專利名稱：雙脊金屬線光柵偏振分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及偏振分束光柵，特別是一種用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器。
背景技術(shù)：
分束器是光學(xué)系統(tǒng)中的基本元件，在光學(xué)系統(tǒng)中有著重要的應(yīng)用。在光通信、光信息處理、光計(jì)算、全息等等系統(tǒng)中有著不可替代的作用。傳統(tǒng)的多層膜結(jié)構(gòu)分束器，工藝復(fù)雜，成本昂貴。近年來(lái)興起的光子晶體作為分束器，存在著成本高，制造困難等缺點(diǎn)。熔融石英是一種理想的光柵材料，它具有高光學(xué)質(zhì)量穩(wěn)定的性能、高損傷閾值和從深紫外到近紅外的寬透射譜，并且由熔融石英設(shè)計(jì)制作高效率分束光柵，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝流程簡(jiǎn)單。但是由熔石英制作的偏振分束器其帶寬一般不是很寬，不適用于大規(guī)模信息處理的要求，并且融石英在中紅外波段不透光，因而不適用于更高的波段。在電介質(zhì)襯底上制作的金屬線光柵偏振分束器，其帶寬很寬，選用不同的襯底和金屬材料，可以使金屬線光柵偏振分束器用于紫外、可見(jiàn)光、近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和太赫茲波段。亞波長(zhǎng)金屬線光柵結(jié)構(gòu)緊湊，在寬的角度范圍和波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有很好的光學(xué)性能，因此，其作為新型的分束器件具有廣泛的應(yīng)用前景。Libing Zhou等人設(shè)計(jì)了一種傾斜入射下的嵌入式的寬帶金屬線光柵偏振分束器，在900-1700納米的波段范圍內(nèi)，其TE偏振光的反射與TM偏振光的透射效率均高于 90%，反射消光比高于10dB，透射消光比高于30dB在先技術(shù)1 :L. Zhou et al.，Opt. Lett. 30,1434-1436 (2005) ]0 Jian Jim Wang等人設(shè)計(jì)了一種用于可見(jiàn)光波段的雙邊銀納米線光柵偏振器，在450-700納米的波段范圍內(nèi)，TM偏振光的衍射效率高于83 %，消光比高于 50dB在先技術(shù) 2 J.Wang et al. , Appl. Phys. Lett. 89,141105 (2006) Dingli Wang，等人也設(shè)計(jì)了一種嵌入式的金屬線納米光柵偏振分束器，在1000-1800納米的波段范圍內(nèi)具有高的消光比和大的角度范圍在先技術(shù)3:D. Wang et al.，Appl. Opt. 47， 312-316(2008)。以上光柵都是基于單脊結(jié)構(gòu)，即一個(gè)光柵周期內(nèi)只有一個(gè)脊。要想器件在寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)同時(shí)具有高的衍射效率和消光比，一個(gè)有效的途徑是采用雙脊結(jié)構(gòu)，即一個(gè)周期內(nèi)有兩個(gè)脊。矩形光柵是利用微電子刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。高密度矩形光柵的衍射理論，不能由簡(jiǎn)單的標(biāo)量光柵衍射方程來(lái)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(guò)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)4 :M. G. Moharam et al.，J. Opt. Soc. Am. Α. 12， 1077(1995)，可以解決這類(lèi)高密度光柵的衍射問(wèn)題。但據(jù)我們所知，目前為止，還沒(méi)有人針對(duì)常用近紅外波段給出在熔融石英基片上制作的雙脊銀金屬線光柵偏振分束器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器。當(dāng)光垂直入射時(shí)，其中TM偏振光將透射，其0級(jí)透射效率在1-3 μ m波段范圍內(nèi)大于 95%, TE偏振光將反射，其0級(jí)反射效率在1-3 μ m波段范圍內(nèi)大于95%，反射消光比大于 15dB，透射消光比大于MdB。因此，該分束光柵具有重要的實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器，其特征在于該分束光柵的光柵周期為745 755納米，每個(gè)光柵周期內(nèi)兩個(gè)脊寬分別為103 107納米和110 115 納米，兩脊之間距為255 260納米，脊深為395 405納米。最佳的分束光柵的光柵周期為750納米，每個(gè)光柵周期內(nèi)兩個(gè)脊寬分別為105納米和112. 5納米，脊間邊緣距為257納米，脊深為400納米。本發(fā)明的技術(shù)效果如下特別是當(dāng)分束光柵的光柵周期為750納米，兩個(gè)脊寬分別為105納米和112. 5納米，脊間邊緣距為257納米，脊深為400納米時(shí)，當(dāng)1-3 μ m波段的光垂直入射到該光柵時(shí)， TM偏振光將透射，其0級(jí)透射效率在1-3 μ m波段范圍內(nèi)大于95. 5%，TE偏振光將反射，其 0級(jí)反射效率在1-3 μ m波段范圍內(nèi)大于95.7%，反射消光比大于15. 6dB，透射消光比大于 25. 6dB。本發(fā)明具有使用靈活方便、均勻性較好、衍射效率較高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的衍射光學(xué)元件，利用電子束直寫(xiě)裝置結(jié)合微電子刻蝕工藝，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，具有重要的實(shí)用前景。


圖1是本發(fā)明的用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器的幾何結(jié)構(gòu)。圖中，1代表區(qū)域1 (折射率為II1)，2代表區(qū)域2 (折射率為n2)，3代表光柵，光柵層材料為Ag，4代表自然光入射。d為光柵周期，X1和&為脊寬，χ為脊間邊緣距，h為光柵深度。圖2是本發(fā)明要求范圍內(nèi)一個(gè)實(shí)施例的TE與TM偏振光的0級(jí)反射與透射效率隨波長(zhǎng)變化的曲線。圖3是圖2中實(shí)施例的反射與透射消光比隨波長(zhǎng)變化的曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明的用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器的幾何結(jié)構(gòu)。圖中，區(qū)域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率叫=1)和熔融石英(折射率 n2 = 1. 44462)。光垂直入射到光柵，TE偏振光對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向垂直于入射面， TM偏振光對(duì)應(yīng)于電場(chǎng)矢量的振動(dòng)方向平行于入射面。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器，該分束光柵的光柵周期為745 750納米，每個(gè)光柵周期內(nèi)兩個(gè)脊寬分別為103 107納米和110 115納米，兩脊之間距為255 260納米，脊深為 395 405納米。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)4計(jì)算了雙脊金屬線光柵偏振分束器在1-3 μ m波段范圍內(nèi)的衍射效率。我們利用嚴(yán)格耦合波理論在先技術(shù)4和模擬退火法則在先技術(shù)5 :W. Goffe et al. , J. Econometrics 60， 65-99 (1994)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到這種高效率雙脊熔石英分束光柵。表1給出了本發(fā)明一系列實(shí)施例，表中d為光柵周期，X1和&為脊寬，χ為脊間邊緣距，h為光柵深度，λ為入射波長(zhǎng)。反射消光比和透射消光比定義為EXR = ^*^^/^)(1)EXT = 10*log10(% /%TE)(2)其中;和;7廣為T(mén)E與TM偏振光的0級(jí)反射效率，％TE和為T(mén)E與TM偏振光的0 級(jí)透射效率。在制作本發(fā)明用于近紅外波段的金屬線光柵偏振分束器中，適當(dāng)選擇光柵周期、脊寬、脊間邊緣距和刻蝕深度就可以在一定的帶寬內(nèi)得到高的偏振衍射效率和消光比的偏振分束光柵。圖2是本發(fā)明要求范圍內(nèi)一個(gè)實(shí)施例的TE與TM偏振光的0級(jí)反射與透射效率隨波長(zhǎng)變化的曲線。圖3是圖2中實(shí)施例的反射與透射消光比隨波長(zhǎng)變化的曲線。本發(fā)明的雙脊金屬線光柵偏振分束器，具有使用靈活方便、均勻性較好、衍射效率較高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常理想的衍射光學(xué)元件，利用電子束直寫(xiě)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，具有重要的實(shí)用前景。表1光垂直入射時(shí)不同波長(zhǎng)的TE與TM偏振光的衍射效率與消光比
權(quán)利要求
1.一種用于近紅外波段的雙脊金屬線光柵偏振分束器，其特征在于該分束光柵的光柵周期為745 755納米，每個(gè)光柵周期內(nèi)兩個(gè)脊寬分別為103 107納米和110 115納米，兩脊之間距為255 260納米，脊深為395 405納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙脊金屬線光柵偏振分束器，其特征在于所述的分束光柵的光柵周期為750納米，每個(gè)光柵周期內(nèi)兩個(gè)脊寬分別為105納米和112. 5納米，脊間邊緣距為257納米，脊深為400納米。
全文摘要
一種用于近紅外波段(1-3μm)的雙脊金屬線光柵偏振分束器，該分束光柵的光柵周期為745～755納米，每個(gè)光柵周期內(nèi)兩個(gè)脊寬分別為103～107納米和110～115納米，兩脊之間距為255～260納米，脊深為395～405納米。當(dāng)光垂直入射時(shí)，其中TM偏振光將透射，其0級(jí)透射效率在1-3μm波段范圍內(nèi)大于95％，TE偏振光將反射，其0級(jí)反射效率在1-3μm波段范圍內(nèi)大于95％，反射消光比大于15dB，透射消光比大于24dB。本發(fā)明雙脊金屬線光柵偏振分束器由電子束直寫(xiě)裝置結(jié)合微電子深刻蝕工藝加工而成，取材方便，造價(jià)小，能大批量生產(chǎn)，具有重要的實(shí)用前景。
文檔編號(hào)G02B5/18GK102289013SQ20111027257
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者吳俊 , 周常河, 曹紅超 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所