亚波长光栅偏振分束器的研究_郭楚才

第30卷　第9期光　学　学　报

V ol .30,N o .9

2010年9月

ACTA OPTICA SINICA

September ,2010

文章编号:0253-2239(2010)09-2690-06

亚波长光栅偏振分束器的研究

郭楚才　叶卫民　袁晓东　曾　淳　季家镕

(国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073)

摘要　利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对T E 偏振光具有很高的反射率同时对T M 偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm 的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。

关键词　光栅;偏振分束器;散射矩阵方法;亚波长光栅;泄漏模共振效应;类布儒斯特效应中图分类号　O436 文献标识码　A do i :10.3788/AO S 20103009.2690

Re se arch on Sub -Wavelength Grating Polarizing Beam Splitter

Guo Chucai Ye Weimin Yuan Xiaodong Zeng Chun Ji Jiarong

(College of Optoelectric Science and Engineering ,National University of D efense Technology ,

Changsha ,Hunan 410073,China )

Abstract A near -infrared (NIR )polarizing beam splitter is designed based on a single layer sub -wavelength silicon

grating ,which is reflective for TE polarization and transparent for TM polarization around the incident angle of 45°.The design of the proposed beam splitter is based on the leaky -mode resonance effect and Brewster -like effect of the sub -wavelength grating .Scattering matrix method and finite -difference time -domain method are utilized to design and analyse the structure .Sim ulation results show that both the reflection and transmission extinction ratios of the beam splitter are over 100in the wavelength range of 1390～1600nm .Moreover ,the polarizing beam split ter has a relative big angular tolerance and the effic iency of the beam splitter under the illumination of a Ga ussian beam with finite size is very high .

Key word s gratings ;polarizing bea m splitter ;scattering matrix method ;sub -wavelength grating ;leaky -mode resonance effect ;Brewster -like effect

收稿日期:2009-10-26;收到修改稿日期:2009-12-04

作者简介:郭楚才(1981—),男,博士研究生,主要从事纳米光子学方面的研究。E -mail :g cc 1981@y ahoo .com .cn 导师简介:季家镕(1946—),男,教授,博士生导师,主要从事集成光学方面的研究。E -mail :jijiaro ng @ho tmail .co m

1　引 言

偏振分束器是光网络和光信息系统的关键元件,它可以广泛应用于自由空间光开关、磁光数据存储以及偏振成像系统等。传统的偏振分束器主要利用具有双折射效应的天然晶体或者多层膜结构来实现偏振分束。由于天然双折射晶体体积大,无法实现微型化和集成化;多层膜结构与天然晶体偏振分束器相比,其厚度大大减小,但是需要堆积的薄膜层数很多,制备过程相对复杂,因此这两种偏振分束器的应用都受到很大的限制。

近年来,具有特殊衍射特性的亚波长光栅日益受到人们的关注,已被广泛用于设计宽带反射镜[1～3]、法布里-珀罗腔[4]

、滤波器[5～10]

、探测器[11]

与防伪结构[12]等光学元器件,偏振分束器也不例外。例如,Deer Yi 等[13]提出了基于全反射的亚波长光栅偏振分束器,该结构具有很宽的工作带宽,但是因其覆盖层和衬底材料都需要很高折射率的介质,限制了该结构的应用范围;Y .Zhang 等[14]提出了一种双层堆栈结构分束器,该结构具有很大的入射角容差,但是其工作带宽较窄且消光比相对较低。

9期郭楚才等:　亚波长光栅偏振分束器的研究

本文采用单层悬浮的亚波长硅光栅结构,设计具有高消光比的宽带偏振分束器。因这类偏振分束器结构简单、紧凑,可用于自由空间集成光学系

统[15],同时具有相对较大的入射角度容差,因此,在微光学集成系统和微光机电系统(M EOMS )等领域有很好的应用前景。

2　理论分析与设计

亚波长光栅偏振分束器的设计主要基于两方面考虑:利用光栅的泄漏模共振效应可以使TE 偏振光在一定入射角以及一定频率(或波长)范围内实现方向全反射(或高反射);同时TM 偏振光在结构类布儒斯特角附近具有很高的透射率。如此,通过合理的结构设计,使TE 偏振光实现方向反射的入射角与TM 偏振光的类布儒斯特角重合或者接近,则该结构在类布儒斯特角附近可以将T E 偏振光与TM 偏振光分开,从而实现偏振分束功能。

图1所示为亚波长光栅偏振分束器的示意图。它由悬空的一维亚波长硅光栅构成,其中光栅的周期为a ,厚度为t ,高折射率介质材料为硅(折射率为n Si ),光栅填充比为f 。取外部场的入射平面与y 方向垂直(即波矢y 向分量k y =0),入射角为θ,则该结构TE 偏振光与TM 偏振光不为零的电磁场分量分别为{E y ,H x ,H z }和{H y ,E x ,E z }

。

图1亚波长光栅偏振分束器结构示意图

Fig .1Schematic of a sub -waveleng th g rating po larizing

beam splitter

分别讨论亚波长光栅方向反射镜以及类布儒斯

特角,然后结合二者设计偏振分束器。光栅的透射或反射谱线由散射矩阵方法[16]计算得到。2.1　亚波长光栅方向反射镜

基于泄漏模共振效应设计的亚波长光栅宽带反射镜已有报道[3,4],但是迄今为止,大部分报道的结果都只讨论正入射条件下的反射镜,对于工作在大入射角度下的方向反射镜的研究还鲜见报道。下面考虑亚波长光栅泄漏模的性质以及斜入射条件下亚波长光栅对TE 偏振光的反射特性,设计亚波长光栅方向反射镜。

利用二维时域有限差分方法(在x 方向引入周期边界条件)讨论亚波长光栅泄漏模的性质。图2(a )所示为一亚波长光栅TE 偏振光的色散曲线

,

图2(a )亚波长光栅T E 偏振光的色散曲线;(b )k x a /(2π)=0时两个模式的电场在光栅横截面的分布;

(c )不同Bloch 相位条件下光栅中电场的傅里叶分析图

Fig .2(a )Disper sion curve of the sub -w aveleng th g ra ting fo r T E po larization ;(b )electric fie ld distributio ns of the tw o

re so nant modes at the c ross section of the g rating a t k x a /(2π)=0;(c )Fo urier transfo rma tions of the electric fie lds in the g ra ting with diffe rent Bloch phases

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光 学 学 报30卷

模拟所用结构参量为t =0.55a ,f =0.38,n Si =3.48,n air =1。由图2(a )可见,在所计算的归一化频率[a /λ=ωa /(2πc )]区间内该结构存在两个泄漏模,图2(b )给出了当Bloch 相位k x a /(2π)=0时这两个模式的电场在光栅横截面(x -z 平面)的分布,图中虚线围成的区域的介质是硅(为了便于观察,将场分布图在x 方向扩展为3个光栅周期)。图2(c )为在不同Bloch 相位条件下光栅中电场(关闭激励源之后)的傅里叶分析图,由图2(c )可以看出,当Bloch 相位增大时两个泄漏模的Q 值(Q =ω0/Δω,ω0为模式的中心频率,Δω为模式的线宽)逐渐降低,模式的线宽随之展宽。

考虑斜入射条件下亚波长光栅TE 偏振光的反射特性。图3所示为在不同入射角度下亚波长光栅结构TE 偏振光的反射率与归一化频率的关系,模

拟所用结构参量与图2中相同。由于Bloch 相位与入射角之间的关系为

k x a /(2π)=(a /λ)sin θ,　(a /λ)sin θ≤0.5(1)因此,当入射角比较小时,对应Blo ch 相位很小,结构的两个泄漏模Q 值较高,反射谱中由泄漏模引起的共振峰的带宽很窄;而当入射角逐渐增大时,Bloch 相位增大,泄漏模Q 值降低,反射谱中两个共振峰的线宽逐渐增大。当入射角增加到一定角度(45°左右)时,这两个共振峰会形成一个平顶的宽带高反区域,如图3(f )所示。如此,该光栅结构在45°入射角附近可以用作宽带方向反射镜。通过控制光栅的结构参量,可以控制光栅泄漏模的频率与Q 值,从而设计出工作在不同入射角和不同频率范围的方向反射镜

。

图3不同入射角度下亚波长光栅T E 偏振光的反射谱

Fig .3Reflection spectra o f a sub -w aveleng th g ra ting fo r T E polarizatio n a t diffe rent incident ang les

2.2　亚波长光栅类布儒斯特角对于对称均匀平板结构(覆盖层和衬底折射率为n 1,平板层折射率为n 2),布儒斯特角(θB )的表达式为

θB =arctan (n 2/n 1).

(2)

类似地,可以定义亚波长光栅结构对TM 偏振光的反射率等于零(或接近于零)的入射角为亚波长光栅结构的类布儒斯特角。利用亚波长光栅在类布儒斯特角附近的反射性质,可以设计出具有很低旁带值的亚波长光栅滤波器[5,7]。但是对于折射率调制强度很大的亚波长光栅而言,其类布儒斯特角与均匀平板结构的布儒斯特角存在较大差别。图4(a )和4(b )所示分别为对称均匀平板结构以及

亚波长光栅结构TM 偏振光的反射率随入射角与

归一化频率的变化关系(图中反射率低于10-3的点的颜色被饱和),模拟所用光栅结构参量与图2中相同,对称均匀平板结构的参量为n 1=1,n 2=1.239(对应图2中光栅TM 偏振光的零阶等效折射率[7]),t =0.55a 。如图4(a )所示,对称均匀平板结构的布儒斯特角与频率无关(图中结构的布儒斯特角约为51.1°);同时由(2)式可知当n 2>n 1时,对称均匀平板结构布儒斯特角的值必须大于45°。但是对于亚波长光栅而言,其类布儒斯特角与入射频率有关,如图4(b )所示,随着入射频率的变化,该光栅的类布儒斯特角不断变化并出现跳变;同时由图4(b )还可以看出,亚波长光栅的类布儒斯特角可

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9期郭楚才等:　

亚波长光栅偏振分束器的研究

图4(a )对称均匀平板结构和(b )亚波长光栅T M 偏振光反射率随入射角与归一化频率的变化Fig .4Reflectiv ity of (a )a uniform slab a nd (b )a sub -w aveleng th gr ating fo r T M po lar ization as functio n

of incident ang le and no rmalized frequency

以小于45°,而且在部分频率区间内光栅可能不存在类布儒斯特角。需指出的是,在图4(b )中虚线所包围的区域内,由于满足条件(a /λ)sin θ+a /λ>1,光栅的覆盖层和衬底中将会产生高阶衍射级次的反射或透射光

[17]

。

2.3　

亚波长光栅偏振分束器

图5偏振分束器对T E 偏振光与T M 偏振光的反射谱Fig .5Reflectio n spectra of the polarizing beam splitter

fo r bo th T E and T M po lariza tions

由于亚波长光栅的方向反射镜工作角度和类布儒斯特角可以通过光栅的结构参量控制,因此,当这两个角度重合或接近时,亚波长光栅能够实现偏振分束器功能。基于此,可以设计出工作在不同角度的宽带偏振分束器。首先确定材料的折射率与入射角度;然后通过改变光栅的归一化厚度t /a 与填充比f ,使光栅对TE 偏振光的高反射区域与对TM 偏振光的高透射区域重合;最后通过工作波长确定光栅的周期。例如,对比图3(f )和图4(b )可以发现,当θ=45°时该光栅在归一化频率区间0.5～0.58附近对TE 偏振光的反射率接近于1而对TM 偏振光的反射率接近于零,因此该光栅可用于工作在45°附

近的偏振分束器。为了使该偏振分束器工作在1500nm 左右波段,取光栅周期a =800nm (通过改变

周期可以使偏振分束器工作在不同波段),图5为所设计的偏振分束器在入射角θ=45°时对TE 偏振光与TM 偏振光的反射谱,模拟所用参量a =800nm ,t =440nm ,f =0.38,n Si =3.48,n air =1,θ=45°。

3　偏振分束器的性能

为讨论偏振分束器的性能,分别定义偏振分束器的反射消光比(reflection E R )为TE 偏振光的反射率与TM 偏振光的反射率的比值;透射消光比(transmission ER )为TM 偏振光的透射率与TE 偏振光的透射率的比值。图6所示是入射角为45°时偏振分束器的消光比(ER )与入射波长的关系。模拟结果显示,在1390～1600nm 的波长范围内,偏振分束器的反射消光比与透射消光比都大于100(20dB )

。

图6入射角θ=45°时偏振分束器的消光比与

入射波长的关系

Fig .6Ex tinction ra tios of the polarizing beam splitte r as

a functio n o f wav eleng th at θ=45°

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光 学 学 报30卷

考虑入射角度对偏振分束器性能的影响。图7(a )和7(b )所示分别为入射波长等于1420nm 和1550nm 时,消光比与入射角度的关系。从中可以看到,当λ=1420nm 时,在43°～48°的入射角范围内,偏振分束器的反射与透射消光比都高于100,当λ=1550nm 时偏振分束的反射与透射消光比都高于100的入射角度范围为42.4°～48°。

最后利用二维时域有限差分方法模拟偏振分束器在高斯光束入射下的性能。图8(a )和8(b )所示分别为TE 与TM 高斯光束入射到偏振分束器时,坡印廷矢量在x -z 平面的稳态分布。其中从左上角入射到偏振分束器的高斯光束半径r G =5a (4μm ),波长λ=1550nm ,入射角θ=45°。由图8可以看出,当θ=45°时该偏振分束器可以将一束非偏振光分成两束出射方向相互垂直的偏振光。同时模拟结果显示当r G ≥6a 时TE 高斯光束的反射率与TM 高斯光束的透射比都大于99%(λ=1550nm )

。

图7(a )λ=1420nm 和(b )λ=1550nm 时偏振

分束器的消光比与入射角的关系

Fig .7Extinction ratio s of the po larizing beam splitter as a

function of the incident ang le when (a )λ=1420nm and (b )λ=1550

nm

图8(a )T E 高斯光束与(b )T M 高斯光束入射到偏振分束器时,坡印廷矢量的稳态分布F ig .8Steady -state distributio ns o f Poy nting vec to r o f the polarizing beam splitter illuminated by

(a )T E -polarized G aussian beam a nd (b )T M -po la rized G aussian beam

4　结 论

分别讨论了亚波长光栅方向反射镜与亚波长光栅的类布儒斯特角,设计出工作在45°入射角附近的单层亚波长光栅偏振分束器。该偏振分束器在较宽的波长范围内具有很高的消光比;而且具有相对较大的入射角度容差,能够在光斑半径很小的光束入射下保持很好的性能。与此同时,该偏振分束器结构简单、紧凑,可以与其他微型光学或光电器件实现单片集成,在微光学集成系统和微光机电系统等领域有很好的应用前景。

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第30卷　第9期光　学　学　报 V ol .30,N o .9 2010年9月 ACTA OPTICA SINICA September ,2010 文章编号:0253-2239(2010)09-2690-06 亚波长光栅偏振分束器的研究 郭楚才　叶卫民　袁晓东　曾　淳　季家镕 (国防科学技术大学光电科学与工程学院,湖南长沙410073) 摘要　利用单层亚波长硅光栅结构设计出工作在近红外波段的偏振分束器。该偏振分束器在45°入射角附近对T E 偏振光具有很高的反射率同时对T M 偏振光具有很高的透射率,其设计原理是基于亚波长光栅的泄漏模共振效应以及类布儒斯特效应。利用散射矩阵方法和时域有限差分方法对偏振分束器进行设计和分析。模拟结果显示,该偏振分束器在1390～1600nm 的波长范围内的反射与透射消光比大于100;同时该偏振分束器具有相对较大的入射角度容差,在有限尺寸高斯光束入射下能保持很好的性能。 关键词　光栅;偏振分束器;散射矩阵方法;亚波长光栅;泄漏模共振效应;类布儒斯特效应中图分类号　O436 文献标识码　A do i :10.3788/AO S 20103009.2690 Re se arch on Sub -Wavelength Grating Polarizing Beam Splitter Guo Chucai Ye Weimin Yuan Xiaodong Zeng Chun Ji Jiarong (College of Optoelectric Science and Engineering ,National University of D efense Technology , Changsha ,Hunan 410073,China ) Abstract A near -infrared (NIR )polarizing beam splitter is designed based on a single layer sub -wavelength silicon grating ,which is reflective for TE polarization and transparent for TM polarization around the incident angle of 45°.The design of the proposed beam splitter is based on the leaky -mode resonance effect and Brewster -like effect of the sub -wavelength grating .Scattering matrix method and finite -difference time -domain method are utilized to design and analyse the structure .Sim ulation results show that both the reflection and transmission extinction ratios of the beam splitter are over 100in the wavelength range of 1390～1600nm .Moreover ,the polarizing beam split ter has a relative big angular tolerance and the effic iency of the beam splitter under the illumination of a Ga ussian beam with finite size is very high . Key word s gratings ;polarizing bea m splitter ;scattering matrix method ;sub -wavelength grating ;leaky -mode resonance effect ;Brewster -like effect 收稿日期:2009-10-26;收到修改稿日期:2009-12-04 作者简介:郭楚才(1981—),男,博士研究生,主要从事纳米光子学方面的研究。E -mail :g cc 1981@y ahoo .com .cn 导师简介:季家镕(1946—),男,教授,博士生导师,主要从事集成光学方面的研究。E -mail :jijiaro ng @ho tmail .co m 1　引 言 偏振分束器是光网络和光信息系统的关键元件,它可以广泛应用于自由空间光开关、磁光数据存储以及偏振成像系统等。传统的偏振分束器主要利用具有双折射效应的天然晶体或者多层膜结构来实现偏振分束。由于天然双折射晶体体积大,无法实现微型化和集成化;多层膜结构与天然晶体偏振分束器相比,其厚度大大减小,但是需要堆积的薄膜层数很多,制备过程相对复杂,因此这两种偏振分束器的应用都受到很大的限制。 近年来,具有特殊衍射特性的亚波长光栅日益受到人们的关注,已被广泛用于设计宽带反射镜[1～3]、法布里-珀罗腔[4] 、滤波器[5～10] 、探测器[11] 与防伪结构[12]等光学元器件,偏振分束器也不例外。例如,Deer Yi 等[13]提出了基于全反射的亚波长光栅偏振分束器,该结构具有很宽的工作带宽,但是因其覆盖层和衬底材料都需要很高折射率的介质,限制了该结构的应用范围;Y .Zhang 等[14]提出了一种双层堆栈结构分束器,该结构具有很大的入射角容差,但是其工作带宽较窄且消光比相对较低。

基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE_TM偏振分束器

47, 051301 (2010) ?2010 中国激光杂志社doi: 10.3788/lop47.051301 基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的 TE/TM偏振分束器 王剑威戴道锌时尧成杨柳 (浙江大学现代光学仪器国家重点实验室光及电磁波研究中心，浙江 杭州 310058)摘要利用有限元方法和时域有限差分方法，优化设计了一种结构紧凑的基于绝缘体上硅脊型纳米线光波导方向耦合器的TE/TM偏振分束器。考虑到方向耦合器的波导间隙较小时制作工艺较为困难，且模式失配会引入一些损耗，因此波导间隙取约100 nm较为合适。通过优化脊型纳米线光波导的几何尺寸(脊高和脊宽)、耦合区波导间隙，使得偏振分束器长度最短。数值计算结果表明经过优化的偏振分束器最短长度大约为17.3 μm，偏振分束器的消光比大于15 dB时，波导宽度制作容差为－20～10 nm，带宽约为50 nm。 关键词集成光学；偏振分束器；方向耦合器；绝缘体上硅 中图分类号 O436 OCIS 130.5440 230.1360 文献标识码 A Design of Compact TE/TM Polarization Beam Splitter Based on Silicon-on-Insulator Ridge Nanowire Directional Coupler Wang Jianwei Dai Daoxin Shi Yaocheng Yang Liu (Centre of Optical and Electromagnetic Research, State Key Laboratory for Modern Optical Instrumentation, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China) Abstract A compact TE/TM polarization beam splitter (PBS) based on a silicon-on-insulator (SOI) ridge nanowire directional coupler is designed and optimized by using a finite-element method (FEM) and a finite difference time domain (FDTD) method. Considering the fabrication precision and the mode mismatching loss in a directional coupler, a gap width about 100 nm is chosen. The ridge height, the ridge width and the gap of two parallel nanowires are optimized to have the shortest length for the polarization splitter. The numerical simulations show that the optimized PBS has a short length of about 17.3 μm, and the waveguide width has a fabrication tolerance of about－20~10 nm, and the bandwidth is about 50 nm when the extinction ratios for both polarizations are larger than 15 dB. Key words integrated optics; polarization beam splitter; directional coupler; silicon-on-insulator 1 引言 近年来，基于绝缘体上硅(SOI)材料的硅纳米线光波导已成为集成光学领域的研究热点。硅纳米线光波导具有折射率差大、弯曲半径小(约2 μm)、与CMOS制造工艺兼容、可实现超高集成度等优点[1,2]。目前已经研制了很多种超小尺寸硅纳米光波导器件，如阵列波导光栅[3,4]、微环谐振器[5,6]、功分器[7,8]等。偏振 收稿日期：2009-08-02; 收到修改稿日期：2009-11-23 基金项目：国家自然科学基金(60607012)(和浙江省自然科学基金(J20081048))资助课题。 作者简介：王剑威(1986—)，男，硕士研究生，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: wangjianwei@https://www.wendangku.net/doc/4f16504324.html, 导师简介：戴道锌(1979—)，男，博士，副教授，主要从事硅基集成光子器件及其在光通信、光传感以及光互联等方面的研究。E-mail: dxdai@https://www.wendangku.net/doc/4f16504324.html,(通信联系人)

【CN109814205A】一种偏振分束器【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910177659.7 (22)申请日 2019.03.09 (71)申请人 珠海市杰威光电科技有限公司 地址 519000 广东省珠海市香洲区福田路 18号1栋3层315-41 (72)发明人 肖俊鹏　 (74)专利代理机构 北京联瑞联丰知识产权代理 事务所(普通合伙) 11411 代理人 张清彦 (51)Int.Cl. G02B 6/27(2006.01) G02B 6/32(2006.01) (54)发明名称 一种偏振分束器 (57)摘要 本发明提供了一种偏振分束器，包括第一光 纤头、第一透镜、第二透镜、双折射晶体以及第二 光纤头；所述第一光纤头由一根光纤和毛细管或 陶瓷插芯组成，所述双折射晶体设置在所述第一 光纤头的另一侧，所述第一透镜设置在所述双折 射晶体的另一侧，所述第二透镜设置在所述第一 透镜的一侧，所述光第二光纤头设置在所述第二 透镜的另一侧，所述第二光纤头由双光纤和双芯 毛细管或陶瓷插芯组成，本发明通过上述结构， 通过设置双折射晶体的方式无需设置渥拉斯顿 棱镜或PBS棱镜，解决了渥拉斯顿棱镜及PBS棱镜 成本过高和采用渥拉斯顿棱镜需要精确匹配角 度导致的低效率的问题，同时也可以使得偏振分 束器可以更加紧凑更加小型化，并且由于双折射 晶体可同时实现光线集束及分束的功能，所以本 发明还可通过切换光纤的输入输出方向实现合 束器功能， 扩宽了本发明的适用场景。权利要求书1页 说明书3页 附图2页CN 109814205 A 2019.05.28 C N 109814205 A