[發明專利]金屬/介質多層薄膜結構10.6μm紅外波段的光極化分離器

無效

• 申請號: 200910025095.1
• 申請日: 2009-02-18
• 公開（公告）號: CN101477287A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 趙林;馮一軍;左鈺;郝玙;姜田
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G02F1/29
• 分類號: G02F1/29
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明涉及一種10.6μm紅外波段光極化分離器，屬于信息光學技術領域，是用于使不同極化的光波沿不同光路傳播而達到分離效果的光學器件。

背景技術：

在光通訊交換、光信息測量和光耦合等諸多光學系統中，日益要求設備向著體積小、重量輕的方向發展。光極化分離器是這些光學系統中的基礎器件。傳統的光極化分離是采用光波導傳播的方式來實現，對于光波導的尺寸和形狀有著極其嚴格的要求。10.6μm紅外激光在軍事、科研等領域應用廣泛，這一波段對于傳統的光極化分離器件有著很高的工藝要求，成為制約該波段光學設備往小型化發展的一個瓶頸，限制了光學設備在一些特殊環境下的應用(如激光制導)。

發明內容：

發明目的：本發明針對現有技術的不足，提供一種高效的10.6μm紅外波段光極化分離器，該光極化分離器完全屏棄了光波導傳播的方式，而是根據等效介質理論，采用金屬/介質多層薄膜結構來實現極化分離，同時保證該分離器呈平面結構，具有低剖面的優點。

技術方案：本發明所述的10.6μm紅外波段光極化分離器的理論基礎是等效介質理論，在二氧化硅基底上由碳化硅薄膜和二氧化硅薄膜交替構成；一層碳化硅薄膜和一層二氧化硅薄膜的組合單元的厚度應遠小于波長(至多為波長的1/4)，且至少要20個單元；碳化硅薄膜和二氧化硅薄膜的厚度具有一個合適的比例α；極化分離器中相同材料的薄膜厚度相等，并根據α選取一個合適的薄膜取向θ。當一束圓極化10.6μm紅外激光從極化分離器的一側垂直入射時，TE波分量的光波在該結構中會沿著薄膜的取向進行無反射傳播，從而產生明顯的波束平移效果，而TM波分量則幾乎沒有平移，這樣就起到了極化分離的效果。在不考慮損耗的情況下，TE波的透射系數為1，TM波的透射系數為0.9301。在實際情況下，由于碳化硅薄膜是有耗材料，兩種極化波存在微弱衰減，但此衰減可以通過增加入射波功率進行補償或通過減少光極化分離器整體厚度進行控制。

TE波分量平移量越大，極化分離效果越明顯。平移量的調節可以有兩種方式：一、光極化分離器整體厚度不變，通過調節α使得薄膜取向具有更大的傾角，此方法可用于對光波衰減要求較高的情況；二、薄膜取向不變，增加光極化分離器整體厚度，此方法可用于對光波衰減要求不高的情況。

有益效果：本發明與現有10.6μm波段光極化分離器相比，其顯著優點是：1、結構簡單，呈現平面結構，具有低剖面，小體積，并可與其他相關光信息處理器件方便地集成在一片基片上，實現共形；2、工藝水平要求相對較底，均為微米級蝕刻和光學鍍膜等標準微電子平面工藝；3、適應性強，可以根據不同情況用不同方法實現TE波分量平移量的調節。

附圖說明：

圖1是本發明的光極化分離器結構主視圖。

圖2是本發明的光極化分離器結構后視圖。

圖3是本發明的光極化分離器結構側面方向的剖視圖。

圖4是本發明的光極化分離器在不考慮損耗情況下的TE波透射仿真結果。

圖5是本發明的光極化分離器在不考慮損耗情況下的TM波透射仿真結果。

圖6是本發明的光極化分離器在考慮實際損耗后圓極化波的透射仿真結果。

在所有的上述附圖中，相同的標號表示具有相同、相似或相應的特征或功能。

具體實施方式：

下面結合附圖，通過具體的實施例詳細說明本發明的技術方案。

實施例1：首先參考圖1～4描述的本發明的光極化分離器的結構圖。

二氧化硅基底(1)的上面是碳化硅薄膜(2)和二氧化硅薄膜(3)交替組合的多層薄膜結構。多層結構中，碳化硅薄膜(2)和二氧化硅薄膜(3)的厚度具有一個合適的比例α，且相同材料的薄膜厚度相等。一個碳化硅薄膜(2)和二氧化硅薄膜(3)組合單元的厚度應遠小于所應用波段的波長，且至少要20個單元。薄膜的取向θ由α確定。

首先我們在不考慮損耗的情況下進行了基于有限元方法的全波電磁仿真。取10.6μm紅外波段碳化硅介電常數的實部ε₁＝0.44，二氧化硅的介電常數ε₂＝3.92。一個組合單元的總厚度為2.4μm，其中碳化硅薄膜和二氧化硅薄膜的厚度比α＝2:1。根據α＝2:1求得θ＝38.33°。多層結構的總厚度為20μm。

圖4是TE波透射仿真結果。TE波透射系數理論計算值為1，仿真值為0.9998。TE波完全透射，并且在多層結構中延薄膜取向傳播，產生明顯平移。

圖5是TM波透射仿真結果。TM波透射系數理論計算值為0.9301，仿真值為0.9117。TM波的絕大部分能量也透射過去，但未見明顯平移。