一种钛薄膜的应用以及使用该钛薄膜的硅基光波导的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种钛薄膜的应用以及使用该钛薄膜的硅基光波导，钛薄膜用于减少甚至完全消除近红外波段的电磁波的反射。本发明将钛薄膜作为近红外波段的电磁波的减反膜，具有宽带(1000nm～2200nm)、宽角度、超薄的性质，同时制备简单，制备成本较低，因其超薄性可以减轻减反装置的重量，节省减反装置的成本，且携带方便；此外，要实现对不同电介质材料的减反效果，只需要调节钛薄膜的厚度即可，具有广泛的应用；另外，本发明的硅基光波导由于其端面覆盖了一层钛薄膜，大大减弱了硅基光波导端面的反射，从而使得硅基光波导中的驻波也大大变弱，大大降低了反射波对光路中其他器件的影响，确保光路体系的稳定性。
【专利说明】
-种铁薄膜的应用从及使用该铁薄膜的括基光波导
技术领域
[0001] 本发明设及光学领域，尤其设及一种铁薄膜的应用W及使用该铁薄膜的娃基光波 导。
【背景技术】
[0002] 减反膜，用于减少光学原件表面的反射，是非常重要的光学薄膜，至今，其生产总 量远远超过其它类型的薄膜。目前，减反膜仍是光学薄膜技术中重要的研究领域，研究重点 之一是寻找新材料、设计新结构、改进制备工艺，使其获得宽带、宽角度、偏振无关、超薄等 效果。
[0003] 近红外是介于可见光和中红外之间的电磁波，美国材料检测协会将近红外光谱区 定义为780nm~2526nm的区域。近红外是重要的电磁波段，当今近红外光谱分析已经在石油 化工、制药、食品加工、农业和光纤通讯等领域得到了广泛的应用，因此设计具有理想效果 的近红外抗反膜在实际应用中是非常重要的。
[0004] 现有的常见的减反膜主要包括=种:一是单层电介质减反膜，二是多层电介质减 反膜，=是渐变折射率减反膜。
[0005] 单层电介质减反膜:一般单层电介质减反膜是基于反射波的干设相消原理，如图1 所示，光波从电介质中入射到空气，如果没有减反膜，光波会在电介质和空气的界面上发生 反射，为了消除该反射波，需要在电介质和空气之间插入一层减反膜(图1)，运时，在电介质 和减反膜界面上的反射波与在减反膜和空气界面上的反射波干设相消，从而实现减反效 果。
[0006] 该减反膜的优点是设计简单且容易制备，而缺点是所需的光学厚度至少为四分之 一波长，且工作带宽较窄。
[0007] 多层电介质减反膜:为了克服单层电介质减反膜的带宽较窄的问题，可W用多层 电介质来替代原先的一层电介质。其原理是多层电介质中的多重干设相消。通过对每一层 电介质材料的选择W及厚度的优化，可W实现宽带的减反效果，但运样的设计往往比复杂， 且增大了制备难度和成本。
[000引渐变折射率减反膜:通过设计表面结构来让电介质的折射率连续过渡到空气的折 射率，比如，在图2中，减反膜是由具有尖劈状表面的电介质构成的，该渐变结构能够在电介 质的折射率和空气的折射率之间形成连续的过渡，从而减少甚至消除反射波。
[0009] 该减反膜的优点是具有宽带和宽角度的减反效果，而缺点是厚度往往比较大，且 实际制备难度较大，成本较高。
[0010] 现有技术的主要缺点在于:带宽较窄、减反膜的厚度较大、设计复杂。如，单层电介 质减反膜虽然制备简单，但所需厚度较大，且不能实现宽带的减反效果;多层电介质减反膜 和渐变折射率减反膜虽然都可W实现宽带的减反效果，但设计比较复杂，且厚度相对较大。
【发明内容】
[00川为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种宽带（lOOOnm~2200nm)、宽角度、 超薄的近红外减反膜，不仅可W用于消除电介质与空气界面上的反射波，还可W用于消除 娃基光波导端面上的反射波。
[0012] 本发明提供一种铁薄膜的应用，用于减少甚至完全消除近红外波段的电磁波的反 射。
[0013] 进一步的，所述铁薄膜的厚度取15~25nm。
[0014] 本发明还提供一种娃基光波导，在所述娃基光波导的端面覆盖有上述的铁薄膜。
[0015] 进一步的，所述娃基光波导包括两二氧化娃层和夹持在两所述二氧化娃层中间的 娃层，所述铁薄膜覆盖在所述娃基光波导中娃层与空气接触的端面上。
[0016] 借由上述方案，本发明将铁薄膜作为近红外波段的电磁波的减反膜，具有宽带 (1000 nm~2200nm)、宽角度、超薄的性质，同时制备简单，制备成本较低，因其超薄性可W减 轻减反装置的重量，节省减反装置的成本，且携带方便;此外，要实现对不同电介质材料的 减反效果，只需要调节铁薄膜的厚度即可，具有广泛的应用；另外，本发明的娃基光波导由 于其端面覆盖了一层铁薄膜，大大减弱了娃基光波导端面的反射，从而使得娃基光波导中 的驻波也大大变弱，大大降低了反射波对光路中其他器件的影响，确保光路体系稳定。
[0017] 上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 并可依照说明书的内容予W实施，W下W本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
【附图说明】
[0018] 图1是【背景技术】中单层电介质减反膜示意图；
[0019] 图2是【背景技术】中渐变折射率减反膜示意图；
[0020] 图3是本发明中基于超薄铁薄膜(铁减反膜)来消除电介质和空气界面上反射波的 示意图；
[0021] 图4是本发明中反射率随光波波长的变化曲线；
[0022] 图5是本发明中娃基光波导的示意图和数值模拟的电场振幅分布图，其中图(a)没 有加减反膜，图（b)在波导中娃与空气的界面上加了 24nm的铁薄膜。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。W下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0024] 在没有减反膜的情况下，电磁波W入射角0从折射率为n的电介质中入射到空气 时，在界面上会发生反射。根据菲涅尔公式可得，横电波（电场沿y方向）的反射系数(反射和 入射电场的比估）为，
[0025] (1)
[00%] 化化化电）|、奶耶至ntf」芥山上加入一层超薄的铁（Ti)薄膜来消除界面上的反射 波，如图3所示。通过计算电介质中的总反射系数，并令其为零，可算铁薄膜的折射率rm和其 厚度d的关系为，
[0027]
(2)
[00%]其中，A〇为入射光波在空气中的波长。
[0029] 需要注意的是，公式（2)的成立需要建立在条件d<<A〇的成立之上，即铁薄膜的 厚度远远小于入射波的波长。
[0030] 当电介质材料确定后，通过公式（1)计算出反射系数r，结合铁的折射率并带入公 式(2)可得铁薄膜的厚度。此外，公式(2)还表明，要实现对不同电介质的减反效果，只需调 节铁薄膜的厚度即可。
[0031] 根据本发明，可W设计出宽带（1000 nm~2200nm)、宽角度、超薄的近红外减反膜一 铁薄膜。该铁薄膜的超薄性有助于节省原材料，并有望降低制备成本W及减轻装置的重量， 提高便携性。此外，要实现对不同电介质材料的减反效果，只需要调节铁薄膜的厚度即可， 运使其在实际的光电设备中具有广泛的应用。
[0032] 在数值计算中，取电介质材料为娃(Si),其折射率为3.5,且设光波从娃入射到空 气中。图4中灰色曲线所示的是没有减反膜时的反射率随入射波长的变化曲线，其中实线和 虚线分别对应于正入射和斜入射(入射角10°，横电波)的情形。很明显，如果没有减反膜，反 射率比较大，大约为30 %~40 %。
[0033] 而如果在娃和空气之间加入铁薄膜可W消除界面反射，通过公式（1)和（2)，可得 对于正入射的情况下，铁薄膜的厚度约为20nm。图4中深灰色曲线所示的是加了 20nm的铁薄 膜后的反射率随入射波长的变化曲线，其中实线和虚线分别对应于正入射和斜入射(入射 角10°，横电波)的情形。结果表明，在加上20nm的铁薄膜后的反射率在1000 nm到2200nm的波 长范围内都不超过1%，且减反效果几乎不受入射角的影响。
[0034] 运些结果表明，铁薄膜的=个重要特性，即宽带、宽角度和超薄。
[0035] 此外，该铁薄膜还可W用于消除光波在娃基光波导的端面上的反射。图5(a)左图 所示的是由上下两层二氧化娃(Si〇2)和中屯、的娃组成的一种娃基光波导的示意图。由于折 射率发生突变，光波会在娃和空气界面上发生反射，该反射波会重新回到整个光路中，从而 可能会影响到光路中的其它器件，并引起体系的素乱。图5(a)右图所示的是数值模拟的电 场振幅分布图，光波波长取为1550nm，且入射波的电场振幅取为IV/m。模拟结果表明，在娃 和空气界面上有较强的反射，从而在波导中形成了很强的驻波。
[0036] 为了消除反射，在娃和空气的界面上加了24nm的铁薄膜，如图5(b)左图所示。图5 (b)右图给出的电场振幅分布图表明，端面上的反射波被大大减弱了，运使得波导中的驻波 也相应变弱了。
[0037] 本发明根据铁薄膜本身的性能，将其应用于两种介质中W减少近红外波段的电磁 波的反射，作为减反膜使用，使铁薄膜在光学领域具有新的用途。
[0038] W上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技 术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可W做出若干改进和 变型，运些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种钛薄膜的应用，其特征在于：用于减少甚至完全消除近红外波段的电磁波的反 射。2. 根据权利要求1所述的钛薄膜的应用，其特征在于:所述钛薄膜的厚度取15~25nm。3. -种硅基光波导，其特征在于:所述硅基光波导的端面覆盖有权利要求1或2所述的 钛薄膜。4. 根据权利要求3所述的硅基光波导，其特征在于:所述硅基光波导包括两二氧化硅层 和夹持在两所述二氧化硅层中间的硅层，所述钛薄膜覆盖在所述硅基光波导中硅层与空气 接触的端面上。
【文档编号】G02B1/113GK105954823SQ201610411852
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月14日
【发明人】罗杰, 赖耘, 侯波
【申请人】苏州大学张家港工业技术研究院