矩形槽石英透射偏振分束光栅.pdf

一种矩形槽石英透射偏振分束光栅，该光栅的结构包括熔融石英矩形槽光栅及其表面的多孔性二氧化硅增透膜，该光栅存在两种偏振方式：第一种偏振方式是TM波被衍射到0级，而TE波则被衍射至-1级，该方式的光栅的归一化周期ρ，即光栅周期与入射波长的比值的变化范围为0.582～0.854；第二种偏振方式是TM波被衍射到-1级，TE波被衍射到0级，该方式的光栅结构的归一化周期ρ的变化为0.624～1.049。本发明矩形槽石英透射偏振分束光栅的TE和TM波的衍射效率都可达99％以上，且具有较大可使用波长范围。

1.  一种矩形槽石英透射偏振分束光栅，其特征是该光栅的结构包括熔融石英矩形槽光栅及其表面的多孔性二氧化硅增透膜，该光栅存在两种偏振方式：
第一种偏振方式是TM波被衍射到0级，而TE波则被衍射至-1级，该方式的光栅的归一化周期ρ，即光栅周期与入射波长的比值的变化范围为0.582～0.854，而其它参数满足下列关系式：
f＝3.3098ρ²-6.2731ρ+2.991，
Δn_eff，TE＝-1.9076f²+1.8060f-0.0214，
其中：f表示占空比，即光栅线宽占光栅周期的比例，Δn_eff，TE为TE波的有效折射率差，光栅的刻蚀深度为λ₀为中心波长；
第二种偏振方式是TM波被衍射到-1级，TE波被衍射到0级，该方式的光栅结构的归一化周期ρ的变化为0.624～1.049，其余参数满足下列关系式：
f＝1.0228ρ⁴-5.1384ρ³+10.0316ρ²-9.2527ρ+3.6559，
Δn_eff，TE＝-1.1568f²+1.0310f+0.1005，
其中光栅深度

矩形槽石英透射偏振分束光栅
技术领域
本发明涉及偏振分束光栅，特别是一种TE波和TM波衍射效率均可达99％以上的宽带的矩形槽石英透射偏振分束光栅。
背景技术
偏振分束器是一种关键的光学元件，它可以将入射光分成两束偏振方向相互垂直的偏振光，在偏振成像系统、自由空间光交换网络和磁光存储系统中有广泛地应用。在大多数应用中，人们常常需要高消光比，即高衍射效率，较宽可操作波长范围，体积小，低成本的偏振分束器。传统的偏振分束器多是利用晶体的自然双折射效应或者是多层介质膜的偏振特征设计制作的。但是，利用双折射效应制作的偏振分束器(例如Nicol棱镜和Wollaston棱镜)不仅笨重，体积大，而且价格昂贵，不利于集成；而薄膜偏振分束器的工作带宽较小，且常常需要镀几十层膜，制作工艺复杂，对制作环境和技术的要求较高。
近些年来，随着微制作技术的快速发展和日趋成熟，利用亚波长表面浮雕型光栅的偏振特性设计的偏振分束器引起人们的广泛兴趣。与传统的偏振分束器相比，表面浮雕型光栅的结构紧凑，易于小型化和集成化，并且可以借助成熟的微电子工艺技术低成本大量制造，具有重要的实用前景。石英是一种物理性质和化学性质均十分稳定的矿产资源，具有损伤阈值高，热膨胀系数小，折射率可控等特点【参见在先进技术1：折射率可控的多孔性二氧化硅减反膜的制备方法，唐永兴、熊怀、李海元、陈知亚，申请号为200910048696.4】，是用于制作偏振分束光栅的优良材料。在光通信领域，王博等人设计了1550纳米波长的石英透射偏振分束光栅，其衍射效率在理论上TE波(即电场偏振方向垂直于入射面)的衍射效率可达90.02％，TM波(即磁场偏振方向垂直于入射面)的衍射效率达99.05％，并在1512-1601nm的波长范围内的消光比均达到100以上【参见先进技术2：1550纳米波长的石英反射偏振分束光栅，周常河、王博，专利号为ZL2006100234207】。虽然该设计对TM波的衍射效率较高，但是TE波的衍射效率较低，因此，可通过改进光栅结构，进一步提高其效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种矩形槽石英透射偏振分束光栅，该光栅可以将互相垂直的TE、TM两种偏振模式光分开，使其对中心波长在各自方向上的衍射效率达到99％以上，并具有较宽的使用带宽。
本发明的技术解决方案如下：
一种矩形槽石英透射偏振分束光栅，其特点是该光栅的结构包括熔融石英矩形槽光栅及其表面的多孔性二氧化硅增透膜，该光栅存在两种偏振方式：
第一种偏振方式是TM波被衍射到0级，而TE波则被衍射至-1级，该方式的光栅的归一化周期ρ，即光栅周期与入射波长的比值的变化范围为0.582～0.854，而其它参数满足下列关系式：
f＝3.3098ρ²-6.2731ρ+2.991，
Δn_eff，TE＝-1.9076f²+1.8060f-0.0214，
其中：f表示占空比，即光栅线宽占光栅周期的比例，Δn_eff，TE为TE波的有效折射率差，光栅的刻蚀深度为λ₀为中心波长；
第二种偏振方式是TM波被衍射到-1级，TE波被衍射到0级，该方式的光栅结构的归一化周期ρ的变化为0.624～1.049，其余参数满足下列关系式：
f＝1.0228ρ⁴-5.1384ρ³+10.0316ρ²-9.2527ρ+3.6559，
Δn_eff，TE＝-1.1568f²+1.0310f+0.1005，
其中光栅深度
该矩形槽石英透射偏振分束光栅，经分析和实验表明，对中心波长按照设计要求制作的偏振分束光栅，TE和TM波的衍射效率都可达99％以上，且具有较大可使用波长范围。
附图说明
图1是本发明偏振光栅分束器的几何结构示意图。
图2是本发明偏振光栅分束器第一种分束方式几何结构示意图：TE波被衍射到-1级，TM波被衍射到0级。
图3是本发明偏振光栅分束器第二种分束方式几何结构示意图：TM波被衍射到-1级，TE波被衍射到0级。
图4是本发明偏振光栅分束器第一种分束方式满足分束要求Δn_eff，TM＝0的光栅参数归一化周期和占空比的关系曲线。
图5是本发明偏振光栅分束器第二种分束方式满足分束要求Δn_eff，TE/Δn_eff，TM＝2的光栅参数归一化周期和占空比的关系曲线。
图6是按图2设计的各光栅分束器未加增透膜时所对应的衍射效率。
图7是按图2设计的各光栅分束器加不同增透膜情况下所对应的衍射效率。
图8是按图3设计的各光栅分束器未加增透膜时所对应的衍射效率(长线部分)。
图9是按图3设计的各光栅分束器加不同增透膜情况下所对应的衍射效率(长线部分)。
图10是本发明的光栅以第一种分束方式，ρ＝0.655，入射角恒定时透过率随波长变化的曲线。
图11是本发明的光栅以第一种分束方式，ρ＝0.655，入射角随波长变化时透过率随波长变化的曲线。
图12是本发明的光栅以第二种分束方式，ρ＝1.18，入射角恒定时透过率随波长变化的曲线。
图13是本发明的光栅以第二种分束方式，ρ＝1.18，入射角随波长变化时透过率随波长变化的曲线。
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。
本发明的依据如下：
图1是本发明矩形槽石英透射偏振分束光栅的几何结构示意图。区域1、2都是均匀的，分别是空气(折射率n₁＝1.0)和熔融石英(折射率n₂＝1.45)，阴影部分为多孔二氧化硅减反膜，折射率可在1.22-1.29的范围内变化；p为光栅的实际周期，d为光栅的刻蚀深度。入射面垂直于光栅的槽线，一光波以Littrow角入射，即θ_inc＝sin^-1(λ₀/2n₁p)。限制光栅周期，使其只存在0，-1级衍射光以θ_-1＝θ₀＝sin^-1(λ/2n₂p)出射。如图2和图3所示，图2是本发明偏振光栅分束器第一种分束方式几何结构示意图：TE波被衍射到-1级，TM波被衍射到0级。图3是本发明偏振光栅分束器第二种分束方式几何结构示意图：TM波被衍射到-1级，TE波被衍射到0级。
在如图1所示的光栅结构下，本发明首先采用简化模式法【在先进技术3】，按照图2和图3所示的两种分束方式，分别对光栅的结构进行了分析，并得到偏振分束光栅需满足的两个条件：1)第一种偏振分束方式的光栅的归一化周期和占空比需满足等式：Δneff，TM＝0；2)第二种偏振分束方式的光栅的归一化周期和占空比需满足等式：Δneff，TE/Δneff，TM＝2，其中，Δneff，TM和Δneff，TE分别为TM和TE波的有效折射率差，是它们0级和-1级有效折射率之差的绝对值，更详细的信息参见在先进技术3。图4是本发明偏振光栅分束器第一种分束方式满足分束要求Δn_eff，TM＝0的光栅参数归一化周期和占空比的关系曲线。图5是本发明偏振光栅分束器第二种分束方式满足分束要求Δn_eff，TE/Δn_eff，TM＝2的光栅参数归一化周期和占空比的关系曲线。，然后，利用常用的插值法得到描述这些参数关系的公式(1)～(4)：
第一种偏振方式是TM波被衍射到0级，而TE波则被衍射至-1级。该方式要求光栅的归一化周期ρ(即光栅周期与入射波长的比值)在0.582～0.854之间变化，且其它参数满足下面的等式：
f＝3.3098ρ²-6.2731ρ+2.991，                           (1)
Δn_eff，TE＝-1.9076f²+1.8060f-0.0214，                  (1)
其中：f表示占空比，即光栅线宽占光栅周期的比例，Δ_neff，TE为TE波的有效折射率，光栅的刻蚀深度为λ₀为中心波长。
第二种偏振方式是TM波在-1级，TE波在0级，对光栅结构的要求是归一化周期ρ在0.624～1.049之间变化，其余参数满足：
f＝1.0228ρ⁴-5.1384ρ³+10.0316ρ²-9.2527ρ+3.6559，      (2)
Δn_eff，TE＝-1.1568f²+1.0310f+0.1005，                   (3)
其中：光栅深度
当采用不同的折射率和厚度的多孔性二氧化硅增透膜时，光栅的衍射效率会发生不同程度的变化。
因为图5中短线部分描述的光栅效率较低(未镀膜前不超过90％，镀膜后也未达到99％)，所以这部分的结果不在此给出。
本发明首先采用Clausnitzer等人提出的简化模式法【在先进技术3：T.Clausnitzer et al.，Opt.Express 13，10448(2005)】得到符合要求的光栅结构，并用插值法拟合出光栅参数所满足的公式，然后采用Moharam等提出的严格耦合波理论计算出各光栅结构的TE波衍射效率【在先进技术4：M.G.Moharam et al.，J.Opt.Soc.Am.A 12，1077(1995)】，以及Lalanne等人改进的严格耦合波法验证相应的TM波衍射效率【在先进技术5：P.Lalanne et al.，J.Opt.Soc.Am.A13，779(1996)】。因为这些光栅偏振分束器的结构设计与具体的入射光波波长无关，所以设计结果可用于各种激光波长。
如图6所示，对应第一种偏振方式，当光栅的归一化周期为0.567～0.885，光栅其它参数满足公式(1)和(2)时，TE波-1级和TM波0级的衍射效率均大于90％。在此基础上，为了简化膜层的优化难度，我们设定膜层的折射率为1.23，并对厚度进行优化取值。图7是按图2设计的各光栅分束器加不同增透膜情况下所对应的衍射效率，其中：(a)n_layer＝1.23，d_layer＝0.2581λ₀；(b)n_layer＝1.23，d_layer＝0.2258λ₀；(c)n_layer＝1.25，d_layer＝0.2452λ₀；(d)n_layer＝1.29，d_layer＝0.2452λ₀。如图7(a)所示，镀上厚度为0.2581λ₀的多孔二氧化硅减反膜后，归一化周期在0.582～0.854范围内光栅的-1级TE波和0级TM波的衍射效率均提高至99％以上。
对于第二种偏振方式，如图8所示，TE波-1级和TM波0级的衍射效率均大于90％时，光栅的结构要求是：归一化周期在0.64～1.331之间，其余参数满足公式(3)和(4)，同样，在此基础上添加添加折射率为1.23，厚度为0.2581λ₀的多孔二氧化硅减反膜后，归一化周期在0.624～1.049范围内的光栅结构的TE波-1级和TM波0级的衍射效率均提高至99％以上，图9是按图3设计的各光栅分束器加不同增透膜情况下所对应的衍射效率(长线部分)，其中：(a)n_layer＝1.23，d_layer＝0.2581λ₀；(b)n_layer＝1.23，d_layer＝0.1935λ₀；(c)n_layer＝1.25，d_layer＝0.2064λ₀；(d)n_layer＝1.29，d_layer＝0.1806λ₀。如图9(a)所示。因为光栅的结构是独立于入射波长设计的，确定了入射波长后，按比例就可得到光栅的结构。例如：对于通信技术常用的中心波长为1550nm的情况而言，采用第一种偏振方式时，其光栅周期可在879～1371nm之间取值，光栅的占空比和深度则可由公式(1)和(2)计算得出，再添加折射率为1.23，厚度为400nm的多孔二氧化硅减反膜后，其对TE波-1级和TM波0级的衍射效率均会大于99％。同理，按第二种偏振方式分束的光栅结构也能很容易得到。需要指出的是，膜层的折射率和厚度可根据实际应用的情况进行调节，并对光栅的性能产生影响。图7(b)～(d)和图9(b)～(d)分别显示了第一和第二种偏振分束方式下，不同膜层折射率和厚度对光栅衍射效率的影响。
偏振分束器的可用带宽是衡量其性能的一个重要参数，图10和图11分别显示了归一化周期为0.655，以第一种偏振方式分束的偏振光栅分束器的透射率在入射角恒定，和入射角始终满足Littrow条件下随波长变化的曲线。当入射角恒定时，归一化周期为0.655的偏振光栅分束器在0.9439λ₀～1.054λ₀范围内的TE波-1级和TM波0级透射率均大于95％，在0.9168λ₀～1.077λ₀范围内则均大于90％。当入射角随波长变化，且始终满足Littrow条件的情况下，相应的波长范围分别扩大至0.9206λ₀～1.088λ₀和0.8832λ₀～1.12λ₀。图12和13则分别显示了归一化周期为1.18，以第二种偏振方式分束的偏振光栅分束器的透射率在入射角恒定，和入射角始终满足Littrow条件下随波长变化的曲线，相应的可用归一化波长范围已在图中用标签标明。需要指出的是，该可用波长范围会随着光栅参数的变化而变化，图10～图13中列出的是我们在入射角恒定，TE和TM波透射率均大于90％的情况下，于现有偏振光栅分束器中找到的最大的波长范围。
本发明的矩形槽石英透射偏振分束光栅的制作分为制作光栅和镀膜两部分。首先根据实际情况选择使用的中心波长，按不同的偏振分束方式确定光栅周期的范围，并在光栅周期的范围内挑选符合实际要求的光栅周期，接着，按公式(1)、(2)或(3)、(4)确定光栅的占空比和刻蚀深度，最后用中心波长乘以0.2581计算出多孔性二氧化硅(折射率1.23)的厚度，则得到所需的光栅结构。按该数据设计的光栅的理论衍射效率均高于99％。由于设计的光栅偏振分束器的周期多在半波长和一个波长之间，其制作方法可根据实际的情况选择电子束直写、激光束直写和全息记录法结合干法刻蚀。电子束方法的制作精度较高，适合加工水平线宽小于500nm的器件，激光直写法多用于最小水平线宽大于500nm的器件制作。两种直写方式的原理基本相同，都是利用电子束在抗蚀层表面曝光剂量与显影后抗蚀层高度的线性关系，将光栅的轮廓分布用曝光剂量的大小表示出来，再用该剂量的电子束对基片逐点曝光，显影后得到设计的形貌。但是激光直写的加工轮廓深度与曝光强度、扫描速度、显影液配方等多种因素有关，难以精确控制，而电子束需要放在真空系统中，且其设备庞大，昂贵，加工成本很高。
因此，全息记录法结合干法刻蚀是目前较为实际且经济的制作技术。其制作过程包括全息记录和干法刻蚀两部分。首先，利用激光器发出两束平面波以2θ夹角在涂有光刻胶的熔融石英基片上形成干涉场，记录高密度的光栅。光栅的周期可以表示为p＝λ/(2sinθ)，其中λ表示记录光波长。因为多数光刻胶的光敏度依赖于波长，当波长大于500nm时，光敏度急剧下降，所以曝光用的激光器多用氩离子(458nm)、氪离子(351nm)、和氦-镉激光器(442nm)。虽然理论上θ等于90度时，获得的干涉条纹最密，但是实际情况不可能，而多采用θ等于60度，则可获得的光栅周期为0.6λ₀。如果在致密介质中发生干涉，则可进一步缩短周期。接着，曝光后显影，在基底表面形成光刻胶光栅，最后，采用干法刻蚀法将光刻胶光栅转移到石英基片上，得到高密度表面浮雕结构的石英光栅。干法刻蚀的种类较多，常见用于SiO₂材料的刻蚀的就有反应离子刻蚀(RIE)、电子回旋共振等离子体(ECR)、感应耦合等离子体(ICP)等。此外，在母光栅制作好的基础上，还可采用光栅复制技术进一步提高制作效率，减少成本。光栅做好后，需在其表面镀多孔性二氧化硅增透膜，其折射率和厚度可根据实际情况选择(参考折射率和厚度为：1.23，0.2581λ₀)。该方法是采用先碱催化后酸催化的方法制备涂膜液，采用喷涂法在光栅上喷制多孔性二氧化硅膜层，高温热处理后得到多孔性二氧化硅膜层，更详尽的制作方法可参见【先进技术1】。
本发明的矩形槽石英透射偏振分束光栅，具有很高的衍射效率(99％)和较宽的可用波长范围，可根据实际情况选择多种工艺制作，或利用光栅复制技术大批量、低成本生产，且制作出的光栅性能稳定可靠，因此，本发明具有重要的应用前景。