[发明专利]1550纳米波段的亚波长金属偏振分束光栅

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。