Applied Physics
Vol.06 No.12(2016), Article ID:19265,8 pages
10.12677/APP.2016.612034

A Polarizing Beam Splitter Based on Micro-Nano Multi-Subparts Resonant Grating

Huaming Wu1,2*, Wenbo Xiao1,2, Xianshuang Liu1,2, Yongsheng Xiao3, Lizhen Huang3, Linfei Ma1,2, Yuexia Ding1,2, Jing Zeng1,2

1National Engineering Laboratory for Non-Destructive Testing and Optoelectronic Sensing Technology and Applications, Key Laboratory of Non-Destructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Jiangxi

2Jiangxi Engineering Laboratory for Optoelectronics Testing Technology, School of Measuring and Optical Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang Jiangxi

3School of Information Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang Jiangxi

Received: Nov. 28th, 2016; accepted: Dec. 13th, 2016; published: Dec. 16th, 2016

Copyright © 2016 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

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ABSTRACT

Due to the different diffraction properties of gratings for TE and TM polarized wave, in this study, using the silicon based micro-nano multi-subparts resonant grating, we propose a high performance polarizing beam splitter (PBS). The properties of the grating PBS are investigated by rigorous coupled-wave analysis. It is shown that, over a broadband spectrum of 1.53 ~ 1.62μm (C + L band), the grating PBS demonstrates high diffraction efficiency (>97%) with extinction ratio (ER) greater than 16 dB and a comparatively wide angular bandwidth (about 8˚). Effects of deviation from the design parameters on the performance of the grating PBS are also presented.

Keywords:Diffraction and Gratings, Polarizing Beam Splitters (PBSs), Leaky-Mode Resonance (LMR)

微纳多齿谐振光栅偏振分束器的研究

吴华明1,2*,肖文波1,2,刘宪爽1,2,肖永生3,黄丽贞3,马林飞1,2,丁月霞1,2,曾静1,2

1无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室、无损检测技术教育部重点实验室,江西 南昌

2江西省光电检测技术工程实验室、南昌航空大学测试与光电工程学院,江西 南昌

3南昌航空大学信息工程学院,江西 南昌

收稿日期:2016年11月28日;录用日期:2016年12月13日;发布日期:2016年12月16日

摘 要

由于光栅对于TE和TM偏振光表现出不同的衍射性质,据此,基于硅基微纳多齿谐振光栅,我们设计了一种高性能的偏振分束器。严格耦合波理论分析方法表明,在C + L (1.53~1.62 μm)宽谱范围内,此器件拥有衍射效率大于97%,消光比大于16 dB,以及角度带宽为8˚等的优越性能。此外,我们还考察了结构参数变化对此光栅偏振分束器性能的影响。

关键词 :衍射光栅,偏振分束器,泄露模谐振

1. 引言

偏振分束器(polarizing beam splitter, PBS)是一种能将非偏振光分解成两束正交偏振光的功能元件 [1] ,它在磁光数据储存 [2] ,光通信 [3] ,光路由以及成像 [4] 等系统中有重要应用价值。近年来,随着微细加工技术及微纳集成光学的发展,目前集成光学器件已经开始大规模在光学系统中使用了,这反过来又要求光学元器件朝着尺寸小,能耗低,易于集成方向发展。而传统的偏振分束器(如Wollaston棱镜,Nicol棱镜,Glan-Thomson棱镜等)大多体积大、厚重且难与集成光路兼容;而以多层介质膜为基础的偏振分束器需要很多层的介质膜才能获得较高的消光比,而且需要特定的输入角度,其角度带宽小,光谱范围窄 [5] 。

另一方面,随着微纳加工技术的成熟和光栅理论的不断发展,以及光栅的衍射特性表现出强烈的偏振相关性,因此,研究者认为光栅,尤其是亚波长光栅是实现偏振分束的一种重要手段。据此,研究者先后提出了几种不同的光栅偏振分束器:一是能同时反射TM偏振光和TE偏振光的光栅偏振分束器 [6] ;二为能同时透射TM和TE偏振光的光栅偏振分束器 [7] ;三是反射TM (或TE)、透射TE (或TM)偏振光的光栅偏振分束器 [8] 。

为了更进一步提高偏振分束器性能,根据光栅的特点,研究者又提出了形态各异的光栅偏振分束器。如,2007年,周治平教授课题组报道了一种基于双层二元闪耀光栅的偏振分束耦合器,分析表明,该结构上层光栅TE波的耦合效率为58%,下层TM波的耦合效率为50% [9] 。同年,浙江大学何赛灵教授课题组报道了一种大角度的光栅偏振分束器 [10] ,此器件采用了双光栅堆叠的结构,上下两层光栅错开半个周期,从而达到反射TE光,透射TM光的目的。后来,华中科技大学的邵士茜等提出了一种基于slot 刻槽光栅的偏振分束器,该结构在1530 nm~1630 nm波长范围内,器件的偏振消光比大于15 dB [11] 。最近,武汉大学的郑国兴等基于类似于二维光栅的硅基纳米砖块阵列结构(silicon nanobrick arrays)报道了一种高性能的偏振分束器,其对反射光的反射率约为98.5%,而对透射光的透射率约为94.3% [12] 。

由上述分析可知,以上的光栅偏振分束器在带宽、结构简单性或制作工艺等方面存在不足,不能完全适应现代集成光学发展要求。一直以来,研究者希望能有一种高性能偏振分束器,其结构简单、易于集成、消光比大、效率高及角度带宽大。然而,目前这个问题还没得到很好的解决。鉴于此,本文中,我们设计了一种基于单层多齿亚波长谐振光栅的偏振分束器,基于泄露模谐振现象,此器件在较宽的波段范围内显示出衍射效率高,消光比大,相对较大的角度带宽等优越性能。

2. 器件结构设计及结果分析

图1所示,为此多齿亚波长谐振光栅偏振分束器结构示意图。一束平面单色光垂直照射到此结构上,通过光栅层,TE和TM光在0级分别被高效的反射和透射,从而实现偏振分束的目的。此多齿亚波长光栅是由如下参数定义的:光栅周期(T),厚度(tg)以及光栅跳变点(x1, x2, x3)。本文中,我们假定光栅在y方向上是无限延伸的,组成光栅的介质材料是无损耗的,且材料的色散也忽略不计。我们采用严格耦合波分析方法 [13] [14] [15] 结合粒子群优化算法 [16] [17] 对此结构进行优化设计,其优化参数列在图1下面的题图说明中。

为了衡量光栅偏振分束器的性能指标,有如下参数需要确定 [18] :光栅衍射效率,消光比,带宽以及角度带宽。对于图1所示的结构,为了达到偏振分束的目的,其TE偏振光的0级反射率和TM偏振光的0级透射率应该比较高。

另外,此分束器的消光比(extinction ratio, ER)定义为 [19] :

(1)

其中,

, (2)

分别为0级TE和TM波的消光比,单位为分贝(dB)。

图2(a)所示为此光栅偏振分束器频谱特性曲线图。如图所示,在1.53到1.62 μm宽谱范围内,此器件TE波的反射率大于99% (R0 > 99%),而TM波的透射率大于97% (T0 > 97%)。为了清楚的说明此器件高衍射效率及宽带特性的物理根源,我们画出了其透射率的对数坐标图形。如图2(b)所示,在1.51 μm处,TE波存在一个透射谷点,其对应着一个泄漏模谐振点 [20] 。这表明,此器件的高反射效率及宽带特性来源于TE波的泄漏模谐振。理论分析表明,谐振时,在光栅衍射反射谱中,其0级反射率几乎将近

Figure 1. Schematic of a multi-subpart resonant grating PBS. T, tg, and x1 to x3 denote the grating period, thickness, and transition points, respectively. The incidence medium is air, and the substrate is silica. The parameters are: nair = 1.0, nSi = 3.48, nsilica = 1.47, x1 = 0.13, x2 = 0.44, x3 = 0.77, T = 1.04 μm and tg = 0.9 μm

图1. 多齿谐振光栅偏振分束器结构示意图。T,tg,x1到x3分别表示光栅周期,厚度以及跳变点。入射介质为空气,基底为二氧化硅。介质折射率及光栅优化参数如下:nair = 1.0, nSi = 3.48, nsilica = 1.47, x1 = 0.13, x2 = 0.44, x3 = 0.77, T = 1.04 μm及tg = 0.9 μm

(a) (b)

Figure 2. Spectra of a broadband PBS structure shown in Figure 1. (a) Reflectivity spectra response of the PBS. (b) Transmissivity of the PBS at log scale. The resonance wavelength is 1.51 μm

图2. 图1所示宽带偏振分束器频谱特性图。(a) 偏振分束器的反射谱响应曲线。(b) 偏振分束器对数坐标透射谱响应曲线。此器件在1.51 μm处,TE波发生谐振

100%,反射波和透射波发生高效的能量交换 [21] 。从本质上来说,泄漏模谐振的发生是源于入射光与光栅中的泄漏模相位相匹配 [22] 。另外,由图2(b)我们也可以看出,此结构TM波的透射率接近1,与图2(a)所示结果比较吻合。

此外,此器件高反射率及宽带特性还与构成材料的高折射率差及顶层光栅调制性质有关 [23] [24] 。高折射率差(high-index-contrast)光栅层能够扩展谐振区域,从而有利于高反射率、宽带特性的形成。而且,顶层多齿光栅能够有效防止光栅偏振分束器泄漏模的快速衰逝,这能大大增加TE偏振光获得宽带、高反射率的可能性,增强此器件的性能。

接下来,我们来考察此结构的另一个性能指标——消光比。如图3所示,为此光栅偏振分束器消光比随波长变化曲线。在1.53~1.62 μm波段范围内,此结构0级TE光()和TM光()的消光比分别大于16和20 dB。另外,数值结果还表明,在此波段范围内,TM光的消光比要大于TE光的相应值,这得益于TE波极低的透射率[如图2(b)所示]。在谐振点,TM光的消光比甚至大于37 dB。图3也表明,此器件能很好的工作于1.53~1.62 μm波段范围内,且TM波的工作性能要好于TE波。

光栅偏振分束器衍射效率随入射角度的变化也是一个衡量器件性能的重要参考指标,鉴于此,我们还考察了此器件的角度响应谱。如图4所示,此分束器在−4˚~4˚角度范围内,TE和TM偏振光的衍射效率都大于95%,这相对较宽的0衍射级角度带宽,使得在微光学系统中遇到的对准问题变得相对简单些。

由于时域有限差分(finite-difference time-domain method, FDTD)算法是分析和设计微纳结构强大且精确的数值算法,为此,我们采用了FDTD算法验证了此结构。在1.57 μm处,假定此器件被一束平面单色光垂直照射,经光栅分束,TE和TM偏振光分别被高效的反射和透射,如图5所示,从而验证了此结构的正确性。

3. 参数分析

本小节,我们将重点讨论此光栅偏振分束器的工艺容差性,即考察参数变化对其性能的影响,具体来说,即是研究光栅周期,厚度以及调制形状变化对此器件性能的影响。

图6所示为光栅周期及厚度变化对此器件性能的影响。如图6(a)所示,随着光栅周期的增大,分束器反射谱将向长波长移动,这是由于谐振位置受光栅周期影响所致 [20] 。

Figure 3. Extinction ratio (ER) of the grating PBS as a function of incident wavelength

图3. 消光比随波长变化曲线

Figure 4. Angular spectrum of the grating PBS at the wavelength of 1.57 μm

图4. 在1.57 μm处,光栅偏振分束器反射率随角度变化曲线

(a) (b)

Figure 5. Simulation results at 1.57 μm. (a) TE and (b) TM polarized input wave

图5. 在1.57 μm处FDTD模拟结果。(a) TE和(b) TM偏振输入光

此外,我们还考察了调制形状工艺误差对光栅偏振分束器性能的影响。如图7所示。调制形状参数的变化能使得此器件的性能变差。这是因为,除了光栅调制度之外,泄漏模谐振的状态还受调制形状的影响 [25] 。调制形状的变化能破坏泄漏模的缓慢衰逝状态及谐振位置的交叠,从而使得此器件的性能变差。

4. 小结

本文中,我们重点讨论了一种高性能的微纳多齿谐振光栅偏振分束器。

理论分析表明,在90 nm (1.53~1.62 μm)宽谱范围内,此器件表现出高的衍射效率,大的消光比以及相对较大的角度响应谱等优越性能,此性能源于构成材料的高折射率差以及多齿光栅层。

此外,我们也考察了器件参数变化对反射谱的影响。理论分析表明,光栅周期或厚度变化20 nm范围内,其对分束器衍射效率影响很小,这点有利于此器件的工艺制作;然而,该器件对调制形状参数变化比较敏感,这点需要在工艺制作过程中加以注意,要合理安排工艺流程,尽量减小调制形状工艺误差。

我们设计的偏振分束器只需一层简单的亚波长光栅,这使得它能在比较宽的波段范围内易于与其他

(a) (b)

Figure 6. Spectra for the structure with variations in period and thickness. (a) Spectra for structure with variation in period. (b) Spectra for structure with variation in thickness

图6. 光栅周期及厚度变化对器件性能的影响。(a) 光栅周期变化对反射谱的影响。(b) 光栅厚度变化对反射谱的影响

(a) (b)

Figure 7. Spectra for the grating PBS with variation in modulation profile. Spectra for the structure with differing (a) the first high-index binary block (x1) and (b) the second high-index binary block (x3)

图7. 调制形状变化对光栅偏振分束器性能影响。(a) 第一二元块(x1)及(b) 第二二元块(x3)尺寸变化对器件性能影响

器件集成 [26] 。该光栅偏振分束器可以广泛的应用于通信系统路由和开关等器件中。

致谢

本文作者非常感谢评审专家在论文评审过程中给予的很好的建议,我们也非常感谢南昌航空大学无损检测与光电传感技术及应用国家地方联合工程实验室微纳光电器件及材料小组提供的有益帮助。

基金项目

国家自然科学基金(11264031),江西省青年科学基金重大项目(20143ACB21011),江西省自然科学基金(20151BAB207054, 20114BAB201019),南昌航空大学研究生创新专项基金(YC2015042),南昌航空大学博士启动基金(EA201008232)资助项目。

文章引用

吴华明,肖文波,刘宪爽,肖永生,黄丽贞,马林飞,丁月霞,曾 静. 微纳多齿谐振光栅偏振分束器的研究
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