專利名稱：夾層式石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖通信波段的偏振分束器件，特別是一種1550納米波段的夾層式 熔融石英透射偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，光通信以其通信容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁能力強(qiáng)等 優(yōu)點(diǎn)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在光通信以及光學(xué)信息處理系統(tǒng)中，偏振分束器是一種關(guān) 鍵元件，它可以將不同偏振態(tài)的光波在空間上分成不同的方向。在大多數(shù)應(yīng)用中，人們往往 需要高消光比、高透射率或反射率、較寬的可操作波長范圍和角度帶寬、體積小的偏振分束 器。傳統(tǒng)的偏振分束器有基于雙折射晶體的渥拉斯頓棱鏡、薄膜偏振分束器等。雙折射晶 體價(jià)格昂貴；而薄膜偏振分束器一般工作帶寬較小，薄膜層數(shù)達(dá)到幾十層，對均勻性和對稱 性要求較嚴(yán)，加工較難，消光比很難做得很高，而且這些偏振分束器通常體積大、效率低、無 法滿足光學(xué)系統(tǒng)小型化、集成化和高效化的要求。隨著電磁理論和微加工技術(shù)的深入發(fā)展， 亞波長光柵所表現(xiàn)出來的優(yōu)良的偏振衍射特性受到人們的廣泛關(guān)注。近來，一些研究工作 報(bào)道了表面浮雕型亞波長光柵作為偏振分束器。與其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振 分束光柵結(jié)構(gòu)緊湊，易于小型化和集成化，并且插入損耗小，是一種無源器件，而且具有衍 射效率高、寬帶寬、對入射角的變化不甚敏感的特點(diǎn)。熔融石英是一種理想的光學(xué)材料，它 具有從深紫外到遠(yuǎn)紅外的寬透射譜，有很高的光學(xué)質(zhì)量，溫度穩(wěn)定性好，激光破壞閾值高。 因而，用熔融石英來制作偏振分束光柵應(yīng)用于高功率激光系統(tǒng)中，具有重要的實(shí)用意義。此 外，熔融石英偏振分束光柵的制造可以借助成熟的微電子工藝技術(shù)，造價(jià)小，能夠大量生 產(chǎn)，因此具有重要的實(shí)用前景。矩形深刻蝕光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有較深槽形的光 柵。由于表面刻蝕光柵的刻蝕深度較深，所以衍射性能類似于體光柵，具有高效率的體光柵 布拉格衍射效應(yīng)，這一點(diǎn)與普通的表面淺刻蝕的平面光柵完全不同。高密度矩形深刻光柵 的衍射理論，不能由簡單的標(biāo)量光柵衍射方程來解釋，而必須采用矢量形式的麥克斯韋方 程并結(jié)合邊界條件，通過編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。Moharam等人已給出了嚴(yán)格 耦合波理論的算法在先技術(shù) 1 :M. G. Moharam et al.，J. Opt. Soc. Am. Α. 12，1077 (1995)， 可以解決這類高密度光柵的衍射問題。在先技術(shù)授權(quán)發(fā)明專利號(hào)=200610023421. 1利 用上述算法給出了實(shí)現(xiàn)偏振分束的深刻蝕矩形光柵裝置，但由于受到光柵反射等影響，在 最大消光比下，TE偏振光1級(jí)衍射效率為88. 52%。由于矩形深刻蝕光柵在界面處存在菲涅爾反射，反射值隨入射角增大或光柵周期 減小而增大，這使得矩形深刻蝕光柵的消光比和衍射效率不能達(dá)到很高。為解決這個(gè)問題， J. Zheng等人提出深刻蝕三角槽形石英光柵在先技術(shù)2 :J. Zheng et al.，Opt. Lett. 33， 1554-1556(2008)，該光柵具有抗反射效應(yīng)，但難于實(shí)際制作。而夾層式矩形深刻蝕光柵由 于其可視為等效的法布里珀羅(F-P)腔，通過合理設(shè)計(jì)，也可以具有很好的抗反射效應(yīng)，且 可以實(shí)現(xiàn)。據(jù)我們所知，目前為止還沒有人針對光纖通信的1550納米波段給出夾層式深刻蝕光柵作為偏振分束器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對光纖通信的1550納米波段提出一種用于1550納 米波段的夾層式熔融石英透射偏振分束光柵。該偏振分束光柵在C+L波段，具有較高的消 光比，TM偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TE偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于94. 3%和 90%。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種用于1550納米波段的夾層式石英透射偏振分束光柵，包括在石英基片上矩 形深刻蝕光柵，其特點(diǎn)是在所述的矩形深刻蝕光柵上還結(jié)合有一層厚度均勻的石英，該矩 形光柵的周期為808 852納米，刻蝕深度為1. 955 2. 260微米，光柵的占空比為0. 6。所述光柵的周期為829納米，刻蝕深度為2. 1微米的技術(shù)效果最好。本發(fā)明的技術(shù)效果如下當(dāng)入射光以利特羅角入射到光柵面上時(shí)，TE、TM兩種偏振模式相互垂直的光分為 不同的方向出射，可實(shí)現(xiàn)0級(jí)和1級(jí)衍射光消光比大于100。在C+L波段，實(shí)現(xiàn)0級(jí)和1級(jí) 衍射光較高的消光比，TM偏振光的0級(jí)透射衍射效率和TE偏振光的1級(jí)透射衍射效率分 別高于94. 3%和90%。因此能夠?qū)崿F(xiàn)高消光比、高衍射效率的夾層式石英透射偏振分束光 柵，具有重要的實(shí)用意義。本發(fā)明夾層式石英透射偏振分束光柵可視為等效的法布里珀羅(F-P)腔，能有效 抑制反射損失，可以在C+L波段寬角度范圍使用。本發(fā)明石英光柵由光學(xué)全息記錄技術(shù)或 電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝以及接合技術(shù)加工而成，由于光柵部分被夾在中 間，可免于機(jī)械損傷和灰塵等，穩(wěn)定性好。


圖1是本發(fā)明1550納米波長的夾層式石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明夾層式偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1. 44462)在不同光柵 周期和刻蝕深度下的消光比(10的次冪)。圖3是本發(fā)明夾層式偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1. 44462)在優(yōu)化光柵 周期下(Λ = 829納米)，消光比隨著刻蝕深度的變化曲線。圖4是本發(fā)明夾層式偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1. 44462)光柵周期為 829納米、光柵深度2. 1微米，在光纖通信的C+L波段使用，各個(gè)波長以相應(yīng)的利特羅角度入 射到光柵時(shí)，TE/TM模式下的衍射效率。圖5是本發(fā)明夾層式偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1. 44462)光柵周期為 829納米、光柵深度2. 1微米，在光纖通信的C+L波段使用，各個(gè)波長以相應(yīng)的利特羅角度入 射到光柵時(shí)，消光比隨入射波長的變化曲線。圖6是本發(fā)明夾層式偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1. 44462)光柵周期為 829納米、光柵深度2. 1微米，入射光以69. 1°角度(對應(yīng)于λ = 1550納米時(shí)的利特羅角 度)附近入射到光柵時(shí)，ΤΕ/ΤΜ模式下的衍射效率。圖7是本發(fā)明夾層式偏振分束光柵(熔融石英的折射率取1. 44462)光柵周期為829納米、光柵深度2. 1微米，入射光以69. 1°角度(對應(yīng)于λ = 1550納米時(shí)的利特羅角 度)附近入射到光柵時(shí)，消光比隨入射角度的變化曲線。圖8是全息光柵記錄光路。圖中8代表氦鎘激光器，9代表快門，10、12、13、14、15 代表反射鏡，11代表分束鏡，16、17代表擴(kuò)束鏡，18、19代表透鏡，20代表基片。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明的依據(jù)如下先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明1550納米波長的夾層式石英透射偏振分束光柵的幾 何結(jié)構(gòu)示意圖。圖中Λ代表光柵周期，h代表光柵槽深，b代表光柵凸起的寬度(占空比 為f = b/Λ)。區(qū)域1，2，3都是均勻的，1為空氣(折射率Ii1 = 1)，2、3均為熔融石英(折 射率 =ι. 44462)，區(qū)域4為光柵，5代表入射光，6代表TM模式下的0級(jí)衍射光，7代表 TE模式下的1級(jí)衍射光。光波矢量K位于入射平面內(nèi)。TE偏振入射光對應(yīng)于電場矢量的 振動(dòng)方向垂直于入射面，TM偏振入射光對應(yīng)于磁場矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面。線性偏 振的光波以一定角度Qi = sin-1(A/(2*A*n1))入射(定義為1級(jí)Bragg條件)，λ代表 入射波長。該偏振分束光柵的消光比定義為0級(jí)透射衍射光中ΤΜ、ΤΕ偏振模式效率之比和 1級(jí)透射衍射光中ΤΕ、ΤΜ偏振模式效率之比中較小的值。由圖可見，本發(fā)明用于1550納米 波段的夾層式石英透射偏振分束光柵，包括在石英基片2上的矩形深刻蝕光柵4，在所述的 矩形深刻蝕光柵4上還結(jié)合有一層厚度均勻的石英3，該矩形光柵的周期Λ為808 852 納米，刻蝕深度h為1. 955 2. 260微米，光柵的占空比f為0. 6。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)算了夾 層式高密度深刻蝕熔融石英光柵在光纖通信常用的1550納米處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、高衍射效率的夾層式光柵的數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，即當(dāng) 光柵的周期為808 852納米，刻蝕深度為1. 955 2. 260微米時(shí)，偏振分束光柵的消光 比大于100。特別是光柵周期為829納米、刻蝕深度為2. 1微米時(shí)，偏振分束光柵的消光比 達(dá)到1. 59X IO4, TE偏振光1級(jí)透射衍射效率為98. 44%, TM偏振光0級(jí)透射衍射效率為 97. 19%。如圖4、5所示，光柵的周期為829納米，刻蝕深度為2. 1微米，若考慮1550納米 附近兩種偏振模式的入射光各自以對應(yīng)的利特羅角度入射到光柵時(shí)，該偏振分束光柵在 1510 1591納米波長范圍內(nèi)所有波長的消光比均可以達(dá)到100以上。對應(yīng)的81納米的譜 寬范圍上，TE偏振光1級(jí)衍射效率和TM偏振光0級(jí)衍射效率分別高于93. 4%和95%。如圖6、7所示，TE/TM偏振模式的入射光以69. 1°角度(對應(yīng)于λ = 1550納米 時(shí)的利特羅角度)附近入射到光柵時(shí)，光柵的周期為829納米，深度為2. 1微米，該偏振分 束光柵在66. 8° 72. 3°角度范圍內(nèi)所有入射角的消光比均可達(dá)到100以上，即對應(yīng)于 5. 5°的角度帶寬，TE偏振光1級(jí)衍射效率和TM偏振光0級(jí)衍射效率分別高于97. 18%和 97.19%。對于65° 75°的角度帶寬上，偏振分束光柵的消光比高于30，TM偏振光的0 級(jí)透射衍射效率和TE偏振光的1級(jí)透射衍射效率分別高于97. 188%和94. 72%。本發(fā)明夾層式石英透射偏振分束光柵的制備方法如下利用微光學(xué)技術(shù)制造夾層式石英透射偏振分束光柵，首先在干燥、清潔的熔融石英基片上沉積一層金屬鉻膜，并在鉻膜上均勻涂上一層正光刻膠(Shipley，S1805，USA)，然 后采用全息記錄方式記錄光柵(見圖8)，采用He-Cd激光器8 (波長為441納米)作為記錄 光源。記錄全息光柵時(shí)，快門9打開，從激光器發(fā)出的窄光束通過反射鏡10后，經(jīng)過分束鏡 11分成兩束窄光束，一束通過反射鏡12后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡16、透鏡18形成寬平面波；另一束 通過反射鏡13后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡17、透鏡19形成寬平面波。兩束平面波分別經(jīng)過反射鏡14、 15后，以2 θ夾角在基片20上形成干涉場。光柵空間周期(即相鄰條紋的間距)可以表示 為Λ = λ/(2* ηθ)，其中λ為記錄光波長。記錄角θ越大，則Λ越小，所以通過改變 θ的大小，可以控制光柵的周期(周期值可以由上述具體參數(shù)設(shè)計(jì))，記錄高密度光柵。接 著，顯影后，用去鉻液將光刻圖案從光刻膠轉(zhuǎn)移到鉻膜上，利用化學(xué)試劑將多余的光刻膠去 除。將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時(shí)間的等離子體刻蝕，把光柵轉(zhuǎn)移到 石英基片上，再用去鉻液將鉻膜去除。最后使用接合技術(shù)，在一塊表面平整度高的石英基片 上均勻涂上一層與基片材料折射率匹配的光膠，在一定的溫度和壓力下將其與矩形光柵粘 為一體，就得到夾層式高密度深刻蝕矩形石英光柵。在制作的過程中，需要嚴(yán)格控制光刻膠 的厚度，曝光時(shí)間，以及刻蝕速率和刻蝕時(shí)間，以使得刻得的深度更接近理論值，槽形更接 近矩形。在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得到高消光比、高衍 射效率的夾層式石英偏振分束光柵。結(jié)合圖2、圖3可知，該光柵的周期為808-852納米、 刻蝕深度為1. 955-2. 260微米時(shí)，偏振分束光柵的消光比大于100。特別是光柵周期為829 納米、刻蝕深度為2. 1微米時(shí)，偏振分束光柵的消光比達(dá)到1. 59 X IO4, TE偏振光1級(jí)透射 衍射效率為98. 44%, TM偏振光0級(jí)透射衍射效率為97. 19%，實(shí)現(xiàn)高消光比、高衍射效率 偏振分束。本發(fā)明的夾層式石英透射偏振分束光柵可有效抑制反射損失，利用全息光柵記錄 技術(shù)或電子束直寫裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝以及接合技術(shù)加工而成，其一體的構(gòu)造便于 清潔等處理，穩(wěn)定性好。原則上，根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思，對任意波長都有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)其 高消光比、高衍射效率的偏振分光功能。
權(quán)利要求
一種用于1550納米波段的夾層式石英透射偏振分束光柵，包括在石英基片(2)上矩形深刻蝕光柵(4)，其特征是在所述的矩形深刻蝕光柵上還結(jié)合有一層厚度均勻的石英(3)，該矩形光柵的周期為808～852納米，刻蝕深度為1.955～2.260微米，光柵的占空比為0.6。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的夾層式石英透射偏振分束光柵，其特征在于所述光柵的周期 為829納米，刻蝕深度為2. 1微米。
全文摘要
一種用于1550納米波段的夾層式石英透射偏振分束光柵，包括在石英基片上的矩形深刻蝕光柵，其特點(diǎn)是在所述的矩形深刻蝕光柵上還結(jié)合有一層厚度均勻的石英，該矩形光柵的周期為808～852納米，刻蝕深度為1.955～2.260微米，光柵的占空比為0.6?？蓪?shí)現(xiàn)高消光比、高衍射效率偏振分束。該夾層式石英透射偏振分束光柵可視為等效的法布里珀羅(F-P)腔，能有效抑制反射損失，可以在C+L波段寬角度范圍使用。本發(fā)明光柵部分被夾在中間，可免于機(jī)械損傷和灰塵等，穩(wěn)定性好。
文檔編號(hào)G02B27/28GK101907736SQ20101022444
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者周常河, 孫文婷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所