1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅

摘要

一种用于1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期小于200纳米、槽深为230纳米－410纳米，光栅的占宽比为0.3。该偏振分束光栅只存在0级衍射，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％。特别是光栅周期为150纳米、槽深为323纳米时，光栅透射衍射消光比与反射衍射消光比分别达到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别达到96.47％和97.04％。本发明的亚波长金属偏振分束光栅由纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射工艺加工而成，可大批量、低成本生产，制作的光栅偏振分束特性好，性能稳定可靠。

说明书

技术领域

本专利涉及光纤通信波段偏振分束光栅器件，特别是一种1550纳米波长的亚波长金属偏振分束光栅。

背景技术

光纤通信作为现代通信的主要支柱之一，具有大容量、低损耗、传输距离远、保密性强等优点，在现代通信中起着举足轻重的作用，是信息传输的主要方式。为了增加带宽、提高通信容量、减少信道间的串扰，通常采用不同的偏振态传输信号。偏振分束器是光纤通信中的一种关键光学元件，它可以将光分成偏振方向相互垂直的两束偏振光(TM偏振光和TE偏振光)，用于制作光开关、光环形器、光隔离器、光耦合器等光学组件，广泛应用于现代光纤通信系统及光纤传感系统中。

在偏振分束器的应用中，通常要求高的消光比与衍射效率、宽的角度适应范围和工作波长，同时还要求体积小、效率高、易集成，能够提供足够的制作宽容度等。传统的偏振分束器通常由双折射晶体或多层介质膜等具有二向色性的物质构成。但是，利用双折射晶体所制成的偏振分束器，体积大、效率较低；而多层介质膜偏振分束器通常工作带宽较小，加工难度大，热稳定性较差，不能很好地满足光学系统小型化、集成化和高效化的要求。随着微加工技术的不断进步，目前已可制作周期小于100纳米的亚波长金属光栅。亚波长金属光栅衍射效率稳定，能够将入射光分解为相互垂直的两束偏振光，且体积小、效率高、易集成，能够大规模生产，是制作偏振分束器的理想元件，受到人们越来越多的关注，具有重要的应用前景。

亚波长金属光栅是利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术，在熔融石英基底上加工出光栅周期远小于工作波长的亚波长光栅。由于周期远小于入射光波长(工作波长)，因此光栅只存在0级衍射，具有优良的偏振分束特性。亚波长金属光栅的衍射特性的计算分析，不能采用标量衍射理论，而必须采用矢量光栅电磁理论。矢量光栅电磁理论是基于麦克斯韦方程并结合光栅边界条件，通过计算机仿真进行精确的求解。Moharam等人已给出了基于矢量光栅电磁理论的严格耦合波理论的算法【在先技术1：Moharam MG et al.，1995 J.Opt.Soc.Am.A12 1077】，可以解决这类亚波长金属光栅的衍射问题。在先技术2【授权发明专利号：2006100234207】给出了实现偏振分束的深刻蚀矩形光栅装置，在先技术3【授权发明专利号：200710045141.5】给出了基于1550纳米波段的硅反射式偏振分束光栅装置。据我们所知，目前没有人针对1550纳米波段给出亚波长金属偏振分束光栅。因此能够实现具有高消光比和衍射效率、宽入射角和工作波长的亚波长金属偏振分束光栅，将具有重要的实用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的1550纳米波段亚波长金属偏振分束光栅，该光栅可以将TE、TM两种偏振模式相互垂直的一束光分解为TE偏振(电矢量平行于光栅刻槽)和TM偏振(电矢量垂直于光栅刻槽)不同传输方向的两束线偏振光，实现0级衍射消光比大于20dB，在-38°＜θ＜38°的大入射角范围内，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纳米＜λ＜1800纳米的宽入射光波长范围内，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％。本发明的1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，可以大批量、低成本的生产，刻蚀后的光栅偏振分束特性优良，性能稳定可靠。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，其特征在于该光栅的周期小于200纳米、刻槽深度为230纳米-410纳米、光栅占宽比，即光栅脊与光栅周期之比为0.3。

所述的1550纳米波段的亚波长偏振分束光栅的周期为150纳米，刻槽深度为323纳米。

本发明的依据如下：

图1显示了矩形亚波长金属偏振分束光栅的几何结构。区域1和区域2分别为均匀的空气(折射率n₁＝1.0)和熔融石英(折射率n₂＝1.45)。区域1与区域2之间为周期结构的光栅层，本例光栅脊为金属铝。TE偏振和TM偏振的线性偏振平面波以角度θ入射到亚波长金属光栅，实现TE偏振0级反射衍射与TM偏振0级透射衍射。

在如图1所示的光栅结构下，本发明采用严格耦合波理论【在先技术1】计算了亚波长金属偏振分束光栅的消光比和衍射效率。如图2、3所示，依据理论计算得到高消光比矩形亚波长金属偏振分束光栅的优化参数，即当光栅的周期小于200纳米、刻蚀深度为230纳米-410纳米时，偏振分束光栅的消光比大于20dB，TE偏振光的0级反射衍射率和TM偏振光的0级透射衍射率均高于96％。特别是光栅周期为150纳米、刻蚀深度为323纳米时，可以使透射衍射消光比与反射衍射消光比分别达到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别达到96.47％和97.04％。

如图4所示，光栅周期为150纳米，刻蚀深度为323纳米，入射波长λ＝1550纳米，该偏振分束光栅在-38°＜θ＜38°入射角范围内所有入射角的消光比均可高于20dB，即对应76°的角度带宽，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分别高于96.47％和96.48％。

如图5所示，周期为150纳米，刻蚀深度为323纳米，入射角θ＝0度，该偏振分束光栅在1200纳米＜λ＜1800纳米入射波长范围内所有入射光的消光比均可高于20dB，即对应600纳米的波长带宽，TE偏振光的反射衍射率和TM偏振光的透射衍射率分别高于96.42％和95.98％。

附图说明

图1为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅的几何结构。

图2为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在优化刻蚀深度h＝323纳米下，光栅O级衍射效率随周期的变化曲线，入射角θ＝0度，入射波长λ＝1550纳米。

图3为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在优化光栅周期Λ＝150纳米下，光栅反射消光比随刻蚀深度的变化曲线，入射角θ＝0度，入射波长λ＝1550纳米。

图4为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在周期为150纳米，刻蚀深度为323纳米，入射波长λ＝1550纳米，TE、TM偏振0级衍射效率随入射角的变化曲线。

图5为本发明1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅在周期为150纳米，刻蚀深度为323纳米，入射角θ＝0度，TE、TM偏振0级衍射效率随入射光波长的变化曲线。

具体实施方式

通过纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作亚波长金属偏振分束光栅。制作过程按以下步骤进行：

首先，在熔融石英基底上旋覆一层323纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，加热至200℃(高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化相变点105℃)，将预制的二氧化硅模板(具有周期为150纳米，占宽比为0.7，深900纳米的光栅图案)以15MPa大小的压力压入聚甲基丙烯酸甲酯。此时聚甲基丙烯酸甲酯高于其玻璃化相变点温度105℃，类似于黏性液体，并能在压力下流动。保持这种压力大小不变，降温到60℃，(低于相变点105℃)，保持约10分钟。由于聚甲基丙烯酸甲酯的亲水性，不会同二氧化硅模板发生黏附，将模板抬起脱膜。

然后，采用氧气反应型离子刻蚀(RIE)聚甲基丙烯酸甲酯层，直至低凹处露出石英基底，就得到了聚甲基丙烯酸甲酯的周期图案。

最后，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期图案上利用物理溅射方法沉积上金属铝，通过溶脱在丙酮溶液中将聚甲基丙烯酸甲酯及其上的铝去掉，就留下了周期为150纳米，槽深约323纳米，占宽比为0.3的亚波长金属偏振分束光栅。

按以上步骤制作的光栅，在1550纳米波长工作时，可以使0级透射衍射消光比与反射衍射消光比分别达到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别高于96.47％和97.04％，在入射角-38°＜θ＜38°和入射波长1200纳米＜λ＜1800纳米范围内消光比均高于20dB。

本发明的1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅，只存在0级衍射，具有很高的消光比和衍射效率，利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作，可大批量、低成本生产，制作的光栅偏振分束特性优良，性能稳定、可靠，是偏振分束器的一种重要的实现技术。