專利名稱：1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光纖通信波段偏振分束光柵器件，特別是一種1550納米波長的亞波長金屬 偏振分束光才冊(cè)。
背景技術(shù)：
光纖通信作為現(xiàn)代通信的主要支柱之一，具有大容量、低損耗、傳輸距離遠(yuǎn)、保密性強(qiáng) 等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代通信中起著舉足輕重的作用，是信息傳輸?shù)闹饕绞健榱嗽黾訋?、提?通信容量、減少信道間的串?dāng)_，通常采用不同的偏振態(tài)傳輸信號(hào)。偏振分束器是光纖通信中 的一種關(guān)鍵光學(xué)元件，它可以將光分成偏振方向相互垂直的兩束偏振光(TM偏振光和TE偏 振光)，用于制作光開關(guān)、光環(huán)形器、光隔離器、光耦合器等光學(xué)組件，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光纖 通信系統(tǒng)及光纖傳感系統(tǒng)中。
在偏振分束器的應(yīng)用中，通常要求高的消光比與衍射效率、寬的角度適應(yīng)范圍和工作波 長，同時(shí)還要求體積小、效率高、易集成，能夠提供足夠的制作寬容度等。傳統(tǒng)的偏振分束 器通常由雙折射晶體或多層介質(zhì)膜等具有二向色性的物質(zhì)構(gòu)成。但是，利用雙折射晶體所制 成的偏振分束器，體積大、效率較低；而多層介質(zhì)膜偏振分束器通常工作帶寬較小，加工難 度大，熱穩(wěn)定性較差，不能很好地滿足光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化和高效化的要求。隨著微加 工技術(shù)的不斷進(jìn)步，目前已可制作周期小于100納米的亞波長金屬光柵。亞波長金屬光柵衍射 效率穩(wěn)定，能夠?qū)⑷肷涔夥纸鉃橄嗷ゴ怪钡膬墒窆?，且體積小、效率高、易集成，能夠 大規(guī)模生產(chǎn)，是制作偏振分束器的理想元件，受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注，具有重要的應(yīng)用前 景。
亞波長金屬光柵是利用納米壓印、反應(yīng)離子輔助刻蝕及物理濺射技術(shù)，在熔融石英基底 上加工出光柵周期遠(yuǎn)小于工作波長的亞波長光柵。由于周期遠(yuǎn)小于入射光波長(工作波長)， 因此光柵只存在O級(jí)衍射，具有優(yōu)良的偏振分束特性。亞波長金屬光柵的衍射特性的計(jì)算分析， 不能采用標(biāo)量衍射理論，而必須采用矢量光柵電磁理論。矢量光柵電磁理論是基于麥克斯韋 方程并結(jié)合光柵邊界條件，通過計(jì)算機(jī)仿真進(jìn)行精確的求解。Moharam等人已給出了基于矢量 光柵電磁理論的嚴(yán)格耦合波理論的算法在先技術(shù)1: Moharam MG W a/., 1995 J.O/ /.Soc.爿肌爿 12 1077，可以解決這類亞波長金屬光柵的衍射問題。在先技術(shù)授權(quán)發(fā)明專利號(hào) 2006100234207給出了實(shí)現(xiàn)偏振分束的深刻蝕矩形光柵裝置，在先技術(shù)授權(quán)發(fā)明專利號(hào) 200710045141.5給出了基于1550納米波段的硅反射式偏振分束光柵裝置。據(jù)我們所知，目
前沒有人針對(duì)1550納米波段給出亞波長金屬偏振分束光柵。因此能夠?qū)崿F(xiàn)具有高消光比和衍
3射效率、寬入射角和工作波長的亞波長金屬偏振分束光柵，將具有重要的實(shí)用意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的1550納米波段亞波長金屬偏振分束光柵，該光柵可以 將TE、 TM兩種偏振模式相互垂直的一束光分解為TE偏振(電矢量平行于光柵刻槽)和TM偏 振(電矢量垂直于光柵刻槽)不同傳輸方向的兩束線偏振光，實(shí)現(xiàn)0級(jí)4汙射消光比大于20dB, 在-38^^38G的大入射角范圍內(nèi)，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納米<義<1800納米的寬入射光波長范圍內(nèi)，TE偏振光的反射書f射率和TM偏振 光的透射衍射率均高于96%。本發(fā)明的1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵，可以大批 量、低成本的生產(chǎn)，刻蝕后的光柵偏振分束特性優(yōu)良，性能穩(wěn)定可靠。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種用于1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期小于200 納米、刻槽深度為230納米-410納米、光柵占寬比，即光柵脊與光柵周期之比為0. 3。
所述的1550納米波段的亞波長偏振分束光柵的周期為150納米，刻槽深度為323納米。 本發(fā)明的依據(jù)如下
圖1顯示了矩形亞波長金屬偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域1和區(qū)域2分別為均勻的空 氣(折射率w產(chǎn)l.O)和熔融石英(折射率"2=1.45)。區(qū)域1與區(qū)域2之間為周期結(jié)構(gòu)的光柵 層，本例光柵脊為金屬鋁。TE偏振和TM偏振的線性偏振平面波以角度e入射到亞波長金屬 光柵，實(shí)現(xiàn)TE偏振0級(jí)反射衍射與TM偏振0級(jí)透射衍射。
在如圖1所示的光柵結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)1計(jì)算了亞波長 金屬偏振分束光柵的消光比和衍射效率。如圖2、 3所示，依據(jù)理論計(jì)算得到高消光比矩形亞 波長金屬偏振分束光柵的優(yōu)化參數(shù)，即當(dāng)光柵的周期小于200納米、刻蝕深度為230納米-410納米時(shí)，偏振分束光柵的消光比大于20dB, TE偏振光的0級(jí)反射衍射率和TM偏振光的0 級(jí)透射衍射率均高于96%。特別是光柵周期為150納米、刻蝕深度為323納米時(shí)，可以使透 射衍射消光比與反射衍射消光比分別達(dá)到67dB和23dB, TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光 的透射衍射率分別達(dá)到96. 47°/ 和97. 04%。
如圖4所示，光柵周期為150納米，刻蝕深度為323納米，入射波長義=1550納米，該 偏振分束光柵在-38^W38G入射角范圍內(nèi)所有入射角的消光比均可高于20dB,即對(duì)應(yīng)76Q的 角度帶寬，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分別高于96.47%和96.48%。
如圖5所示，周期為150納米，刻蝕深度為323納米，入射角6 = 0度，該偏振分束光柵 在1200納米<^<1800納米入射波長范圍內(nèi)所有入射光的消光比均可高于20犯，即對(duì)應(yīng)600 納米的波長帶寬，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分別高于96.42%和95.98%。


圖1為本發(fā)明1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)。
圖2為本發(fā)明1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵在優(yōu)化刻蝕深度/7=323納米下， 光柵0級(jí)衍射效率隨周期的變化曲線，入射角0 = 0度，入射波長;i = 1550納米。
圖3為本發(fā)明1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵在優(yōu)化光柵周期3=150納米下， 光柵反射消光比隨刻蝕深度的變化曲線，入射角0 = 0度，入射波長義=1550納米。
圖4為本發(fā)明1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵在周期為150納米，刻蝕深度 為323納米，入射波長義=1550納米，TE、 TM偏振0級(jí)衍射效率隨入射角的變化曲線。
圖5為本發(fā)明1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵在周期為150納米，刻蝕深度 為323納米，入射角6 = 0度，TE、 TM偏振O級(jí)衍射效率隨入射光波長的變化曲線。
具體實(shí)施例方式
通過納米壓印、反應(yīng)離子輔助刻蝕及物理濺射技術(shù)制作亞波長金屬偏振分束光柵。制作 過程按以下步驟進(jìn)行
首先，在熔融石英基底上旋覆一層323納米厚的聚曱基丙烯酸曱酯(P固A),加熱至200 。C (高于聚曱基丙烯酸甲酯的玻璃化相變點(diǎn)105。C )，將預(yù)制的二氧化硅模板(具有周期為150 納米，占寬比為0.7,深900納米的光柵圖案)以15MPa大小的壓力壓入聚曱基丙烯酸曱酯。 此時(shí)聚曱基丙烯酸曱酯高于其玻璃化相變點(diǎn)溫度105。C，類似于黏性液體，并能在壓力下流 動(dòng)。保持這種壓力大小不變，降溫到60。C，(低于相變點(diǎn)105°C ),保持約10分鐘。由于聚曱 基丙烯酸曱酯的親水性，不會(huì)同二氧化硅模板發(fā)生翁附，將模板抬起脫膜。
然后，采用氧氣反應(yīng)型離子刻蝕(RIE)聚曱基丙烯酸曱酯層，直至低凹處露出石英基 底，就得到了聚曱基丙烯酸曱酯的周期圖案。
最后，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期圖案上利用物理濺射方法沉積上金屬鋁，通過溶脫在 丙酮溶液中將聚甲基丙烯酸曱酯及其上的鋁去掉，就留下了周期為150納米，槽深約323納 米，占寬比為0. 3的亞波長金屬偏振分束光柵。
按以上步驟制作的光柵，在1550納米波長工作時(shí)，可以使0級(jí)透射衍射消光比與反射 衍射消光比分別達(dá)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別高 于96. 47%和97. 04。/。，在入射角-38^^380和入射波長1200納米<義<1800納米范圍內(nèi)消光比均 高于20dB。
本發(fā)明的1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵，只存在0級(jí)衍射，具有很高的消 光比和衍射效率，利用納米壓印、反應(yīng)離子輔助刻蝕及物理濺射技術(shù)制作，可大批量、低成本生產(chǎn)，制作的光柵偏振分束特性優(yōu)良，性能穩(wěn)定、可靠，是偏振分束器的一種重要的實(shí)現(xiàn) 技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種用于1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期小于200納米，槽深為230納米-410納米，占寬比為0.3。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵，其特征在于該光 柵的周期為150納米，槽深為323納米。
全文摘要
一種用于1550納米波段的亞波長金屬偏振分束光柵，其特征在于該光柵的周期小于200納米、槽深為230納米-410納米，光柵的占寬比為0.3。該偏振分束光柵只存在0級(jí)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％。特別是光柵周期為150納米、槽深為323納米時(shí)，光柵透射衍射消光比與反射衍射消光比分別達(dá)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別達(dá)到96.47％和97.04％。本發(fā)明的亞波長金屬偏振分束光柵由納米壓印、反應(yīng)離子輔助刻蝕及物理濺射工藝加工而成，可大批量、低成本生產(chǎn)，制作的光柵偏振分束特性好，性能穩(wěn)定可靠。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101515045SQ20091010354
公開日2009年8月26日 申請(qǐng)日期2009年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者袁代蓉, 趙華君 申請(qǐng)人:重慶文理學(xué)院