高密度深刻蝕正弦槽型光柵偏振分束器的制作方法

專利名稱：：高密度深刻蝕正弦槽型光柵偏振分束器的制作方法
技術領域：
：本專利涉及偏振分束器，特別是一種高密度深刻蝕正弦槽型光柵偏振分束器。
背景技術：
：隨著科學技術的迅猛發展，人類社會正向信息時代邁進。信息傳送量快速膨脹，這就要求傳輸網絡越來越大。現有的以電為基本傳輸介質的物理層構筑的網絡已到了其極限，帶寬匱乏、速度慢、靈活性差。隨著語音、圖像、數據等信息的急劇增長，尤其是Internet的迅速發展，使得人們對通信網容量的需求越來越大。用光波為載體，它極高的時間、空間帶寬積，高度的并行性和無干擾性，在信息高速傳送和處理時，具有光損耗小、信號無畸變、無時鐘歪斜等優點。光纖通信具有容量大、損耗低、距離傳輸遠等優點，是滿足快速增長帶寬需求的重要技術手段。空間光交換網絡被認為是處理速度最快、傳輸率最快、最理想的空間光子交換網絡系統。為了增加帶寬和減少不同通道間的串擾要用到不同的偏振態。偏振分束器是光交換網絡中基本的元件，它可以將光分成兩束偏振模式相互垂直的偏振光。不僅在光通信中，在許多其他的光學信息處理系統中，比如投影、顯示等器件中，偏振分束器都是一種關鍵元件，有著廣泛的應用。大多數應用中，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。傳統的偏振分束器是基于一些晶體的自然雙折射效應或者多層介質膜的偏振選擇性。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，薄膜層數達到幾十層，對均勻性和對稱性要求較嚴，加工較難，高消光比元件的成本很高。隨著微制造技術的快速發展，光學元件微型化和光學系統集成化發展迅速。微光學元件的研究與設計受到了學術界和工業界的廣泛關注。近年來涌現出的光子晶體，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出來的特有光學效應受到人們的廣泛關注，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構緊湊，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。正弦槽型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，具有體光柵的布拉格衍射效應，這一點與普通的表面淺刻蝕平面光柵完全不同。高密度深刻蝕光柵的衍射理論，不能由簡單的標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合邊界條件，通過編碼的計算機程序精確地計算出結果。Moharam等人已給出了嚴格耦合波理論的算法在先技術1:M.G.Moharametal.，J.Opt.Soc.Am.A12，1077(1995)，可以解決這類高密度光柵的衍射問題。在先技術授權發明專利號2006100234207給出了實現偏振分光的深刻蝕矩形光柵裝置。相對深刻蝕矩形光柵，正弦槽形的深刻蝕光柵可視為由一系列薄的淺刻蝕矩形光柵平板疊加構成，其槽形的占空比梯度漸變，因此，可以獲得更高的透射效率。但據我們所知，沒有人針對常用1064納米波長的紅外光給出高密度深刻蝕正弦槽型石英透射式偏振分束光柵的設計參數。
發明內容本發明要解決的技術問題是提供一種高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，該光柵可以將TE、TM兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向，實現0級和-1級衍射光消光比大于100。特別是針對常用1064納米波長的紅外光，在10411087納米波長范圍內消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的-1級透射衍射效率分別高于99.53%和98.84%。因此能夠實現高消光比、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。本發明的技術解決方案如下—種高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，其特點在于所述的深刻蝕正弦槽型石英透射光柵的周期和波長的比值為0.789，深度和周期的比值為4.938。在1064納米波段，該光柵的周期為839納米、刻蝕深度為4.0104.273微米。所述的光柵的周期為839納米，刻蝕深度為4143微米。本發明的依據如下圖1顯示了高密度正弦深刻蝕石英光柵的幾何結構。區域1、2都是均勻的，分別為空氣(折射率=1)和石英(折射率n2=1.44964)。TM偏振入射光對應于磁場矢量的振動方向垂直于入射面，TE偏振入射光對應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ei=sin-、A/(2承A^2))入射(定義為Littrow條件，即-l級反射光沿原入射光的方向返回)，A代表入射光波長，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TE、TM偏振模式衍射效率之比和-1級衍射光中TM、TE偏振模式衍射效率之比中較小的值。在如圖1所示的光柵結構下，在光柵的周期和波長的比值為0.789，深度和周期的比值為4.938時，本發明采用嚴格耦合波理論在先技術1計算了高密度深刻蝕熔融石英正弦光柵在不同波長下的消光比和衍射效率，如表1所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage4</column></row><table>表1列出在光柵的周期和波長的比值為0.789，深度和周期的比值為4.938的光柵結構下，不同波長入射時的0級、-l級衍射效率和消光比。由表看出，光柵結構從紅外到紫外波段都可以實現高衍射效率、高消光比的偏振分束。本發明提出的高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，正弦槽型光柵，不光有著可與三角槽型光柵相比較的極高消光比和衍射效率，而且可以實際加工制作。用石英制成深刻蝕光柵，性能穩定，耐高溫抗輻射，能夠在高強度激光和一些特殊的環境中工作，具有重要的實用意義。正弦槽型偏振分束光柵的制造可以借助成熟的微電子工藝技術，造價小，能夠大量生產，具有重要的實用前景。圖1是本發明高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器的幾何結構示意圖。圖2是本發明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44964)在優化光柵周期下(A=839納米)，TM/TE模式下的衍射效率隨著刻蝕深度的變化曲線。圖3是本發明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44964)光柵周期為839納米、光柵深度4.143微米，在1064納米波段附近使用，各波長以相應的Littrow角度入射到光柵時，TM/TE模式下的衍射效率。圖4是本發明偏振分束光柵(石英的折射率取1.44964)光柵周期為839納米、光柵深度4.143微米，入射光以39.35°角度(對應于A=1064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5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代表擴束鏡，16、17代表透鏡，18代表基片。具體實施例方式先請參閱圖1，圖1是本發明高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器的幾何結構示意圖。圖中，1代表區域1(折射率為n》，2代表區域2(折射率為n2)，3代表光柵，4代表入射光，5代表TE模式下的0級衍射光，6代表TM模式下的_1級衍射光。在紅外1064納米波段，計算得到的衍射效率如圖2所示。依據理論計算得到高消光比、高衍射效率正弦光柵的數值優化結果，即當光柵的周期為839納米、刻蝕深度為4.0104.273微米時，偏振分束光柵的消光比大于100。特別是光柵周期為839納米，刻蝕深度為4.143微米，即光柵的周期和波長的比值為0.789，深度和周期的比值為4.938時，本發明可以使偏振分束光柵的消光比達到3.311X105，TE偏振光0級透射衍射效率為99.67%，TM偏振光-1級透射衍射效率為99.84%。如圖3所示，光柵的周期為839納米，深度為4.143微米，若考慮1064納米附近兩種偏振模式的入射光各自以對應的Littrow角度入射到光柵時，該偏振分束光柵在10411087納米波長范圍內消光比大于100，即對應于46納米的譜寬范圍，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的-1級透射衍射效率分別高于99.53%和98.84%。如圖4所示，TM/TE偏振模式的入射光以39.35°角度(對應于A=1064納米時的Littrow角度)附近入射到光柵時，光柵的周期為839納米，深度為4.143微米，該偏振分束光柵在38.33。40.40°角度帶寬內消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的-1級透射衍射效率分別高于99.65%和98.83%。利用微光學技術制造本發明高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，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5)，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，從激光器發出的窄光束經過分束鏡9分成兩窄光束。一束通過反射鏡10后，經過擴束鏡14、透鏡16形成寬平面波；另一束通過反射鏡11后，經過擴束鏡15、透鏡17形成寬平面波。兩束平面波分別經過反射鏡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A=A/(2化in9)，其中a為記錄光波長。記錄角e越大，則a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，將樣品放入感應耦合等離子體刻蝕機中進行一定時間的等離子體刻蝕(或使用反應離子束刻蝕)，把光柵圖形轉移到石英上，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構的石英光柵。在制作的過程中，需要嚴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。結合圖2可知，該光柵的周期為839納米、刻蝕深度為4.0104.273微米時，偏振分束光柵的消光比大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的-1級透射衍射效率分別高于98.68%和99.54%，實現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839納米，刻蝕深度為4.143微米時，本發明可以使偏振分束光柵的消光比達到3.311X105，TE偏振光0級透射衍射效率為99.67%，TM偏振光-1級透射衍射效率為99.84%。本發明的高密度正弦槽型石英透射光柵作為偏振分束器，不必鍍金屬膜或介質膜，具有很高的消光比和衍射效率，利用全息光柵記錄技術或電子束直寫裝置結合微電子深刻蝕工藝，可以大批量、低成本地生產，刻蝕后的光柵性能穩定、可靠，是偏振分束器的一種重要的實現技術。權利要求一種高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，其特征在于所述的深刻蝕正弦槽型石英透射光柵的周期和波長的比值為0.789，深度和周期的比值為4.938。2.根據權利要求1所述的高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，其特征在于，在1064納米波段，該光柵的周期為839納米、刻蝕深度為4.0104.273微米。3.根據權利要求2所述的高密度深刻蝕正弦槽型石英透射光柵偏振分束器，其特征在于，所述的光柵的周期為839納米，刻蝕深度為4143微米。全文摘要一種高密度深刻蝕正弦槽型光柵偏振分束器，光柵周期和波長的比值為0.789，深度和周期的比值為4.938時，對從遠紅外到深紫外波段范圍內的波長，能夠實現TE偏振光和TM偏振光分別在0級和-1級透射。對入射波長為1064納米波段，該光柵的周期為839納米、刻蝕深度為4.010～4.273微米時，0級光同-1級光的消光比均大于100，TE偏振光的0級透射衍射效率和TM偏振光的-1級透射衍射效率分別高于98.68％和99.54％，實現了將兩種偏振模式相互垂直的光分為不同的方向。本發明由光學全息記錄技術或電子束直寫裝置結合微電子深刻蝕工藝加工而成，可以低成本、大批量生產。文檔編號G02B5/18GK101718883SQ200910200158公開日2010年6月2日申請日期2009年12月9日優先權日2009年12月9日發明者馮吉軍,周常河申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所