专利名称：亚波长金属偏振分束光栅的优化设计方法
技术领域：
本发明属于光栅设计领域，涉及一种偏振分束光栅的优化设计，特别涉及一种亚波 长金属偏振分束光栅优化设计方法，该方法对简化亚波长金属偏振分束光栅的设计方法， 提高光栅的偏振分束性能具有重要的意义。
背景技术：
随着微加工技术的不断进步，目前已可制作周期小于100nm的亚波长金属光栅。亚波 长金属光栅只存在0级衍射，衍射效率稳定，具有优良的偏振分束特性，且体积小、效率 高、易集成，是偏振光分束器、光存储器、光环形器、光隔离器等光学组件中的核心部 件，在光通信、光学测量、光学信息处理、液晶显示等领域具有广泛的应用前景。亚波 长金属分束光栅通常要求角度适应范围广、光谱宽、消光比高、插入损耗低，同时还要 求能够提供足够的制作宽容度。因此，制作亚波长金属偏振分束光栅，必须先进行优化 设计，以确定最佳光栅参数，使光栅达到最佳分束性能。
目前，通常采用严格电磁矢量衍射理论与遗传算法相结合(Cormier G, Boudreau R， Theriault S. 2001 JC^5bc Jw 5 18 1771 )的方法对亚波长金属偏振分束光4册进行优化设 计，这种方法计算前先选取需要优化的光栅参数(光栅占宽比/,刻槽深度/z和周期」)， 并表示成"染色体"，给出一组假设解，然后通过严格电磁矢量衍射理论计算，按适者生 存的原则，从中选择出较适应环境的"染色体，，(局部优化解)进行复制，再通过交叉， 变异过程产生更适应环境的新一代"染色体"群，并不断进化，最后就会收敛到最适应环 境的一个"染色体"上，得到问题的最优解，即全局解。这种方法算法复杂、计算效率低、 甚至有时得不到全局优化解。
对于亚波长金属偏振分束光栅的优化，目前还没有一种科学可靠的设计方法。传统 的经验分析方法主要基于严格矢量电磁理论计算不同参数下光栅的衍射效率，并通过人 工的方法确定光栅最优设计参数，这种方法无法解决光栅周期、占宽比、槽深等多参数 组合的优化问题，往往获得的是局部最优解，且由于人为因素可能造成参数选择错误。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出 一种新的用于亚波长金属 偏振分束光栅的优化设计方法。由于亚波长光栅具有形式双折射效应，可等效为均勻单轴正晶膜层 (Brundrett DL, Glytsis EN, Gaylord TK 1994 J; ; /. 6^. 33 2695 ),通过调整光4册占宽 比，可以使光栅层获得介于入射层和基底层之间任何大小的有效折射率。 本发明的方法具体包括以下几个步骤
1. 确定光栅周期J。根据亚波长光栅的周期条件(AS^/IO )，确定工作
波长义o时的光栅周期J。
2. 采用薄膜光学抗反射设计方法计算TM偏振最大透射时所需的有效折射率。
3. 采用有效介质理-论确定TE偏振和TM偏振有效折射率与光栅占宽比 的变化关系，并根据第2步确定的有效折射率确定光栅的占宽比/。
4. 根据薄膜光学抗反射的1/4波长匹配原理确定光栅刻槽深度/z。
本发明利用有效介质理论和薄膜光学的抗反射原理解决光栅最佳参数的 确定问题，实现TE偏振和TM偏振的分束，可提高设计的科学性、可靠性、 快捷性。
图1为亚波长金属偏振分束光栅结构示意图
图2为光^t层金属有效折射率与占宽比变化的关系
图3为TE偏振光和TM偏振光衍射效率与入射角变化的关系
图4为消光比与入射角变化的关系
图5为插入损耗与入射角变化的关系
图6为TE偏振光和TM偏振光衍射效率与入射光波长(工作波长)变化的关系 图7为消光比与入射光波长(工作波长)变化的关系 图8为插入损耗与入射光波长(工作波长)变化的关系
具体实施例方式
下面针对1550纳米工作波长设计亚波长金属偏振分束光栅，对本发明的具体优化设 计过程进行详细描述，所需亚波长金属偏振分束光栅结构如图1所示。 第一步确定光栅周期/L根据亚波长光栅的周期条件(A^;^/10)，确定工作
波长义。=1550纳米时的光栅周期AS155纳米，为了减小加工难度，通常取光栅周期的 上限值J=150纟内米，此时光栅只存在0级衍射。
第二步确定TM偏振最大透射时所需的有效折射率。亚波长金属光栅对TE偏振光等效为金属膜，具有反射特性，对TM偏振光等效为介质膜，具体透射特性。根据薄 膜光学的抗反射设计方法，当介质膜的折射率满足"-7^("i为入射层折射率，"2为光 栅基底层折射率)时，可实现TM偏振的最大透射。当入射层为空气 =1.0,光栅基底层
为石英 =1.45,且垂直入射(入射角6 = 0度)时，则实现TM偏振最大透射所需的
有效折射率"Wl.0xl.45 1.20。
第三步确定光栅占宽比/
根据有效介质理论，TE偏振光与TM偏振光在光栅层的有效折射率分别 表示为
其中/为光栅占宽比，即线宽与周期之比， =";+ "/和 分别为光栅脊和
光4册槽的复折射率，"'与yt'分别为复折射率的实部和虚部，利用(1)式和(2)式可确《TE 偏振和TM偏振有效折射率与光栅占宽比的变化关系图谱(光栅脊为金属铝)，
如图2所示，图中^ (<) , /b( (&)分别为TE(TM)偏振光有效折射率的实部和虚部。
根据第二步确定的有效折射率《=",并从图2中得出光栅的占宽比/= 0. 3 。
第四步确定光栅刻槽深度。根据薄膜光学抗反射的1/4波长匹配原理，当光栅 层光学厚度满足A)/4,即
式中/z为光栅刻槽深度，"为TM偏振光在光栅层的有效折射率(由步骤二确定)，可计 算得出TM偏振光实现最大透射时所需的光栅刻槽深度/z二 1550/(4x1.20) = 323纳米。
通过以上四个步骤可以确定本例1550纳米工作波长的亚波长铝金属偏振分束光栅的 优化设计参数为周期」=150纳米，占宽比/=0.3,刻槽深度/7 = 323纳米。
通过严格耦合波理论(Moharam MG, Pommet DA, Gr^ EB and Gaylord TK 1995 ■/C^.&cJwJ 12 1077)计算上述优化设计参数时光栅的偏振分束性能，可见在 -28G<0<28%々大入射角范围内，TE偏振光的反射率和TM偏振光的透射率分别高于96.3%和97.5%(图3 ),消光比分别高于64dB和25dB (图4 )，插入损耗分别低于0.13dB和0.16dB (图5)。在1200纳米<义0<1800纳米的宽入射光谱范围内，TE偏振光的反射率和TM偏振 光的透射率均高于96% (图6),消光比分别高于61dB和23dB (图7),插入损耗均低于 0.16dB (图8),具有最佳的偏振分束特性。
权利要求
1、亚波长金属偏振分束光栅的优化设计方法，所述方法利用有效介质理论和薄膜光学的抗反射原理解决光栅最佳参数的确定问题，实现TE偏振和TM偏振的分束，方法具体包括以下步骤(1)确定光栅周期Λ根据亚波长光栅的周期条件A≤λ0/10，确定工作波长λ0时的光栅周期Λ；(2)采用薄膜光学抗反射设计方法计算TM偏振最大透射时所需的有效折射率TM偏振最大透射所需的有效折射率<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><msqrt> <msub><mi>n</mi><mn>1</mn> </msub> <msub><mi>n</mi><mn>2</mn> </msub></msqrt><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id="icf0001" file="A2009101034770002C1.tif" wi="18" he="5" top= "75" left = "110" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="yes"/></maths>其中n1为入射层折射率，n2为光栅基底层折射率；(3)采用有效介质理论确定TE偏振和TM偏振有效折射率与光栅占宽比的变化关系，并根据第(2)步确定的有效折射率确定光栅的占宽比f根据有效介质理论，TE偏振光与TM偏振光在光栅层的有效折射率分别表示为<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>n</mi> <mrow><mo>|</mo><mo>|</mo> </mrow></msub><mo>=</mo><msqrt> <mi>f</mi> <msubsup><mi>n</mi><mi>r</mi><mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>f</mi><mo>)</mo> </mrow> <msubsup><mi>n</mi><mi>g</mi><mn>2</mn> </msubsup></msqrt><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths><maths id="math0003" num="0003" ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>n</mi> <mo>⊥</mo></msub><mo>=</mo><mfrac> <mn>1</mn> <msqrt><msubsup> <mi>fn</mi> <mi>r</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup><mo>+</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>f</mi> <mo>)</mo></mrow><msubsup> <mi>n</mi> <mi>g</mi> <mrow><mo>-</mo><mn>2</mn> </mrow></msubsup> </msqrt></mfrac><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>]]></math></maths>其中f为光栅占宽比，即线宽与周期之比，nr＝n′r+k′ri和ng＝n′g+k′gi分别为光栅脊和光栅槽的复折射率，n′与k′分别为复折射率的实部和虚部，利用(1)式和(2)式可确定TE偏振和TM偏振有效折射率与光栅占宽比的变化关系图谱，并根据第(2)步确定的有效折射率n′⊥＝n，从关系图谱中得出光栅的占宽比f；(4)根据薄膜光学抗反射的1/4波长匹配原理确定光栅刻槽深度hnh＝λ0/4(3)式中h为光栅刻槽深度，n为TM偏振光在光栅层的有效折射率，由步骤(2)确定，λ0为工作波长。
全文摘要
本发明提出一种亚波长金属偏振分束光栅的优化设计方法，可有效解决亚波长偏振分束光栅的参数确定问题。首先根据亚波长光栅的周期条件，确定光栅周期Λ。然后，采用有效介质理论确定TE偏振和TM偏振的有效折射率与光栅占宽比的变化关系，并根据所需的有效折射率确定光栅占宽比f。最后，根据薄膜光学抗反射的1/4波长匹配原理确定光栅刻槽深度h。本发明提供了一种设计亚波长金属分束光栅的优化方法，解决了设计中的多光栅参数组合选优问题，提高了设计的科学性、可靠性和快捷性。
文档编号G02B5/18GK101515044SQ20091010347
公开日2009年8月26日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者袁代蓉, 赵华君 申请人:重庆文理学院