偏振无关高效率石英透射三角光栅制造技术

一种用于中心波长为１５５０纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅，其特征在于该光栅周期为１０８０纳米、刻蚀深度在１０３００纳米。当ＴＥ和ＴＭ偏振光以对中心波长１５５０纳米为利特罗角入射时，该熔融石英三角光栅对－１级的透射衍射效率可在１５００～１６１０纳米波长范围内大于９０％，而在１５４０～１５６０纳米波长的－１级衍射效率大于９９％。本发明专利技术偏振无关高效率石英透射三角光栅由光学全息记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺加工而成，取材方便，造价小，能大批量生产，在光纤通信领域具有重要的实用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及三角光栅，特别是一种用于1550纳米波段的偏振无关高效率石英透 射三角光栅。
技术介绍
在激光通信领域中，密集波分复用技术的应用大大地縮小了通信信道间隔，从而 极大地提高了激光通信的容量。而密集波分复用技术的实现主要依靠薄膜滤波器、阵列波 导光栅、光纤布拉格光栅以及自由空间衍射光栅等器件。薄膜滤波器工作稳定性较好，但是 存在较高的能量损耗，而且随着通信信道的增加滤波器的设计制作也变得复杂；阵列波导 光栅的能量损耗及偏振损耗较大、光谱带宽较窄，而且对环境温度比较敏感，使得其工作稳 定性变差；光纤布拉格光栅性能比较出色，但主要的问题是信道容量较小而且需要与循环 器或马赫-曾德耦合器配合使用，这增加了能量损耗和使用成本。相比较而言，自由空间衍 射光栅具有比较突出的优点，比如，损耗较低、信道间干扰较弱、工作比较稳定以及制作成 本较低等。Yangyan Zhang等人设计了一种基于全反射现象的高效率反射式熔石英光栅， 其-1级的衍射效率理论上可在101纳米波长范围内高于90%参见在先技术1 :Y. Zhang et al. ， J. Opt. Soc. Am. A 22 331-334(2005)。Shunquan Wang等人设计并制作了一种用 于中心波长为1550纳米波长的透射式石英光栅，其-1级的衍射效率测量值为87. 1%参 见在先技术2 :S. Wang et al. ， A卯l. Opt. 45， 2567-2571 (2006)。 熔融石英是一种理想的光栅材料，它具有高光学质量稳定的性能、高损伤阈值和 从深紫外到远红外的宽透射谱。因此，刻蚀高密度深刻蚀熔融石英光栅作为新型的超宽带 器件具有广泛的应用前景。 三角光栅可以看作是由许多具有不同占空比的矩形光栅叠加构成的。因此，三角 光栅的衍射理论可以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参见在先技术3: M.G.Moharam et al. ， J. Opt. Soc. Am. A 12， 1077-1086 (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，还没有人针对通信用1550纳米波长给出在熔融石 英基片上制作宽带透射式三角光栅的设计参数。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是针对通信用1550纳米波长的激光器提供一种偏振无 关高透射衍射效率石英三角光栅。该光栅可以使TE和TM偏振光在对1550纳米波长为利 特罗角入射时的-l级衍射效率在110纳米(1500-1610纳米)波长带宽内高于90%，而在 20纳米(1540-1560纳米)波长带宽内的-1级衍射效率大于99%。因此，该三角光栅在激 光光纤通信中具有重要的实用价值。 本专利技术的技术解决方案如下 —种用于1550纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅，其特点在于该光3栅的周期为1080纳米、刻蚀深度10300纳米。 所述的光栅的周期为1080纳米，光栅的刻蚀深度为10300纳米时最佳。 本专利技术的依据如下 图l显示了偏振无关高效率石英透射三角光栅的几何结构。区域1、2都是均匀的， 分别为空气(折射率= 1)和熔融石英(折射率n2 = 1. 44462) 。 TE偏振入射光对应于 电场矢量的振动方向垂直于入射面，TM偏振入射光对应于磁场矢量的振动方向垂直于入射 面。线性偏振的光波以一定角度9i = sin-、A/(2AA^》)入射(定义为利特罗条件)， 入代表入射波长，A代表光栅周期。 在如图l所示的光栅结构下，本专利技术采用严格耦合波理论在先技术3计算了三 角熔融石英光栅在1550纳米波段衍射效率。我们利用模式理论在先技术4:J.Zheng et al. ， J. Opt. Soc. Am. A. 25， 1075 (2008)设计这种超宽带高效率透射石英光栅，并采用严格 耦合波理论在先技术3优化所得光栅结构。图2和图3分别给出了依据理论计算得到 高衍射效率宽带三角光栅在利特罗角入射时的数值优化结果。从图中可以看出，当光栅的 周期为1080纳米、刻蚀深度为10200-10400纳米时，TE和TM偏振光的-1级衍射效率大于 99%。 特别是当光栅的周期为1080纳米，深度为10300纳米，若考虑1550纳米附近TE和 TM偏振模式的入射光以对应的利特罗角度入射到光栅时，该光栅在110纳米(即1500 1610纳米)带宽范围内所有波长的-l级衍射效率均可以达到90以上，涵盖了光纤通信中 常用的C+L波段(1512-1601纳米)。附图说明 图1是本专利技术1550纳米波长的宽带高效率石英透射三角光栅的几何结构。 图2是本专利技术超宽带石英透射三角光栅在对1550纳米波长为利特罗角入射时不 同波长和刻蚀深度下TE/TM偏振光最小衍射效率密度曲线。 图3是本专利技术超宽带石英透射三角光栅在对1550纳米波长为利特罗角入射时TE/ TM光衍射效率随波长的变化曲线。具体实施例方式表1给出了本专利技术一系列实施例。表中列出了本专利技术用于中心波长为1550纳米 波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅对1550纳米波长为利特罗角入射时不同波长的 TE/TM偏振光在-1级衍射效率n，h为光栅深度。图2和图3分别给出了依据理论计算得 到高衍射效率宽带三角光栅在利特罗角入射时的数值优化结果。从图中可以看出，当光栅 的周期为1080纳米、刻蚀深度为10200-10400纳米时，TE和TM偏振光的-1级衍射效率大 于99%。 特别是当光栅的周期为1080纳米，深度为10300纳米，若考虑1550纳米附近TE 和TM偏振模式的入射光以对应的利特罗角度入射到光栅时，该光栅在l 10纳米(1500-1610 纳米)波长范围内所有波长的-l级衍射效率均可以达到90以上，涵盖了光纤通信中常用 的C+L波段(1512-1601纳米)。 实验表明在制作光栅的过程中，适当选择光栅刻蚀深度和使用入射角就可以在4不同的带宽内制备出用于中心波长为1550纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光 本专利技术的用于1550纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅，具有使用灵 活方便、带宽较宽、衍射效率较高等优点，是一种非常理想的衍射光学元件，利用全息光栅 记录技术或电子束直写装置结合微电子深刻蚀工艺，可以大批量、低成本地生产，刻蚀后的 光栅性能稳定、可靠，可应用于光纤通信中，具有重要的实用前景。 表1<table>table see original document page 6</column></row><table>权利要求一种用于中心波长为1550纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅，其特征在于该光栅的周期为1080纳米、光栅的深度在10200-10400纳米。2. 根据权利要求1所述的偏振无关高效率石英透射三角光栅，其特征在于所述的光栅的周期为1080纳米，光栅的刻蚀深度为10300纳米。全文摘要一种用于中心波长为1550纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅，其特征在于该光栅周期为1080纳米、刻蚀深度在10300纳米。当TE和TM偏振光以对中心波长1550本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于中心波长为１５５０纳米波段的偏振无关高效率石英透射三角光栅，其特征在于该光栅的周期为１０８０纳米、光栅的深度在１０２００－１０４００纳米。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周常河，曹红超，冯吉军，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]