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        利用高對比度光柵實(shí)現(xiàn)光束大角度偏轉(zhuǎn)

        2021-06-24 04:10:42王超素江孝偉
        激光技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:入射波入射光透射率

        王超素,江孝偉,2*

        (1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息工程學(xué)院,衢州 324000;2.北京工業(yè)大學(xué) 光電子技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100124)

        引 言

        高折射率對比度光柵(high contrast grating,HCG)是一種單層亞波長光柵,其中光柵中高折射率材料完全被低折射率材料包圍,包括頂部和底部的界面[1]。由于HCG存在較高的折射率差,所以其存在較寬的反射帶寬,并因此逐漸被應(yīng)用在垂直腔面發(fā)射激光器 (vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)中。TSUNEMI將具有高反射的HCG替代VCSEL上分布式布喇格反射鏡(distributed Bragg reflector,DBR)實(shí)現(xiàn)了VCSEL單偏振激射[2]。除了可以利用HCG實(shí)現(xiàn)VCSEL單偏振激射外,還可以利用HCG實(shí)現(xiàn)VCSEL單橫模激射和空間光束整形[3-5]。

        隨著對HCG的進(jìn)一步研究可以發(fā)現(xiàn),通過改變HCG的參量(周期、條寬、厚度等)可以實(shí)現(xiàn)對透射光束波前相位的控制,并通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)可以利用HCG實(shí)現(xiàn)透射/反射光束的聚焦和偏轉(zhuǎn)[6-7]。如CARLETTI等人在絕緣體硅(silicon on isolator,SOI)晶片上制備了光束可偏轉(zhuǎn)HCG,他們通過調(diào)節(jié)每個(gè)光柵條周期使整個(gè)HCG對1.55μm波長實(shí)現(xiàn)5.98°的透射光束偏轉(zhuǎn)[8];MA等人通過對HCG每一個(gè)光柵條參量的精細(xì)選擇,在理論上不僅使HCG能夠?qū)崿F(xiàn)27.42°的偏轉(zhuǎn),同時(shí)還能夠保持較高的透射率[9];FANG等人基于SOI晶片設(shè)計(jì)并制備了圓環(huán)形反射光束聚焦HCG,經(jīng)過測試可得該HCG可在10.87mm處產(chǎn)生焦點(diǎn),并且聚焦效率可達(dá)80%[10]。因?yàn)镠CG可對光束進(jìn)行操控,這對于其將來在激光打印、雷達(dá)等當(dāng)中具有廣大的應(yīng)用前景[11-12]。

        從上述研究中可以發(fā)現(xiàn),雖然目前有較多文獻(xiàn)中利用HCG實(shí)現(xiàn)了對光束的偏轉(zhuǎn)或者聚焦[6-10],但是鮮有分析HCG參量和入射波長等對其偏轉(zhuǎn)角或者焦距的影響,其實(shí)根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]中的理論公式可知,HCG的參量(低折射率材料折射率、HCG寬度等)和入射波長對光束偏轉(zhuǎn)角度有顯著的影響。為此,作者設(shè)計(jì)了透射光束可偏轉(zhuǎn)非周期三角HCG,分析了低折射率材料折射率、入射波長對光束偏轉(zhuǎn)角的影響,并進(jìn)行了進(jìn)一步解釋。

        通過嚴(yán)格耦合波法和時(shí)域有限差分法(finite-difference time-domain,FDTD)設(shè)計(jì)了透射光束可偏轉(zhuǎn)非周期三角HCG,經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)的非周期三角HCG可實(shí)現(xiàn)透射光30.3°的偏轉(zhuǎn),隨后分析了低折射率介質(zhì)材料折射率和入射光波長對透射光束偏轉(zhuǎn)角的影響,經(jīng)計(jì)算分析可知,當(dāng)?shù)驼凵渎式橘|(zhì)材料的折射率從1增加到1.4時(shí),光束偏轉(zhuǎn)角可實(shí)現(xiàn)11°的調(diào)諧;當(dāng)入射光波長在1.55μm上下調(diào)諧,也可實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角3.527°的調(diào)諧。

        1 模型建立

        本文中提出的非周期三角HCG如圖1所示。它由硅(Si)材料和空氣構(gòu)成, Si的折射率為3.48,空氣折射率為1。在圖中,Λn和Sn(n=0,1,2…)分別為非周期三角HCG光柵條的周期和底邊長,非周期三角HCG光柵條占空比ηn=Sn/Λn(n=0,1,2…),d=1μm為非周期三角光柵條的高度,xn和ψn(n=0,1,2…)分別為某一個(gè)非周期三角HCG光柵條的中心位置和對應(yīng)的相位,w是非周期三角HCG整體寬度。在實(shí)際器件制備中,可以先在Si層上生長一層犧牲層,然后利用電子束光刻和干法刻蝕等工藝程序?qū)i層刻蝕成非周期三角HCG,最后通過腐蝕液將犧牲層腐蝕掉,這就可以形成懸空、由空氣層包圍的高對比度非周期三角HCG[13]。

        Fig.1 Non-periodic isosceles triangle HCG structure

        對于矩形HCG,通常是基于等效介質(zhì)理論直接將其等效為一層介質(zhì)薄膜,該介質(zhì)薄膜的等效折射率由矩形光柵的參量和入射光偏振所決定[14]。但是對于三角HCG,無法利用等效介質(zhì)原理直接將其等效為一層薄膜,因?yàn)槠鋵挾扔上露现饾u變窄,可以將三角HCG等效成由多個(gè)不同占空比矩形HCG疊加而成,這就可以將整個(gè)三角HCG等效為多層等效折射率不同的薄膜,具體如圖2所示。通過計(jì)算多個(gè)矩形HCG的折射率,即可得到三角HCG的等效折射率。

        Fig.2 Triangle HCG equivalence

        矩形HCG參量和不同偏振態(tài)對其等效折射率的影響,可由下式表示[15-16]:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        式中,nl和nh分別是光柵的低折射率材料和高折射率材料,η是光柵占空比(光柵條寬/光柵周期),Λ是光柵周期,nTE,1和nTM,1分別是不同偏振下光柵等效成薄膜的1階等效折射率。從(1)式和(2)式可知,在1階等效中,光柵等效薄膜折射率只與光柵占空比和光柵材料有關(guān),nTE,2和nTM,2分別是不同偏振下光柵等效成薄膜的2階等效折射率,從(3)式和(4)式中可以發(fā)現(xiàn),在2階等效中,薄膜折射率還與入射光波長λ和Λ有關(guān)。

        η和Λ/λ對光柵等效薄膜折射率的影響如圖3所示。此時(shí)nh=3.48,nl=1。圖3a是當(dāng)Λ/λ=0.5時(shí),占空比對光柵等效折射率的影響。從圖中可以看到,隨著占空比的增加,TE偏振下的折射率要大于TM偏振的折射率,并且當(dāng)η等于0或1時(shí),兩個(gè)偏振下的折射率相等。因?yàn)槿荋CG可看為由幾個(gè)不同占空比的矩形HCG構(gòu)成,如圖2所示,所以三角HCG從上到下的折射率分布與圖3a中的曲線相似。圖3b是當(dāng)η=0.5時(shí),周期與入射波長比值Λ/λ對光柵等效折射率的影響。從圖中可看到,隨著Λ/λ的增加,TM偏振下的光柵等效折射率變化要比TE偏振下的顯著。

        Fig.3 The influence of grating parameters and incident wavelength on the equivalent refractive index of grating

        為了讓非周期三角HCG實(shí)現(xiàn)透射光束偏轉(zhuǎn),需讓非周期三角HCG相位呈線性分布[11],本文中設(shè)計(jì)的非周期三角HCG其整體相位分布是從左往右按照線性關(guān)系依次升高,具體見圖1。為設(shè)計(jì)出相位線性分布且具有較高透射率的三角HCG,首先需計(jì)算周期性三角HCG參量對其透射率和透射相位的影響,然后選擇合適的光柵參量設(shè)計(jì)出透射光束可偏轉(zhuǎn)非周期三角HCG。周期性三角HCG參量對其透射率和透射相位的影響可用嚴(yán)格耦合波法計(jì)算[7],為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,本文中將三角HCG細(xì)分為50個(gè)高度相同的小矩形來計(jì)算[17],具體如圖4所示。此時(shí)Λ=0.5μm,η=1。

        Fig.4 Triangle HCG approximation

        2 結(jié)果與討論

        2.1 非周期三角HCG設(shè)計(jì)與模擬

        Λ和η對周期性三角HCG相位和透射率的影響如圖5所示(入射光波長(TM)λ=1.55μm,光柵高度d=1μm)。之所以隨著Λ和η變化,周期性三角HCG透射率會發(fā)生變化,是因?yàn)楦鶕?jù)等效介質(zhì)原理可知,Λ和η變化,則三角HCG的等效折射率會發(fā)生變化,等效折射率變化,則會影響光柵的透射率,因?yàn)楸∧ね干浜头瓷渑c介質(zhì)薄膜的折射率有關(guān)[18]。而三角HCG相位隨著Λ和η變化,也是因?yàn)棣挺亲兓瘯绊懭荋CG的等效薄膜折射率,根據(jù)(5)式可知,薄膜的相位變化是與入射波長、薄膜折射率、薄膜厚度有關(guān)的,所以三角HCG的周期和占空比發(fā)生變化,則相位也會發(fā)生變化。

        Fig.5 Effect of grating parameters on phase and transmittance of periodic triangle HCG

        (5)

        式中,ΔΦ是薄膜的相位變化,h是薄膜厚度,n是薄膜折射率。

        根據(jù)Λ和η對周期性三角HCG相位和透射率的影響,選擇出一組透射率大于85%的光柵周期和占空比,根據(jù)(6)式對它們進(jìn)行位置排列,相鄰光柵條相位關(guān)系應(yīng)與(7)式相符[9]:

        xn+1=xn+(Λn+Λn+1)/2,(n=0,1,2,3…)

        (6)

        ψ(xn+1)=ψ(xn+(Λn+Λn+1)/2)=k0xn+1sinθ

        (7)

        式中,k0是波數(shù),λ=1.55μm(TM偏振),θ是光柵透射光束偏轉(zhuǎn)角,其大小由光柵整體相位差Δψ,k0和w決定,如下式所示[8]:

        (8)

        結(jié)構(gòu)參量和排列順序如圖6所示,具體參量數(shù)值可見表1。從表1可以發(fā)現(xiàn),非周期三角HCG能實(shí)現(xiàn)大角度光束偏轉(zhuǎn)是因?yàn)橄辔焕鄯e的結(jié)果[19],另外,本文中選擇的三角HCG結(jié)構(gòu)參量在電子束光刻的精度范圍內(nèi)。圖6a是不同位置選擇的Λn和ηn(n=0,1,2…),圖6b是所設(shè)計(jì)的非周期三角HCG整體相位分布和理論相位分布。從圖6b可知,本文中設(shè)計(jì)的非周期三角HCG總相位差Δψ=20.25rad,本文中w=10μm,

        Fig.6 Grating parameters and grating phase at different positions

        Table 1 Parameters and phases of different elements of non-periodic triangular HCG

        根據(jù)(8)式計(jì)算可得本文中設(shè)計(jì)的光束偏轉(zhuǎn)角為30°。

        依據(jù)上述選擇的光柵參量利用FDTD方法建立非周期三角HCG 2維模型并對其進(jìn)行模擬計(jì)算,模型總共包含有20個(gè)不同周期和占空比的三角HCG,四周邊界條件設(shè)置的是完美匹配層(perfectly matched layer,PML),其主要作用是解決在仿真區(qū)域邊界上的反射問題,光源為高斯光束(TM偏振)。通過模擬計(jì)算可知,非周期等腰三角HCG光束偏轉(zhuǎn)角可達(dá)30.3°,如圖7所示。圖7a是由FDTD方法建立的非周期三角HCG模型,圖7b是非周期等腰三角HCG整體的光強(qiáng)分布圖,圖7c是在距離光柵透射面20μm和30μm處的光強(qiáng)分布。從圖7c可以看到,隨著離透射面的距離從20μm增加到30μm,光強(qiáng)的波峰也從x=-7.0086μm左移到x=-12.8664μm,據(jù)此得出透射光束偏轉(zhuǎn)角為θ=arctan(5.8578/10)=30.3°,非常接近由(8)式計(jì)算得到的光束偏轉(zhuǎn)角度。最終模擬得到的偏轉(zhuǎn)角稍微偏差目標(biāo)的30°,主要因?yàn)槔硐氲南辔环植际沁B續(xù)的,而實(shí)際設(shè)計(jì)的相位分布是離散的,因而導(dǎo)致實(shí)際設(shè)計(jì)的非周期三角HCG偏轉(zhuǎn)角度與理論有略有偏差[9-10]。

        另外根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn),非周期三角HCG對1.55μm波長透射率為82.6%,略低于85%。這是因?yàn)樵诜侵芷谛缘娜切蜨CG中,是由多個(gè)不同周期和占空比的三角HCG組合,不是無限大,而周期三角HCG在模擬計(jì)算時(shí)是無限大(即無限個(gè)周期),所以它們總的透射率會略低于周期性HCG[9],具體如圖8所示。

        Fig.7 a—HCG model of non-periodic triangle established by FDTD b—global light intensity distribution of non-periodic triangulated HCG c—light intensity at different height from transmission surface

        Fig.8 The calculated transmittivity of non-periodic triangular HCG

        2.2 結(jié)構(gòu)參量對光束偏轉(zhuǎn)角的影響

        2.2.1 入射波長對偏轉(zhuǎn)角的影響 圖9是不同波長入射光照射到第2.1節(jié)中設(shè)計(jì)的非周期三角HCG后的光束偏轉(zhuǎn)角。從圖中可以看出,當(dāng)入射光波長在1.5μm~1.6μm之間變化時(shí),非周期等腰三角HCG依然能夠?qū)崿F(xiàn)大角度偏轉(zhuǎn)。當(dāng)入射光波長從1.5μm增加到1.6μm,透射光束偏轉(zhuǎn)角從28.323°增加到31.85°,可實(shí)現(xiàn)透射光束3.527°的調(diào)諧。這種能夠?qū)崿F(xiàn)透射光束偏轉(zhuǎn)角可調(diào)諧特性對在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要意義[20-22]。

        Fig.9 Deflection angle of transmitted beam at different incident wavelengths

        入射光波長在λ=1.55μm附近變化時(shí),非周期等腰三角HCG能夠保持大角度透射光束偏轉(zhuǎn),主要是因?yàn)榉侵芷诘妊荋CG每一個(gè)光柵條相位變化較小,而且整體的光柵相位依然能夠呈大致的線性關(guān)系,如圖10所示。從圖10可知,雖然波長變化使光柵整體相位偏離了原先的線性關(guān)系,因?yàn)楦鶕?jù)(5)式可知波長會影響光柵等效薄膜相位,但隨著位置的增加,相位依然隨之增加,保持著準(zhǔn)線性分布。另外隨著波長的增加光柵透射光束偏轉(zhuǎn)角增加可由(8)式解釋,因?yàn)榭傁辔徊瞀う纂S著波長增加變化不大,w一直保持10μm, 而k0卻隨著波長增大而減小,這就導(dǎo)致透射光束偏轉(zhuǎn)角隨著波長增加而增加,實(shí)現(xiàn)了透射光束偏轉(zhuǎn)角的調(diào)諧。

        Fig.10 The influence of wavelength on phase distribution

        2.2.2 低折射率材料變化對偏轉(zhuǎn)角的影響 不僅通過改變?nèi)肷洳ㄩL可以實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角的調(diào)諧,還可以通過改變光柵低折射率材料nl實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角的調(diào)諧,如圖11和圖12所示。圖11是不同nl下的電場分布,圖12是不同nl下的非周期三角HCG光束偏轉(zhuǎn)角。從圖11、圖12可以發(fā)現(xiàn),隨著nl的增加,在入射波長為1.55μm的條件下,非周期等腰三角HCG的光束偏轉(zhuǎn)角逐漸從30.3°下降到19.3°,實(shí)現(xiàn)了11°的光束偏轉(zhuǎn)角調(diào)諧,這為將來利用液晶作為低折射率材料實(shí)現(xiàn)電控光束偏轉(zhuǎn)提供了理論基礎(chǔ)。

        Fig.11 2-D angular deflection patterns of non-periodic triangular HCG with different nl

        Fig.12 The influence of low refractive index materials on the deflection angle of transmitted light

        折射率nl對光束偏轉(zhuǎn)角的影響可以解釋如下。由(2)式可知,隨著折射率nl的增大,三角HCG的等效折射率增大,這會引起非周期三角HCG的相位差減小,從而導(dǎo)致偏角減小,具體如圖13所示。圖13為不同nl條件下用嚴(yán)格耦合波法計(jì)算得到的非周期三角形HCG的相位分布??梢园l(fā)現(xiàn),隨著nl的增大,非周期三角HCG相位差Δψ在下降。nl=1時(shí),Δψ=20.25rad;nl=1.4時(shí),Δψ降到16.87rad。根據(jù)(8)式可知,相位差的減小會使偏轉(zhuǎn)角度減小。此外,從圖13可以發(fā)現(xiàn),nl分別是1.1和1.2時(shí),非周期三角HCG相位在x= 0.5μm和x=10μm之間線性分布;nl是1.3和1.4時(shí),非周期三角HCG相位在x=1μm和x=10μm之間線性分布;nl=1.4時(shí),非周期三角HCG有效寬度是9μm,代入(8)式計(jì)算可得光束偏轉(zhuǎn)角為19.27°,這一結(jié)果與圖12中的模擬值高度一致,可以表明該模型是準(zhǔn)確的。

        Fig.13 Phase distribution of the non-periodic triangular HCG with different nl conditions

        3 結(jié) 論

        實(shí)現(xiàn)透射光束偏轉(zhuǎn)是現(xiàn)今光柵研究的重要方向之一,基于非周期三角HCG實(shí)現(xiàn)了透射光束可偏轉(zhuǎn)。所設(shè)計(jì)的非周期等腰三角HCG在入射光波長為1.55μm時(shí),可實(shí)現(xiàn)透射光束偏轉(zhuǎn)30.3°,這可為制備折射率漸變透射光束可偏轉(zhuǎn)光柵提供理論指導(dǎo),也為將來作為替代光學(xué)透鏡提供了技術(shù)準(zhǔn)備。同時(shí)發(fā)現(xiàn),本文中設(shè)計(jì)的非周期三角HCG在不同低折射率材料和入射波長下可實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角的調(diào)諧,低折射率在1和1.4之間變化時(shí),可實(shí)現(xiàn)11°的光束偏轉(zhuǎn)角調(diào)諧,而入射波長在1.5μm~1.6μm之間變化時(shí),可以實(shí)現(xiàn)3.527°的透射光束偏轉(zhuǎn)角的調(diào)諧,這對于集成光學(xué)和將來電控實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)角調(diào)諧也具有重要的意義。

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