期为150纳米，槽深约323纳 米，占宽比为0. 3的亚波长金属偏振分束光栅。
按以上步骤制作的光栅，在1550纳米波长工作时，可以使0级透射衍射消光比与反射 衍射消光比分别达到67dB和23dB, TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分别高 于96. 47%和97. 04。/。，在入射角-38^^380和入射波长1200纳米<义<1800纳米范围内消光比均 高于20dB。
本发明的1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，只存在0级衍射，具有很高的消 光比和衍射效率，利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作，可大批量、低成本生产，制作的光栅偏振分束特性优良，性能稳定、可靠，是偏振分束器的一种重要的实现 技术。
权利要求
1、一种用于1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期小于200纳米，槽深为230纳米-410纳米，占宽比为0.3。
2、 根据权利要求1所述的1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，其特征在于该光 栅的周期为150纳米，槽深为323纳米。
全文摘要
一种用于1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期小于200纳米、槽深为230纳米-410纳米，光栅的占宽比为0.3。该偏振分束光栅只存在0级衍射，消光比大于20dB，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率均高于96％。特别是光栅周期为150纳米、槽深为323纳米时，光栅透射衍射消光比与反射衍射消光比分别达到67dB和23dB，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分别达到96.47％和97.04％。本发明的亚波长金属偏振分束光栅由纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射工艺加工而成，可大批量、低成本生产，制作的光栅偏振分束特性好，性能稳定可靠。
文档编号G02B5/18GK101515045SQ20091010354
公开日2009年8月26日 申请日期2009年4月2日 优先权日2009年4月2日
发明者袁代蓉, 赵华君 申请人:重庆文理学院