[发明专利]1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅

说明书

技术领域

本发明涉及偏振分束光栅，特别是一种1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅。

背景技术

在光通信领域，偏振分束器是一种关键的光学元件，它可以实现将光分成两束偏振方向相互垂直的偏振光。大多数应用中，人们往往需要高消光比、高衍射效率、较宽的可操作波长范围和角度带宽、体积小的偏振分束器。传统的偏振分束器是基于一些晶体的自然双折射效应(例如Thomson棱镜、Nicol棱镜和Wollaston棱镜)或者多层介质膜的偏振选择性。但是，利用双折射晶体所制成的偏振分束器，体积大，价格昂贵；而薄膜偏振分束器一般工作带宽较小，而且薄膜层数达到几十层，对均匀性和对称性要求较严，加工较难，高消光比元件的成本很高。随着微制造技术的快速发展，亚波长光栅表现出来的特有光学效应受到人们的广泛关注。近来，一些研究工作报道了表面浮雕型光栅作为偏振分束器。与其它偏振分束器相比，表面浮雕型偏振分束光栅的结构紧凑，易于小型化和集成化，且插入损耗小，是一种无源器件。如Bo Wang等人制作的1550nm石英偏振分束光栅的消光比理论上可达5.11×10³，TM偏振光0级衍射效率为98.62％，TE偏振光1级衍射效率为88.52％【参见在先技术1：B.Wang et al.，Opt.Lett.32，1299(2007)】。

硅作为地球上储藏最丰富的材料之一，具有较好的耐高温和抗辐射性能，特别适宜制作大功率器件，因而成为应用最多的一种半导体材料。熔融的单质硅在凝固时硅原子以金刚石晶格排列成许多晶核，如果这些晶核长成晶面取向相同的晶粒，则这些晶粒平行结合起来便结晶成硅。硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，已渗透到国民经济和国防科技各个领域，当今的电子通信半导体市场中95％以上的半导体器件及99％以上的集成电路用的都是硅。因而，用硅来制作深刻蚀光栅，取材方便且价格低廉，耐高温抗辐射，能够在高强度激光和一些特殊的环境中工作，具有重要的实用意义。此外，偏振分束光栅的制造可以借助成熟的微电子工艺技术，造价小，能大批量生产，而其消光比和衍射效率较已报道的表面浮雕型偏振分束光栅都要高。故而，这一新型的硅反射偏振分束光栅较其他表面浮雕型偏振分束光栅成本低，更适宜工业生产，具有重要的实用前景。

矩形深刻蚀光栅是利用微电子深刻蚀工艺，在基底上加工出的具有较深槽形的光栅。由于表面刻蚀光栅的刻蚀深度较深，所以衍射性能类似于体光栅，具有体光栅的布拉格衍射效应，这一点与普通的表面浅刻蚀平面光栅完全不同。高密度矩形深刻蚀光栅的衍射理论，不能由简单的标量光栅衍射方程来解释，而必须采用矢量形式的麦克斯韦方程并结合边界条件，通过编码的计算机程序精确地计算出结果。Moharam等人已给出了严格耦合波理论的算法【在先技术2：M.G.Moharam etal.，J.Opt.Soc.Am.A.12，1077(1995)】，可以解决这类高密度光栅的衍射问题。但据我们所知，目前为止，还没有人针对常用1550纳米波长的红外光给出高密度深刻蚀硅反射式偏振分束光栅的设计参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对常用1550纳米波长的红外光提供一种1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅，该光栅可以将TM、TE两种偏振模式相互垂直的光分为不同的方向，实现0级和1级衍射光消光比大于100，TM偏振光的0级反射衍射效率和TE偏振光的1级反射衍射效率分别高于99.05％和99.04％。因而能够实现高消光比、高衍射效率的深刻蚀硅反射偏振分束光栅，具有重要的实用意义。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于1550纳米波段的硅反射偏振分束光栅，该光栅的TM偏振光和TE偏振光分别在0级和1级反射，光栅的占空比为0.5，其特征在于该光栅的周期为344-412纳米、刻蚀深度1.076-1.205微米，光栅的占空比为0.5。

所述的1550纳米波长硅反射式偏振分束光栅的周期为397纳米，光栅的刻蚀深度为1.092微米。

本发明的依据如下：