[发明专利]一种基于金属光栅的偏振分束器

摘要

本发明属于光学器件技术领域，涉及一种基于金属光栅的偏振分束器，其主体结构包括覆盖膜层、光栅结构、光栅槽和基座，覆盖膜层固定覆盖于光栅结构的上表面，覆盖膜层在光栅结构的衍射过程中实现波导层的功效并能够保护光栅结构；银质光栅结构通过蚀刻工艺制得并列式分布的光栅槽，光栅槽的槽深为300nm，光栅占空比为0.21，光栅结构的光栅周期为180nm；SiO₂材质的基座固定置于光栅结构的下表面处，该发明以银质光栅结构为基础，衍射效率高、消光比高，偏振性能好，光谱带宽极宽，能够达到207nm，工艺容差性好，性能上满足光学器件领域对偏振分束器的要求，其主体结构简单，使用方便，具有良好的市场应用前景，应用环境友好。

主权项

1.一种基于金属光栅的偏振分束器，其特征在于其主体结构包括：覆盖膜层、光栅结构、光栅槽和基座，SiO2材质的覆盖膜层为平面薄膜结构，覆盖膜层的厚度为225nm，覆盖膜层固定覆盖于光栅结构的上表面，覆盖膜层在光栅结构的衍射过程中实现波导层的功效并能够保护光栅结构，光栅结构的材质为金属银，其上表面处通过蚀刻工艺制得并列式分布的光栅槽，光栅槽的槽深为300nm，光栅占空比为0.21，光栅结构的光栅周期为180nm；SiO2材质的基座固定置于光栅结构的下表面处，用以支撑稳定光栅结构；基于金属光栅的偏振分束器的主体参数设计步骤如下：步骤1：计算TM波在0级的透射消光比TC和TE波在0级的的反射消光比RC：其中，分别表示TM波0级的透射和反射的衍射效率，分别表示TE波0级的透射和反射衍射效率；步骤2：采用遗传算法对光栅结构的参数进行优化设计，用以实现TM波和TE波偏振分束，经过分析来确定遗传算法目标方程和适应度函数，定义适应度函数RMS如下：其中，RMS越小，光栅结构的偏振分束越明显；步骤3：基于金属光栅的偏振分束器的结构参数设计：在中心波长800nm处，通过数值模拟优化出该基于金属光栅的偏振分束器的最佳的结构参数如下：覆盖膜层的厚度D1为225nm，光栅结构的占空比f为0.21，光栅槽的槽深D2为300nm，光栅结构的光栅周期T为180nm，光的入射角为0°；步骤4：对步骤3中的光栅结构的衍射效率和消光比进行分析：通过模拟优化，步骤3中的光栅结构的衍射效率和消光比的分析结果如下，入射波长在702‑909nm变化时，光栅结构的TM透射率和TE反射率大于95％，入射波长在764‑855nm变化时，光栅结构的TM反射率和TE透射率小于1％；入射波长在747‑854nm变化时，光栅结构的反射消光比大于20dB，入射波长在700‑900nm变化时，光栅结构的透射消光比大于27.4dB；入射角在‑30.3°到30.3°变化时，光栅结构的TM透射率和TE反射率大于95％，入射角在‑27°到27°变化时，光栅结构的TM反射率和TE透射率均小于1％；入射角在‑27°到27°变化时，光栅结构的反射消光比均大于20dB，入射角在‑35°到35°变化时，光栅结构的消光比均大于29.2dB，当光线垂直入射时，光栅结构的透射和反射消光比分别为29.2dB和39.5dB，根据上述分析结果能够得出，在0级衍射级次上光栅结构的TM透射率和TE反射率大于95％的工作带宽达到207nm，光栅结构的透射和反射消光比都大于20dB的角度变化范围达到54°，满足宽光谱、宽视角、高消光比的设计要求；步骤5：工艺容差分析：由于控制精度和微加工技术的影响，光栅槽的槽深、覆盖膜层的厚度和光栅周期在制备过程中会有误差，以及入射角变化都会对发明的偏振效果产生影响；当固定其他参数时，覆盖膜层在150‑300nm，槽深在275‑350nm之间变化时，透射消光比都大于25dB；当覆盖膜层在217‑242nm，光栅槽槽深在259‑315nm之间变化时，反射消光比都大于30dB；当光栅结构的光栅槽槽深在259‑315nm或是覆盖膜层厚度在217‑242nm之间变化时，该光栅结构对光栅槽的槽深和覆盖膜层均具有工艺容差；当光波的入射角在‑30°到30°之间变化时，光栅周期在50‑187nm之间时，光栅结构的透射消光比均大于30dB；光栅周期在114‑315nm之间时，光栅结构的反射消光比均大于30dB；当光波的入射角在‑30°到30°或是光栅周期在114‑187nm之间变化时，光栅结构对入射角和光栅周期的工艺容差相对较大，光栅周期、光栅槽槽深和覆盖膜层的厚度都有工艺制备容差，能够减小实际制备中的误差对偏振效果的影响。