[发明专利]金属/介质多层薄膜结构10.6μm红外波段的光极化分离器

说明书

技术领域：

本发明涉及一种10.6μm红外波段光极化分离器，属于信息光学技术领域，是用于使不同极化的光波沿不同光路传播而达到分离效果的光学器件。

背景技术：

在光通讯交换、光信息测量和光耦合等诸多光学系统中，日益要求设备向着体积小、重量轻的方向发展。光极化分离器是这些光学系统中的基础器件。传统的光极化分离是采用光波导传播的方式来实现，对于光波导的尺寸和形状有着极其严格的要求。10.6μm红外激光在军事、科研等领域应用广泛，这一波段对于传统的光极化分离器件有着很高的工艺要求，成为制约该波段光学设备往小型化发展的一个瓶颈，限制了光学设备在一些特殊环境下的应用(如激光制导)。

发明内容：

发明目的：本发明针对现有技术的不足，提供一种高效的10.6μm红外波段光极化分离器，该光极化分离器完全屏弃了光波导传播的方式，而是根据等效介质理论，采用金属/介质多层薄膜结构来实现极化分离，同时保证该分离器呈平面结构，具有低剖面的优点。

技术方案：本发明所述的10.6μm红外波段光极化分离器的理论基础是等效介质理论，在二氧化硅基底上由碳化硅薄膜和二氧化硅薄膜交替构成；一层碳化硅薄膜和一层二氧化硅薄膜的组合单元的厚度应远小于波长(至多为波长的1/4)，且至少要20个单元；碳化硅薄膜和二氧化硅薄膜的厚度具有一个合适的比例α；极化分离器中相同材料的薄膜厚度相等，并根据α选取一个合适的薄膜取向θ。当一束圆极化10.6μm红外激光从极化分离器的一侧垂直入射时，TE波分量的光波在该结构中会沿着薄膜的取向进行无反射传播，从而产生明显的波束平移效果，而TM波分量则几乎没有平移，这样就起到了极化分离的效果。在不考虑损耗的情况下，TE波的透射系数为1，TM波的透射系数为0.9301。在实际情况下，由于碳化硅薄膜是有耗材料，两种极化波存在微弱衰减，但此衰减可以通过增加入射波功率进行补偿或通过减少光极化分离器整体厚度进行控制。

TE波分量平移量越大，极化分离效果越明显。平移量的调节可以有两种方式：一、光极化分离器整体厚度不变，通过调节α使得薄膜取向具有更大的倾角，此方法可用于对光波衰减要求较高的情况；二、薄膜取向不变，增加光极化分离器整体厚度，此方法可用于对光波衰减要求不高的情况。

有益效果：本发明与现有10.6μm波段光极化分离器相比，其显著优点是：1、结构简单，呈现平面结构，具有低剖面，小体积，并可与其他相关光信息处理器件方便地集成在一片基片上，实现共形；2、工艺水平要求相对较底，均为微米级蚀刻和光学镀膜等标准微电子平面工艺；3、适应性强，可以根据不同情况用不同方法实现TE波分量平移量的调节。

附图说明：

图1是本发明的光极化分离器结构主视图。

图2是本发明的光极化分离器结构后视图。

图3是本发明的光极化分离器结构侧面方向的剖视图。

图4是本发明的光极化分离器在不考虑损耗情况下的TE波透射仿真结果。

图5是本发明的光极化分离器在不考虑损耗情况下的TM波透射仿真结果。

图6是本发明的光极化分离器在考虑实际损耗后圆极化波的透射仿真结果。

在所有的上述附图中，相同的标号表示具有相同、相似或相应的特征或功能。

具体实施方式：

下面结合附图，通过具体的实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例1：首先参考图1～4描述的本发明的光极化分离器的结构图。

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)交替组合的多层薄膜结构。多层结构中，碳化硅薄膜(2)和二氧化硅薄膜(3)的厚度具有一个合适的比例α，且相同材料的薄膜厚度相等。一个碳化硅薄膜(2)和二氧化硅薄膜(3)组合单元的厚度应远小于所应用波段的波长，且至少要20个单元。薄膜的取向θ由α确定。

首先我们在不考虑损耗的情况下进行了基于有限元方法的全波电磁仿真。取10.6μm红外波段碳化硅介电常数的实部ε₁＝0.44，二氧化硅的介电常数ε₂＝3.92。一个组合单元的总厚度为2.4μm，其中碳化硅薄膜和二氧化硅薄膜的厚度比α＝2:1。根据α＝2:1求得θ＝38.33°。多层结构的总厚度为20μm。

图4是TE波透射仿真结果。TE波透射系数理论计算值为1，仿真值为0.9998。TE波完全透射，并且在多层结构中延薄膜取向传播，产生明显平移。

图5是TM波透射仿真结果。TM波透射系数理论计算值为0.9301，仿真值为0.9117。TM波的绝大部分能量也透射过去，但未见明显平移。