一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅制造技术

一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，涉及用于光通信的反射光栅领域，包括衬底，衬底上方覆盖有反射金属层，金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um,第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um，本实用新型专利技术要解决的技术问题是针对光通信用1550纳米波段提供偏振不相关宽带反射光栅，该光栅可以使TE和TM偏振光在中心波长对应的利特罗角入射的情况下的‑1级衍射效率在100纳米的波长带宽内（1500〜1600纳米）高于90%。本实用新型专利技术具有结构简单、偏振无关、宽带的优点，其在波分复用技术里有重要实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅
本专利技术涉及用于光通信的反射光栅领域，具体涉及一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅。
技术介绍
波分复用(WDM)技术能够在单根光纤复用几十甚至上百个波长，以满足增长的对带宽的需求，是提高通信能力的有效方法之一。波分复用技术现已提高得可以传送数百个波长的激光，每个波长间的间隔1.6nm、0.8nm或0.4nm，甚至0.2nm，这种技术称作密集波分复用(DWDM)。WDM已经广泛应用于长途传输中，也开始进入短程光通信网络中。波分复用器是波分复用光纤通信系统中最关键的器件。平面衍射光栅是传统的色散元件，具有结构简单、衍射效率高、温度稳定性好等特点，该器件在光通信行业领域已经广泛使用。光纤中的光学信号具有不确定的偏振态，其需要多路复用（解复用）器基本上是偏振不灵敏的，以便最小化偏振相关损耗。即对衍射光栅要求偏振不敏感。美国专利US8989537B2描述了适用于光通信的偏振不相关透射型光栅。但是很多光路设计中，比如目前波分复用技术最新发展的波长选择技术(WSS),需要用到反射型偏振不相关光栅。为了提高衍射效率，一般采用亚波长光栅结构，即光栅周期小于或接近工作波长，也称为高密度光栅。该种光栅一般对入射光的偏振敏感，即针对一个偏振衍射效率达到最大值，另外一个偏振衍射效率会比较低。高密度光栅的衍射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4:M.G.Moharametal，J.Opt.Soc.AmA.12，1077(19%)】。利用严格耦合波分析，可以计算光栅的衍射效率，将合严格耦合波分析与模拟退火算法相结合，可以优化设计偏振不相关宽带反射光栅。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对光通信用1550纳米波段提供偏振不相关宽带反射光栅，该光栅可以使TE和TM偏振光在中心波长对应的利特罗角入射的情况下的-1级衍射效率在100纳米的波长带宽内（1500〜1600纳米）高于90%。本专利技术具有结构简单、偏振无关、宽带的优点，因此该反射光栅在波分复用技术里有实用价值，其技术方案如下：一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，包括衬底，衬底可以选择透明材料或者金属、陶瓷等不透明材料,所述衬底上方覆盖有反射金属层，所述金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，第二折射膜层的折射率在2左右，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um，第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um。进一步地，所述光栅的周期为1060纳米、光栅占空比为0.55，第一、二折射膜层厚度分别为0.32、0.73um。进一步地，所述第一、二折射膜层的折射率分别为1.444、1.998。进一步地，所述第一折射膜层材质为二氧化硅。进一步地，所述第二折射膜层材质为氮化硅、五氧化二钽或氧化铪。进一步地，所述衬底为硅片、熔融石英、金属、玻璃或陶瓷。进一步地，所述金属层的材质为金、银、铝或铜。依据上述技术方案，本专利技术的偏振不相关宽带反射光栅，具有结构简单、对衬底材料无要求、偏振不敏感、衍射效率高的特点，特别是当金属层材质选择金，光栅的周期为1.06um，第一折射膜层为0.32um厚度的二氧化硅，第二折射膜层为0.73um厚度的氮化硅，光栅占空比为0.55时，波长范围在1500〜1600nm内的入射光沿利特罗角度入射，TE和TM膜衍射效率均高于90%；如果用零膨胀玻璃或者低热膨胀系数的陶瓷衬底，比目前普遍采用的熔融石英衬底的光栅热稳定性更好，可应用于波分复用系统。附图说明下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。图1为本专利技术的偏振不相关宽带反射光栅的几何结构示意图；图2为本专利技术在金属层材质为金、光栅周期为1060纳米、光栅占空比为0.55、第一、二折射膜层厚度分别为0.32、0.73um，入射角度沿利特罗角入射时衍射效率随入射光波长的变化特性曲线。其中，1、衬底；2、金属层；3、第一折射膜层；4、第二折射膜层；5、入射光；6、衍射光。具体实施方式下面通过具体实施方式结合附图对本专利技术作进一步详细说明。请参阅图1，图1是本专利技术偏振不相关宽带反射光栅的几何结构示意图。本实施例衬底1采用硅片，金属层2采用金，光栅为二层结构，底部第一折射膜层3是二氧化硅薄膜，顶部第二折射膜层4是折射率为2左右的氮化硅薄膜。氮化硅薄膜折射率为1.998,二氧化硅薄膜折射率为1.444，利用严格耦合波法优化光栅的周期为1060纳米，优化第一折射膜层3和第二折射膜层4厚度为0.32um和0.73um。针对1550纳米波段TE和TM两个偏振入射角度45度左右，-1级衍射效率均在95%以上。该光栅的周期为0.99〜1.15um，光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层3厚度为0.27um〜0.55um,第二折射膜层4厚度为0.67〜0.85um。图1中入射光5从空气中以中心波长对应的利特罗角θ入射，衍射光6与入射光5平行反向，b表示光栅宽度，d表示光栅的周期,光栅占空比定义为f=b/d。金属层在很宽有光谱范围内都具较高的反射率，因此如图1所示几何结构的光栅，可以用于设计中心波长为1550纳米的偏振不相关宽带反射光栅。在如图1所示的光栅结构下，如图2所示，本专利技术采用严格耦合波理论计算了该反射光栅的-1级衍射效率随入射光波长的变化曲线即当光栅的周期为1060纳米，光栅占空比为0.55，第一、二折射膜层（3、4）厚度分别为0.32um、0.73um时，TE或TM偏振光以中心波长1550纳米对应的利特罗角46.6度入射时，该光栅的-1级衍射效率在100纳米波长带宽（1500〜1600纳米)内均大于90%。表1给出了本专利技术的一系列实施例。当第一、二折射膜层（3、4）厚度分别为0.32um、0.73um、光栅占空比为0.55时，中心波长衍射效率随光栅的周期的变化数据。由表1可知，光栅的周期d在0.99〜1.14微米，入射光中心波长1550nmTE和TM偏振衍射效率均大于90%。表2给出了本专利技术的另一系列实施例，其中光栅的周期d为1060纳米、光栅占空比为0.55，光栅底部的第一折射膜层3厚度为0.32um时，中心波长衍射效率随光栅的第二折射膜层4厚度的变化数据。由表2可知，第二折射膜层4厚度为067〜0.8um时，入射光中心波长1550nm两个偏振TE和TM模衍射效率均大于90%。表3给出了本专利技术的另一系列实施例。当第一、二折射膜层（3、4）厚度分别为0.32um、0.73um时，中心波长衍射效率随光栅占空比的变化数据。由表3可知，光栅占空比f在0.52〜0.57之间，入射中心波长1550nm两个偏振TE和TM衍射效率均大于90%。表1表2表3以上应用了具体个例对本专利技术进行阐述，只是用于帮助理解本专利技术，并不用以限制本专利技术。对于本专利技术所属
的技术人员，依据本专利技术的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，包括衬底，所述衬底上方覆盖有反射金属层，所述金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um, 第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um。

【技术特征摘要】
1.一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，包括衬底，所述衬底上方覆盖有反射金属层，所述金属层上制作有光栅，该光栅包括由下往上依次设置的第一折射膜层、第二折射膜层，第一折射膜层的折射率低于第二折射膜层的折射率，该光栅的周期为0.99〜1.15um、光栅占空比为0.52〜0.57，第一折射膜层厚度为0.27〜0.55um,第二折射膜层厚度为0.67〜0.85um。2.如权利要求1所述的一种光通信用1550纳米波段的偏振不相关宽带反射光栅，其特征在于，所述光栅的周期为1060纳米、光栅占空比为0.55，第一、二折射膜层厚度分别为0.32、0.73um。3.如权利要求2所述的一种光通信用15...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐建卫，
申请(专利权)人：上海矽安光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：上海,31