矩形槽石英透射偏振分束光栅制造技术

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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及偏振分束光栅，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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P，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. 3098 P 2-6· 2731 P+2. 991，Aneff,TE = -1. 9076f2+l. 8060f-0. 0214，其中f表示占空比，即光栅线宽占光栅周期的比例，波的有效折射 率差，光栅的刻蚀深度为，Xtl为中心波长；Z ZAHeff，丁 E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P的变化为0. 624 1. 049，其余参数满足下列关系式 其中光栅深度J 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是本专利技术偏振光栅分束器的几何结构示意图。图2是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术偏振光栅分束器第一种分束方式满足分束要求Δ neff,TM = 0的光栅 参数归一化周期和占空比的关系曲线。图5是本专利技术偏振光栅分束器第二种分束方式满足分束要求Δ neff, ΤΕ/ Δ neff, ΤΜ = 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是本专利技术的光栅以第一种分束方式，P = 0.655，入射角恒定时透过率随波 长变化的曲线。图11是本专利技术的光栅以第一种分束方式，P=O. 655，入射角随波长变化时透过 率随波长变化的曲线。图12是本专利技术的光栅以第二种分束方式，P=L 18，入射角恒定时透过率随波长 变化的曲线。图13是本专利技术的光栅以第二种分束方式，P=L 18，入射角随波长变化时透过率 随波长变化的曲线。具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术的依据如下图1是本专利技术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 勻的，分别是空气(折射率Ii1 = 1.0)和熔融石英(折射率Ii2 = 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；ρ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，SP Qim = Sirr1Uc^n1Ph限 制光栅周期，使其只存在0，-1级衍射光以θ_1= Q0 = SirT1(Xz^n2P)出射。如图2和图 3所示，图2是本专利技术偏振光栅分束器第一种分束方式几何结构示意图ΤΕ波被衍射到-1 级，TM波被衍射到O级。图3是本专利技术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O级。在如图1所示的光栅结构下，本专利技术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AnefT, TM = O ；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Aneff，TE/ Aneff，TM = 2，其中，Aneff，TM和Δ neff，TE分别为TM和TE波的有效折射率差，是它们 O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是本专利技术偏 振光栅分束器第一种分束方式满足分束要求Anrff,TM = O的光栅参数归一化周期和占空比 的关系曲线。图5是本专利技术偏振光栅分束器第二种分束方式满足分束要求Anrff,TE/Anrff, χ = 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⑴ ⑷第一种偏振方式是TM波被衍射到O级，而TE波则被衍射至-1级。该方式要求光 栅的归一化周期P (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 (1) (1)其中f表示占空比，即光栅线宽占光栅周期的比例，Aneff, TE 波的有效折射率，光栅的刻蚀深度为3=^^，、为中心波长。第二种偏振方式是TM波在-1级，TE波在本文档来自技高网...

【技术保护点】
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＝３．３０９８ρ↑［２］－６．２７３１ρ＋２．９９１，Δｎ↓［ｅｆｆ，ＴＥ］＝－１．９０７６ｆ↑［２］＋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ｄ＝λ↓［０］／２Δｎ↓［ｅｆｆ，ＴＥ］，λ↓［０］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＝１．０２２８ρ↑［４］－５．１３８４ρ↑［３］＋１０．０３１６ρ↑［２］－９．２５２７ρ＋３．６５５９，Δｎ↓［ｅｆｆ，ＴＥ］＝－１．１５６８ｆ↑［２］＋１．０３１０ｆ＋０．１００５，其中光栅深度ｄ＝λ↓［０］／Δｎ↓［ｅｆｆ，ＴＥ］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：毕群玉，孙美智，谢兴龙，林尊琪，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]