1 引言

通常情况下,光栅对横电(TE)和横磁(TM)偏振光会表现出不同的衍射性质。根据这一性质,基于单层微纳多齿谐振光栅,本课题组设计了一种双功能偏振分束器^[1]。当光垂直入射时,对于TE偏振光,该双功能偏振分束器在1.46~1.58 μm宽谱范围内的反射率大于97%;而对于TM偏振光,其在1.55 μm波长处能够实现50∶50的反射和透射分束比。王志文等^[2]基于等效介质理论分析了单层亚波长金属光栅的偏振透射现象以及光栅参数对偏振透射的影响。有时,光栅的偏振敏感性会限制光栅器件的进一步应用。例如,光信号在光纤传输中的不确定性以及太阳光偏振状态的不确定性,使得对偏振状态敏感的光栅器件在光通信系统及太能电池中的应用受到了限制^[3]。为了解决这一问题,Shokooh-Saremi课题组^[4]基于绝缘体上硅(SOI)材料系统,利用亚波长光栅的泄漏模谐振特性设计了一种宽带偏振无关光栅分束器。之后,该课题组还设计了一种基于谐振光栅二分之一波带片的宽带偏振无关光栅反射镜^[5]。在1500~1600 nm波段范围内,该光栅反射镜对TE和TM偏振光的反射率均大于99%,表现出了较好的偏振无关性能。2010年,Peters等^[6]报道了一种偏振无关的微纳二维光栅谐振滤波器,它对TE和TM偏振光的反射率均大于90%。2011年,Chen等^[7]基于SOI材料系统,利用微纳二维强调制光栅设计了一种高性能的偏振无关光栅耦合器,它的耦合效率可达64%以上,3 dB带宽为65 nm,但此耦合器的结构过于复杂,对制作工艺要求比较高。2010年,Shao等^[8]报道了一种基于T型结构的偏振无关光栅耦合器,在1510~1580 nm波长范围内,它的偏振相关损耗低于0.05 dB,耦合效率高于50%,实现了高效率、偏振无关的耦合功能。2011年,Wu等^[9]报道了一种基于SOI材料系统的二元闪耀光栅结构偏振无关窄带滤波器,它在谐振波长处的反射率大于99%。2014年,Zhang等^[10]报道了一种具有多层光栅结构的宽带偏振无关光栅反射镜,在248 nm带宽范围内,它对TE和TM偏振光的反射率均大于99.5%。2016年,Liu等^[11]提出了一种亚波长光栅结合刻槽波导结构的偏振无关方向耦合器,在中心波长1550 nm处,该耦合器对TE光的耦合效率为97.4%,对TM光的耦合效率为96.7%。

硅基微纳光子器件是实现低成本、大规模集成光电回路的重要元器件^[12-13]。与单齿均匀光栅相比,多齿光栅在设计自由度、操控光栅区域光场分布、控制光栅中泄漏模的衰逝、实现宽谱及大角度响应等方面具有巨大优势^[14]。目前对于偏振无关器件的探索还存在一些不足,如结构复杂,对工艺制作要求高,对入射角度敏感及带宽窄等。因此,基于硅材料系统,利用多齿光栅的独有特性,本课题组设计并制作了一种高性能的偏振无关光栅反射镜。对于TE和TM偏振光,该反射镜能在较宽的频谱范围内实现较高的反射率和较低的偏振相关损耗,这使得它在太阳能电池及光通信系统等方面具有重要的应用价值。

2 结构设计及器件的制备与测试

2.1 结构设计

图1为设计的多层多齿光栅偏振无关反射镜的结构示意图。其中,x₁、x₂、x₃、x₄、x₅为跳变点,t_g为光栅厚度,t_m为中间层厚度,t_b为缓冲层厚度;I、R和T分别表示入射光、反射光和透射光,入射介质为空气,基底为硅。一束平面单色光以0°入射角照射到此结构上,通过此结构,TE和TM偏振光在0级都能被高效地反射,从而实现了偏振无关的目的。在设计中,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,且材料的色散忽略不计。材料的折射率参数如下: n_air=1.0,n_Si=3.48,n_silica=1.47。

图 1. TE和TM偏振光垂直入射时多层偏振无关光栅反射镜的结构示意图

Fig. 1. Schematic of a multilayered polarization independent grating reflector under normal incidence with TE and TM polarization light

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对于图1所示的结构,为了达到目的,需要对光栅周期Λ、t_g、t_m以及跳变点进行优化。而对于入射角度θ、t_b及材料的折射率,则可根据实际情况先给定合适的值。拟采用严格耦合波分析方法^[15-16]结合粒子群优化算法^[17-18]对图1所示的结构进行设计和优化。

根据粒子群优化算法,选定Λ、t_g、t_m以及光栅跳变点进行优化。因此,定义X=[Λ t_gt_mx₁x₂x₃x₄x₅]为粒子。

适应度函数取最小均方误差函数:

F=1M∑λi[Rdesired(λ)-Rdesign(λ)]12,(1)

式中R_desired(λ)为要求的反射率,R_design(λ)为根据粒子群优化算法及严格耦合波分析法计算得到的反射率,M为波长取样点数,λ为波长。

据此算法,优化得到的参数如下:x₁=0.37,x₂=0.5,x₃=0.58,x₄=0.8,x₅=0.9,Λ=1 μm,θ=0°,t_g=0.64 μm, t_m=0.04 μm,t_b=1 μm。

2.2 器件制备

由于所设计的器件尺寸为纳米量级,常规的光刻工艺很难保证器件尺寸的精度,因此拟采用电子束光刻技术进行制备。首先在SOI基片上涂覆一层光刻胶,再通过电子束曝光和显影得到光栅的电子束光刻胶图形,然后利用感应耦合等离子(ICP)刻蚀技术将光栅的光刻胶图形转移到基片的上层硅芯层,去除残余的光刻胶后即可得到光栅器件^[19]。

在器件的制备过程中,电子束光刻和ICP刻蚀工艺最为关键,电子束光刻工艺中的曝光剂量采用240 μC·cm^-2。在ICP刻蚀工艺过程中,为了减弱侧向刻蚀,采用Bosch工艺在刻蚀光栅的侧向边壁沉积一层抗刻蚀的保护层,这一过程是通过交替转换刻蚀气体和保护气体实现的。采用扫描电镜(SEM)观察器件的形貌,如图2所示。

图 2. 器件的SEM形貌

Fig. 2. SEM image of the reflector

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2.3 性能测试及结果分析

为了对理论设计进行实验验证,对图2所示的器件进行性能测试,主要测试器件的反射谱、角度谱、插入损耗以及偏振相关损耗。器件的测试流程大致为:从可调谐激光器输出的光经显微物镜准直、扩束后,再经偏振片形成TE或TM偏振光,最后聚焦到样片上,经样片反射的光经透镜再到分束器,之后被反射到另一个显微物镜,最后经单模光纤输入到光功率计中。在测试中,为了消除实验元件(如可调谐激光器、显微物镜等)损耗对测试结果的影响,将测得的银镜反射率(在1.1~20 μm范围内,反射率不低于98.5%)作为参考值。样片的测试结果是根据银镜的反射率推算得到的。

图3(a)显示了该偏振无关反射镜的理论反射谱线和实验反射谱线。理论分析表明:对于TE偏振光,在1.54~1.84 μm波段范围内,器件的反射率大于0.99,而实验测得器件在1.56~1.8 μm范围内的反射率大于0.97;对于TM偏振光,器件在1.62~1.76 μm波段范围内的反射率大于0.99,而实验测得在1.65~1.72 μm波段范围内的反射率大于0.97。为了清楚地显示该器件的高反射率和宽带特性,给出了对数坐标下的透射谱线。由图3(b)可以看出:在1.55 μm和1.80 μm处,TE波各存在一个透射谷点,其分别对应着一个泄漏模谐振点^[20],表明此器件的高反射率及宽带特性来源于这两个泄漏模谐振点的共存及相互作用;TM偏振光在1.63 μm和1.71 μm处各存在一个泄漏模谐振点,它们的共存及相互作用也会造成此器件的高反射率及宽带特性;在所关注的波段范围内(1.62~1.76 μm),TE和TM偏振光泄漏模谐振的共存及相互作用造成了此器件的偏振无关特性。

图 3. TE和TM偏振光垂直入射时器件的(a)反射谱和(b)透射谱

Fig. 3. (a) Reflectance and (b) transmittance spectra of the reflector normally illuminated by both TE and TM polarized light

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此外,泄漏模谐振的共存及相互作用还与构成材料的高折射率差及顶层多齿光栅的性质有关。高折射率差的光栅层能够扩展谐振区域,从而有利于高反射率和宽带特性的形成;而且,顶层多齿光栅能够有效防止TE和TM偏振光泄漏模的快速衰逝,这大大增加了TE和TM偏振光获得宽带、高反射率的可能性;高折射率的中间层与光栅层共同起着波导的作用,能增大对泄漏模场的限制能力,从而增加高反射率带宽。如图4(a)所示,对于TE偏振光,40 nm厚的中间层能够将高反射率(大于0.99) 区从70 nm(1.51~1.64 μm)扩展到300 nm(1.54~1.84 μm)。而对于TM偏振光,中间层同样也能增强器件的性能,如图4(b)所示。

图 4. (a)TE和(b)TM偏振光入射时有无中间层器件的反射谱

Fig. 4. Reflectance spectra of the reflector with and without middle layer for (a) TE and (b) TM polarization light incidence

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此外,还考察了该器件在中心波长 (1.68 μm) 处的角度响应谱,如图5所示。对于TE偏振光,如图5(a)所示,理论曲线表明,在-16°~16°范围内,此结构的反射率大于0.99,而实验曲线表明,在-13.8°~14°范围内,其反射率大于0.97;对于TM偏振光,如图5(b)所示,理论曲线表明,在-14.8°~14.8°范围内,此器件的反射率大于0.99,而实验曲线表明,在-12.2°~12.4°范围内,其反射率大于0.97。由图5的理论和实验曲线可以清楚地看出,二者结果比较吻合,从而验证了理论设计的合理性。该器件的大角度带宽也源于泄漏模谐振的共存及相互作用^[21]。由于材料的高折射率差、顶层光栅形状的调制以及高折射率中间层的作用,泄漏模谐振的共存及相互作用使得此偏振无关反射镜在中心波长(1.68 μm)处较宽的角度范围内显示出很高的反射率。

图 5. 器件在1.68 μm处的(a)TE和(b)TM偏振光角度响应谱

Fig. 5. Angular response spectra of the reflector for (a) TE and (b) TM polarization light at the wavelength of 1.68 μm

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在许多光学系统中,常用插入损耗(L)和偏振相关损耗(L')来表征器件的性能。为遵从此约定,定义此结构的插入损耗为

LX=-10lgRX,(2)

式中R为反射率,下标X为TE偏振光或TM偏振光。

定义偏振相关损耗为两个正交偏振态插入损耗之差的绝对值^[22]:

L'=LTM-LTE。(3)

图6所示为器件的理论和实验插入损耗及偏振相关损耗随波长的变化曲线。理论曲线表明,在所关注的波长范围内(1.62~1.76 μm),插入损耗小于0.04 dB,偏振相关损耗小于0.02 dB。实验曲线表明,相应的插入损耗和偏振相关损耗分别小于0.25 dB和0.18 dB。可见,理论与实验结果比较吻合。图6从另一个角度再次说明了此器件具有较低的插入损耗及偏振相关损耗。

图 6. 器件的插入损耗曲线及偏振相关损耗曲线

Fig. 6. Insertion loss and polarization dependent loss curves of the reflector

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3 数值验证

本节将通过严格耦合波算法对此光栅反射镜的工艺容差性进行数值验证。具体来说,就是将理论优化结果、实验测试结果以及SEM测试结果(即根据SEM测出的光栅各参数值,然后再由严格耦合波算法计算出反射谱)进行比较,以分析各个参数的改变对器件性能的影响。

图7所示为TE和TM偏振状态下三种结果的对比。其中,理论曲线表示的是根据优化结果得到的理论数据,实验曲线表示的是实验测试得到的结果,而SEM测试曲线表示的是根据SEM测试得到的光栅周期、各个跳变点、光栅厚度、中间层厚度以及缓冲层厚度数据,然后再用严格耦合波分析法得到的结果。SEM测试结果的平均值为: x₁=0.362 μm,x₂=0.505 μm,x₃=0.590 μm,x₄=0.784 μm,x₅=0.879 μm,Λ=1.02 μm,t_g=0.653 μm,t_m= 0.031 μm,t_b= 0.98 μm。由图7可知,这三条曲线吻合得比较好,表明此结构具有较好的工艺容差性。这三条曲线的偏差主要是由光栅表面的吸收与反射以及材料折射率误差造成的,在计算过程中并未考虑这些因素。

图 7. (a) TE和(b) TM偏振状态下反射率的理论曲线、实验曲线及SEM测试曲线

Fig. 7. Theoretical, experimental and SEM observed reflectivity curves for (a) TE and (b) TM polarization light

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综上分析可知,此结构表现出了比较好的工艺容差性。当光栅周期、厚度、调制形状、中间层及缓冲层厚度在工艺误差范围内变化时,在较宽的波段范围内,它们对器件反射谱的影响很小,这对器件的制作是非常有利的^[23]。

4 结论

主要研究了一种基于多层多齿光栅结构的高性能偏振无关宽带光栅反射镜。理论和实验分析表明,此结构在比较宽的频谱范围内能对TE和TM偏振光实现较高的反射率及大角度带宽。通过严格耦合波分析算法对此结构的误差容限进行了数值验证,分析表明此器件在现有工艺误差范围内表现出了较好的工艺容差性,这对器件的制作非常有利。该偏振无关光栅反射镜可以广泛应用于可调谐器件、激光器及光通信系统中。