专利名称：夹层式石英透射偏振分束光栅的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤通信波段的偏振分束器件，特别是一种1550纳米波段的夹层式 熔融石英透射偏振分束光栅。
背景技术：
随着信息技术的迅速发展，光通信以其通信容量大、传输距离远、抗电磁能力强等 优点得到了越来越广泛的应用。在光通信以及光学信息处理系统中，偏振分束器是一种关 键元件，它可以将不同偏振态的光波在空间上分成不同的方向。在大多数应用中，人们往往 需要高消光比、高透射率或反射率、较宽的可操作波长范围和角度带宽、体积小的偏振分束 器。传统的偏振分束器有基于双折射晶体的渥拉斯顿棱镜、薄膜偏振分束器等。双折射晶 体价格昂贵；而薄膜偏振分束器一般工作带宽较小，薄膜层数达到几十层，对均勻性和对称 性要求较严，加工较难，消光比很难做得很高，而且这些偏振分束器通常体积大、效率低、无 法满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求。随着电磁理论和微加工技术的深入发展， 亚波长光栅所表现出来的优良的偏振衍射特性受到人们的广泛关注。近来，一些研究工作 报道了表面浮雕型亚波长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 分束光栅结构紧凑，易于小型化和集成化，并且插入损耗小，是一种无源器件，而且具有衍 射效率高、宽带宽、对入射角的变化不甚敏感的特点。熔融石英是一种理想的光学材料，它 具有从深紫外到远红外的宽透射谱，有很高的光学质量，温度稳定性好，激光破坏阈值高。 因而，用熔融石英来制作偏振分束光栅应用于高功率激光系统中，具有重要的实用意义。此 外，熔融石英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，能够大量生 产，因此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，具有高效率的体光栅 布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀的平面光栅完全不同。高密度矩形深刻光栅 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 1 :M. G. Moharam et al.，J. Opt. Soc. Am. Α. 12，1077 (1995)， 可以解决这类高密度光栅的衍射问题。在先技术授权发明专利号=200610023421. 1利 用上述算法给出了实现偏振分束的深刻蚀矩形光栅装置，但由于受到光栅反射等影响，在 最大消光比下，TE偏振光1级衍射效率为88. 52%。由于矩形深刻蚀光栅在界面处存在菲涅尔反射，反射值随入射角增大或光栅周期 减小而增大，这使得矩形深刻蚀光栅的消光比和衍射效率不能达到很高。为解决这个问题， J. Zheng等人提出深刻蚀三角槽形石英光栅在先技术2 :J. Zheng et al.，Opt. Lett. 33， 1554-1556(2008)，该光栅具有抗反射效应，但难于实际制作。而夹层式矩形深刻蚀光栅由 于其可视为等效的法布里珀罗(F-P)腔，通过合理设计，也可以具有很好的抗反射效应，且 可以实现。据我们所知，目前为止还没有人针对光纤通信的1550纳米波段给出夹层式深刻蚀光栅作为偏振分束器。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对光纤通信的1550纳米波段提出一种用于1550纳 米波段的夹层式熔融石英透射偏振分束光栅。该偏振分束光栅在C+L波段，具有较高的消 光比，TM偏振光的0级透射衍射效率和TE偏振光的1级透射衍射效率分别高于94. 3%和 90%。本发明的技术解决方案如下—种用于1550纳米波段的夹层式石英透射偏振分束光栅，包括在石英基片上矩 形深刻蚀光栅，其特点是在所述的矩形深刻蚀光栅上还结合有一层厚度均勻的石英，该矩 形光栅的周期为808 852纳米，刻蚀深度为1. 955 2. 260微米，光栅的占空比为0. 6。所述光栅的周期为829纳米，刻蚀深度为2. 1微米的技术效果最好。本发明的技术效果如下当入射光以利特罗角入射到光栅面上时，TE、TM两种偏振模式相互垂直的光分为 不同的方向出射，可实现0级和1级衍射光消光比大于100。在C+L波段，实现0级和1级 衍射光较高的消光比，TM偏振光的0级透射衍射效率和TE偏振光的1级透射衍射效率分 别高于94. 3%和90%。因此能够实现高消光比、高衍射效率的夹层式石英透射偏振分束光 栅，具有重要的实用意义。本发明夹层式石英透射偏振分束光栅可视为等效的法布里珀罗(F-P)腔，能有效 抑制反射损失，可以在C+L波段宽角度范围使用。本发明石英光栅由光学全息记录技术或 电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺以及接合技术加工而成，由于光栅部分被夹在中 间，可免于机械损伤和灰尘等，稳定性好。
图1是本发明1550纳米波长的夹层式石英透射偏振分束光栅的几何结构示意图。图2是本发明夹层式偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1. 44462)在不同光栅 周期和刻蚀深度下的消光比(10的次幂)。图3是本发明夹层式偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1. 44462)在优化光栅 周期下(Λ = 829纳米)，消光比随着刻蚀深度的变化曲线。图4是本发明夹层式偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1. 44462)光栅周期为 829纳米、光栅深度2. 1微米，在光纤通信的C+L波段使用，各个波长以相应的利特罗角度入 射到光栅时，TE/TM模式下的衍射效率。图5是本发明夹层式偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1. 44462)光栅周期为 829纳米、光栅深度2. 1微米，在光纤通信的C+L波段使用，各个波长以相应的利特罗角度入 射到光栅时，消光比随入射波长的变化曲线。图6是本发明夹层式偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1. 44462)光栅周期为 829纳米、光栅深度2. 1微米，入射光以69. 1°角度(对应于λ = 1550纳米时的利特罗角 度)附近入射到光栅时，ΤΕ/ΤΜ模式下的衍射效率。图7是本发明夹层式偏振分束光栅(熔融石英的折射率取1. 44462)光栅周期为829纳米、光栅深度2. 1微米，入射光以69. 1°角度(对应于λ = 1550纳米时的利特罗角 度)附近入射到光栅时，消光比随入射角度的变化曲线。图8是全息光栅记录光路。图中8代表氦镉激光器，9代表快门，10、12、13、14、15 代表反射镜，11代表分束镜，16、17代表扩束镜，18、19代表透镜，20代表基片。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。本发明的依据如下先请参阅图1，图1是本发明1550纳米波长的夹层式石英透射偏振分束光栅的几 何结构示意图。图中Λ代表光栅周期，h代表光栅槽深，b代表光栅凸起的宽度(占空比 为f = b/Λ)。区域1，2，3都是均勻的，1为空气(折射率Ii1 = 1)，2、3均为熔融石英(折 射率 =ι. 44462)，区域4为光栅，5代表入射光，6代表TM模式下的0级衍射光，7代表 TE模式下的1级衍射光。光波矢量K位于入射平面内。TE偏振入射光对应于电场矢量的 振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁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Qi = sin-1(A/(2*A*n1))入射(定义为1级Bragg条件)，λ代表 入射波长。该偏振分束光栅的消光比定义为0级透射衍射光中ΤΜ、ΤΕ偏振模式效率之比和 1级透射衍射光中ΤΕ、ΤΜ偏振模式效率之比中较小的值。由图可见，本发明用于1550纳米 波段的夹层式石英透射偏振分束光栅，包括在石英基片2上的矩形深刻蚀光栅4，在所述的 矩形深刻蚀光栅4上还结合有一层厚度均勻的石英3，该矩形光栅的周期Λ为808 852 纳米，刻蚀深度h为1. 955 2. 260微米，光栅的占空比f为0. 6。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计算了夹 层式高密度深刻蚀熔融石英光栅在光纤通信常用的1550纳米处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、高衍射效率的夹层式光栅的数值优化结果，即当 光栅的周期为808 852纳米，刻蚀深度为1. 955 2. 260微米时，偏振分束光栅的消光 比大于100。特别是光栅周期为829纳米、刻蚀深度为2. 1微米时，偏振分束光栅的消光比 达到1. 59X IO4, TE偏振光1级透射衍射效率为98. 44%, TM偏振光0级透射衍射效率为 97. 19%。如图4、5所示，光栅的周期为829纳米，刻蚀深度为2. 1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利特罗角度入射到光栅时，该偏振分束光栅在 1510 1591纳米波长范围内所有波长的消光比均可以达到100以上。对应的81纳米的谱 宽范围上，TE偏振光1级衍射效率和TM偏振光0级衍射效率分别高于93. 4%和95%。如图6、7所示，TE/TM偏振模式的入射光以69. 1°角度(对应于λ = 1550纳米 时的利特罗角度)附近入射到光栅时，光栅的周期为829纳米，深度为2. 1微米，该偏振分 束光栅在66. 8° 72. 3°角度范围内所有入射角的消光比均可达到100以上，即对应于 5. 5°的角度带宽，TE偏振光1级衍射效率和TM偏振光0级衍射效率分别高于97. 18%和 97.19%。对于65° 75°的角度带宽上，偏振分束光栅的消光比高于30，TM偏振光的0 级透射衍射效率和TE偏振光的1级透射衍射效率分别高于97. 188%和94. 72%。本发明夹层式石英透射偏振分束光栅的制备方法如下利用微光学技术制造夹层式石英透射偏振分束光栅，首先在干燥、清洁的熔融石英基片上沉积一层金属铬膜，并在铬膜上均勻涂上一层正光刻胶(Shipley，S1805，USA)，然 后采用全息记录方式记录光栅(见图8)，采用He-Cd激光器8 (波长为441纳米)作为记录 光源。记录全息光栅时，快门9打开，从激光器发出的窄光束通过反射镜10后，经过分束镜 11分成两束窄光束，一束通过反射镜12后，经过扩束镜16、透镜18形成宽平面波；另一束 通过反射镜13后，经过扩束镜17、透镜19形成宽平面波。两束平面波分别经过反射镜14、 15后，以2 θ夹角在基片20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* ηθ)，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(周期值可以由上述具体参数设计)，记录高密度光栅。接 着，显影后，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。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 石英基片上，再用去铬液将铬膜去除。最后使用接合技术，在一块表面平整度高的石英基片 上均勻涂上一层与基片材料折射率匹配的光胶，在一定的温度和压力下将其与矩形光栅粘 为一体，就得到夹层式高密度深刻蚀矩形石英光栅。在制作的过程中，需要严格控制光刻胶 的厚度，曝光时间，以及刻蚀速率和刻蚀时间，以使得刻得的深度更接近理论值，槽形更接 近矩形。在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度及周期，就可以得到高消光比、高衍 射效率的夹层式石英偏振分束光栅。结合图2、图3可知，该光栅的周期为808-852纳米、 刻蚀深度为1. 955-2. 260微米时，偏振分束光栅的消光比大于100。特别是光栅周期为829 纳米、刻蚀深度为2. 1微米时，偏振分束光栅的消光比达到1. 59 X IO4, TE偏振光1级透射 衍射效率为98. 44%, TM偏振光0级透射衍射效率为97. 19%，实现高消光比、高衍射效率 偏振分束。本发明的夹层式石英透射偏振分束光栅可有效抑制反射损失，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以及接合技术加工而成，其一体的构造便于 清洁等处理，稳定性好。原则上，根据本发明的构思，对任意波长都有相应的结构能实现其 高消光比、高衍射效率的偏振分光功能。
权利要求
一种用于1550纳米波段的夹层式石英透射偏振分束光栅，包括在石英基片(2)上矩形深刻蚀光栅(4)，其特征是在所述的矩形深刻蚀光栅上还结合有一层厚度均匀的石英(3)，该矩形光栅的周期为808～852纳米，刻蚀深度为1.955～2.260微米，光栅的占空比为0.6。
2.根据权利要求1所述的夹层式石英透射偏振分束光栅，其特征在于所述光栅的周期 为829纳米，刻蚀深度为2. 1微米。
全文摘要
一种用于1550纳米波段的夹层式石英透射偏振分束光栅，包括在石英基片上的矩形深刻蚀光栅，其特点是在所述的矩形深刻蚀光栅上还结合有一层厚度均匀的石英，该矩形光栅的周期为808～852纳米，刻蚀深度为1.955～2.260微米，光栅的占空比为0.6。可实现高消光比、高衍射效率偏振分束。该夹层式石英透射偏振分束光栅可视为等效的法布里珀罗(F-P)腔，能有效抑制反射损失，可以在C+L波段宽角度范围使用。本发明光栅部分被夹在中间，可免于机械损伤和灰尘等，稳定性好。
文档编号G02B27/28GK101907736SQ20101022444
公开日2010年12月8日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者周常河, 孙文婷 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所