專利名稱：石英透射偏振分束光柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及紅外光通信1310納米波長的高消光比高衍射效率偏振分束光 柵器件，.特別是一種石英透射偏振分束光柵。
背景技術(shù)：
隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，具有容量大、損耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點的 光通信得到了越來越廣泛的應(yīng)用。在光通信以及許多光學(xué)信息處理系統(tǒng)中， 偏振分束器是一種關(guān)鍵元件，它可以將光分成兩束偏振模式相互垂直的偏振 光。大多數(shù)應(yīng)用中，人們往往需要高消光比、高衍射效率、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)的偏振分束器是基于一些晶 體的自然雙折射效應(yīng)(例如Thomson棱鏡、Nicol棱鏡和Wollaston棱鏡)或 者多層介質(zhì)膜的偏振選擇性。但是，利用雙折射晶體所制成的偏振分束器體 積大、價格昂貴;.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，高消光比元件的成本很高。隨 著微制造技術(shù)的快速發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出的光子晶體，也可用作偏振分束器， 但同樣存在著制造困難等不利因素。同時亞波長光柵表現(xiàn)出來的特有光學(xué)效 應(yīng)受到人們的廣泛關(guān)注。近來， 一些研究工作報道了表面浮雕型光柵作為偏 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，且插入損耗小，是一種無源器件。在這些已報道的表面 浮雕型偏振分束光柵中，有矩形槽型偏振分束光柵，三角槽型偏振分束光柵 等。矩形槽型偏振分束光柵的消光比和衍射效率不是很高，但易于制造加工。 三角槽型偏振分束光柵有極高的消光比和衍射效率，但難于實際制作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對常用1310納米波長的紅外光提供一種石 英透射偏振分束光柵，該光柵可以將TM、 TE兩種偏振模式相互垂直的光分 為不同的方向，實現(xiàn)0級和1級衍射光消光比大于100。在光通信0波段(1260 1360納米)，實現(xiàn)O級和-l級衍射光較高的消光比，TM偏振光的O級透射 衍射效率和TE偏振光的-1級透射衍射效率分別高于95.98%和96.59%。因此 能夠?qū)崿F(xiàn)高消光比、高衍射效率的深刻蝕正弦槽型石英透射偏振分束光柵，具有重要的實用意義。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種用于1310納米波段的石英透射偏振分束光柵，其特點在于該光柵的 溝槽是正弦槽型，光柵的周期為737 780納米、刻蝕深度為1.942 2.204微米。
所述的高密度正弦深刻蝕石英光柵的周期為758納米，刻蝕深度為2.074 微米。
本發(fā)明的依據(jù)如下
圖l顯示了高密度正弦深刻蝕石英光柵的幾何結(jié)構(gòu)。區(qū)域l、 2都是均勻 的，分別為空氣(折射率i^4)和石英(折射率ti2-1.44692)。 TM偏振入射 光對應(yīng)于磁場矢量的振動方向垂直于入射面，TE偏振入射光對應(yīng)于電場矢量 的振動方向垂直于入射面。線性偏振的光波以一定角度e,. = sin"(X/(2*A* n2)) 入射(定義為Littrow條件，即-l級反射光沿原入射光的方向返回)，X代表入 射波長，A代表光柵周期。該偏振分束光柵的消光比定義為0級衍射光中TM、 TE偏振模式衍射效率之比和-1級衍射光中TE、TM偏振模式衍射效率之比中 較小的值。
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
計算了高密度深刻蝕熔融石英正弦光柵在紅外1310納米波段的消光比和衍射 效率。如圖2、 3所示，依據(jù)理論計算得到高消光比、高衍射效率正弦光柵的 數(shù)值優(yōu)化結(jié)果，即當(dāng)光柵的周期為737 780納米、刻蝕深度為1.942 2.204 微米時，偏振分束光柵的消光比大于100。特別是光柵周期為758納米，刻蝕 深度為2.074微米時，可以使偏振分束光柵的消光比達(dá)到8.085x103， TM偏振 光0級透射衍射效率為97.76%， TE偏振光-1級透射衍射效率為97.49%。
如圖4、 5所示，光柵的周期為758納米，深度為2.074微米，若考慮1310 納米附近兩種偏振模式的入射光各自以對應(yīng)的Littrow角度入射到光柵時，該 偏振分束光柵在1275 1348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，即對應(yīng)于73納米的譜寬范圍，TM偏振光的0級衍射效率和TE偏 振光的-1級衍射效率分別高于96.72%和96.87%。
如圖6、 7所示，TM/TE偏振模式的入射光以59.78°角度(對應(yīng)于人=1310 納米時的Littrow角度)附近入射到光柵時，光柵的周期為758納米，深度為2.074微米，該偏振分束光柵在57.45° 61.78°角度范圍內(nèi)所有入射角的消光比 均可以達(dá)到100以上，即對應(yīng)于4.33。的角度帶寬，TM偏振光的0級衍射效 率和TE偏振光的-1級衍射效率分別高于97.53%和96.06%。


圖1是本發(fā)明1310納米波長的石英透射偏振分束光柵的幾何結(jié)構(gòu)示意 圖。圖中，l代表區(qū)域l (折射率為n。， 2代表區(qū)域2 (折射率為ri2)， 3代表 光柵，4代表入射光，5代表TM模式下的'0級衍射光，6代表TE模式下的-1 級衍射光。
圖2是本發(fā)明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44692)在不同光柵周期 和刻蝕深度下的消光比。
圖3是本發(fā)明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44692)在優(yōu)化光柵周期 下(A:758納米)，消光比隨著刻蝕深度的變化曲線。
圖4是本發(fā)明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44692)光柵周期為758 納米、光柵深度2.074微米，在1310納米波段附近使用，各波長以相應(yīng)的Littrow 角度入射到光柵時，消光比隨入射波長的變化曲線。
圖5是本發(fā)明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44692)光柵周期為758 納米、光柵深度2.074微米，在1310納米波段附近使用，各波長以相應(yīng)的Littrow 角度入射到光柵時，TM/TE模式下的衍射效率。
圖6是本發(fā)明偏振分束光柵(石英的'折射率取1.44692)光柵周期為758 納米、光柵深度2.074微米，入射光以59.78。角度(對應(yīng)于人=1310納米時的 Littrow角度)附近入射到光柵時，消光比隨入射角度的變化曲線。
圖7是本發(fā)明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44692)光柵周期為758 納米、光柵深度2.074微米，入射光以59.78。角度(對應(yīng)于X =1310納米時的 Littrow角度)附近入射到光柵時，TM/TE模式下的衍射效率。
圖8是全息光柵記錄光路。圖中7代表氦鎘激光器，8代表快門，9代表 分束鏡，10、 11、 12、 13代表反射鏡，14、 15代表擴(kuò)束鏡，16、 17代表透鏡， 18代表基片。
具體實施例方式
利用微光學(xué)技術(shù)制造高密度正弦偏振分束光柵，首先在干燥、清潔的石 英基片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7 (波長為441.6納米)作為記 錄光源。記錄全息光柵時，快門8打開，從激光器發(fā)出的窄光束經(jīng)過分束鏡9 分成兩窄光束。 一束通過反射鏡10后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡14、透鏡16形成寬平面 波；另一束通過反射鏡11后，經(jīng)過擴(kuò)束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束 平面波分別經(jīng)過反射鏡12、 13后，以2e夾角在基片18上形成干涉場。光柵 空間周期(即相鄰條紋的間距)可以表示為八=人/(2*81110),其中X為記錄光波
長。記錄角e越大，貝ijA越小，所以通過改變e的大小，可以控制光柵的周期(周
期值可以由上述消光比和效率圖設(shè)計)，記錄高密度光柵。接著，顯影后，在 基底表面形成正弦槽型的光刻膠光柵。最后，將樣品放入感應(yīng)耦合等離子體 刻蝕機(jī)中進(jìn)行一定時間的等離子體刻蝕(或使用反應(yīng)離子束刻蝕)，把光柵圖 形轉(zhuǎn)移到石英上，再用丙酮、酒精將基底表面剩余的光刻膠去除，就得到高 密度深刻蝕表面浮雕結(jié)構(gòu)的石英光柵。在制作的過程中，需要嚴(yán)格控制光刻 膠的厚度，曝光時間，以及刻蝕速率和刻蝕時間，使得在較大光柵深度的情 況下能保持光柵槽形的正弦形狀。
在制作光柵的過程中，適當(dāng)選擇光柵刻蝕深度及周期，就可以得高消光 比、高衍射效率的正弦槽型石英偏振分束光柵。結(jié)合圖3可知，該光柵的周 期為758納米、刻蝕深度為1.942 2.204微米時，偏振分束光柵的消光比大 于100， TM偏振光的0級透射衍射效率和TE偏振光的-1級透射衍射效率分 別高于97.74%和96.54%，實現(xiàn)了將兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方 向。特別是光柵周期為758納米，刻蝕深度為2.074微米時，本發(fā)明可以使偏 振分束光柵的消光比達(dá)到8.085xl()S，TM偏振光0級透射衍射效率為97.76%， TE偏振光-1級透射衍射效率為97.49%。
本發(fā)明石英透射偏振分束光柵作為偏振分束器，不必鍍金屬膜或介質(zhì)膜， 具有很高的消光比和衍射效率，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，可以大批量、低成本地生產(chǎn)，刻蝕后的光柵性能穩(wěn)定、 可靠，是偏振分束器的一種重要的實現(xiàn)技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種用于1310納米波段的石英透射偏振分束光柵，其特征在于該光柵的溝槽為正弦槽型，光柵的周期為737～780納米、刻蝕深度為1.942～2.204微米。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英透射偏振分束光柵，其特征在于所述的光 柵的周期為758納米，刻蝕深度為2.074微米。
全文摘要
一種用于1310納米波段的石英透射偏振分束光柵，該光柵的溝槽為正弦槽型，光柵的周期為737～780納米、刻蝕深度為1.942～2.204微米。本發(fā)明偏振分束光柵的消光比達(dá)到8.085×10³，TM偏振光0級透射衍射效率為97.76％，TE偏振光-1級透射衍射效率為97.49％；本發(fā)明石英透射光柵由光學(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加工而成，可以低成本、大批量生產(chǎn)。
文檔編號G02B5/18GK101614836SQ200910054510
公開日2009年12月30日 申請日期2009年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月8日
發(fā)明者馮吉軍, 周常河 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所