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偏振和位相调控分光膜的设计与制备

潘永刚 张四宝 刘政 刘文成 李绵 张春娟 罗长新

潘永刚, 张四宝, 刘政, 刘文成, 李绵, 张春娟, 罗长新. 偏振和位相调控分光膜的设计与制备[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210512. doi: 10.3788/IRLA20210512
引用本文: 潘永刚, 张四宝, 刘政, 刘文成, 李绵, 张春娟, 罗长新. 偏振和位相调控分光膜的设计与制备[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(5): 20210512. doi: 10.3788/IRLA20210512
Pan Yonggang, Zhang Sibao, Liu Zheng, Liu Wencheng, Li Mian, Zhang Chunjuan, Luo Changxin. Design and fabrication of polarization and phase modulated beam splitter[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(5): 20210512. doi: 10.3788/IRLA20210512
Citation: Pan Yonggang, Zhang Sibao, Liu Zheng, Liu Wencheng, Li Mian, Zhang Chunjuan, Luo Changxin. Design and fabrication of polarization and phase modulated beam splitter[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(5): 20210512. doi: 10.3788/IRLA20210512

偏振和位相调控分光膜的设计与制备

doi: 10.3788/IRLA20210512
基金项目: 中国科学院自研项目(Y490771C01)
详细信息
    作者简介:

    潘永刚,男,博士,主要从事光学薄膜方面的研究。

  • 中图分类号: O484

Design and fabrication of polarization and phase modulated beam splitter

  • 摘要: 偏振和位相调控分光膜是自由空间量子通信系统中不可缺少的光学元件,其性能直接影响通信质量,决定通信误码率。基于等效层设计理论,采用“介质+金属+介质”的特殊膜系结构,选用Ag金属和SiO2、Al2O3、Ta2O5三种介质膜料作为镀膜材料,实现石英衬底45°入射时,1500~1600 nm波段消偏振平均透射/反射比为8.5:91.5,在1530、1540、1550、1560 nm控制位相的分光膜。采用电子束蒸发离子辅助沉积技术,优化沉积工艺,制备了分光膜样品。检测结果表明:在45°入射条件下,1500~1600 nm波段光谱平均透射/反射比为8.53:91.47,在1530、1540、1550、1560 nm处透射光位相差控制在5.02°以内,反射光位相差控制在8.05°以内,满足通信系统分光比及位相控制的要求。此外,该分光膜通过了相应的环境试验测试,满足可靠性要求。
  • 图  1  分光膜结构示意图

    Figure  1.  Structure diagram of beam splitter structure

    图  2  光谱透过率曲线

    Figure  2.  Spectral transmittance curve

    图  3  光谱反射率曲线

    Figure  3.  Spectral reflectance curve

    图  4  透射位相

    Figure  4.  Transmission phase

    图  5  反射位相

    Figure  5.  Reflection phase

    图  6  不同入射角光谱透过率曲线

    Figure  6.  Spectral transmittance curve of differnt incident angles

    图  7  不同入射角光谱反射率曲线

    Figure  7.  Spectral reflectance curve of differnt incident angles

    图  8  样品图

    Figure  8.  Sample picture

    图  9  实测光谱透过率曲线

    Figure  9.  Measured spectral transmittance curve

    图  10  实测光谱反射率曲线

    Figure  10.  Measured spectral reflectance curve

    图  11  消光比测量原理示意图

    Figure  11.  Schematic diagram of extinction ratio measurement principle

    表  1  分光膜的技术要求

    Table  1.   Technical requirements of beam splitter

    Average T:R@1500-1600 nm(8±2)∶(92$ \mp 2 $
    $\left|{{T} }_{s}-{{T} }_{p}\right|$ and $\left|{{R} }_{s}-{{R} }_{p}\right|$≤3%
    $ \left|{\Delta }_{t}\right| $@1530 nm, 1540 nm, 1550 nm, 1560 nm≤7°
    $ \left|{\Delta }_{r}\right| $@1530 nm, 1540 nm, 1550 nm, 1560 nm≤10°
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    表  2  制备工艺参数

    Table  2.   Preparation process parameters

    MaterialRate/nm·s−1EB oxygenation/sccmAPS
    Bias voltage/VDischarged current/A
    Al2O30.3010045
    Ag103020
    Ta2O50.33513050
    SiO20.81016055
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    表  3  消光比和位相差数据

    Table  3.   Extinction ratio and phase difference date

    λ/nmImax/mWImin/mWER$ \mathrm{\delta } $/(°)
    TRTRTRTR
    1 5300.434.240.402×10−37.323×10−31 070:1579:13.54.76
    1 5400.414.310.502×10−311.402×10−3817:1378:14.015.89
    1 5500.404.370.593×10−316.125×10−3675:1271:14.416.95
    1 5600.384.430.731×10−321.931×10−3520:1202:15.028.05
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    表  4  分光膜可靠性试验结果

    Table  4.   Reliability results of beam splitter

    Test itemsResults
    Adhesion testPass
    Soaking testPass
    Heat and humidity testPass
    Alternating high and low temperature test
    humidity and temperature
    Pass
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  • [1] Duan Weibo, Li Daqi, Liu Baojian, et al. Effects of spatial atomic oxygen on polarization contract of polarization-maintaining mirror [J]. Acta Optica Sinica, 2018, 38(11): 1131001. (in Chinese) doi:  10.3788/AOS201838.1131001
    [2] Costich V R. Reduction of polarization effects in interference coating [J]. Appl Opt, 1970, 9(4): 866-870. doi:  10.1364/AO.9.000866
    [3] Gu Peifu, Li Haifeng, Zhang Yueguang, et al. Characteristics and improvement of dense wavelength division multiplexing (DWDM) thin film filters used in tilted incidence [J]. Acta Optica Sinica, 2003, 23(3): 377-380. (in Chinese)
    [4] Ma Xiaofeng, Wang Dan, Liu Dingquan, et al. Design of non-polarizing broadband antireflection coating suing equivalent layer [J]. Acta Optica Sinica, 2007, 27(3): 563-566. (in Chinese)
    [5] Tang Jinfa, Gu Peifu, Liu Xu, et al. Modern Optical Thin Film Technology[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2006: 43-48. (in Chinese)
    [6] Xu Jiangfa, Chen Qiuling. Anti-reflection coating designed by genetic algorithm [J]. Chinese of Lasers, 2007, 34(9): 1271-1275. (in Chinese)
    [7] Macleod H A. Thin-film Optical Filters[M]. Tucson: CRC Press, 1999.
    [8] Zhong Disheng. Vacuum Deposition[M]. Shenyang: Liaoning University Press, 2001. (in Chinise)
    [9] Duan Weibo, Liu Dingquan, Zhang Fengshan. Study on optical properties of two thin film materials in medium-wave infrared band [J]. Acta Optica Sinica, 2009, 29(s1): 177-180. (in Chinese)
    [10] Wang S W, Liu D Q, Lin B, et al. Realization of integrated narrow bandpass filters in the infrared region [J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 2004, 25(11): 1677-1683. doi:  10.1023/B:IJIM.0000047457.40979.6e
    [11] Bai Jinlin, Jiang Yugang, Wang Lishuang, et al. Study on the design and preparation technology of ultra-low profile wideband high reflection thin films [J]. Infrared and Laser Engineering, 2021, 50(2): 20200413. (in Chinese)
    [12] Jiang Yugang, Liu Xiaoli, Liu Huasong, et al. Effects of aging treatment on properties of SiO2 thin films with different deposition technology [J]. Infrared and Laser Engineering, 2019, 48(5): 0521001. (in Chinese)
    [13] Max B, Emil W. Principle of Optics[M]. Yang Jiasun Transl. Beijing: Electronic Industry Press, 2009: 21-25. (in Chinese)
  • [1] 李子杨, 刘华松, 孙鹏, 杨霄, 白金林, 徐颖, 杨仕琪, 季一勤, 苏建忠.  激光/长波红外双谱段减反射薄膜设计与制备 . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210944-1-20210944-7. doi: 10.3788/IRLA20210944
    [2] 杨伟荣, 潘永强, 郑志奇.  光学表面粒子污染物散射的单层薄膜调控特性 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210234-1-20210234-7. doi: 10.3788/IRLA20210234
    [3] 武锦辉, 凌秀兰, 刘吉, 陈鑫.  缺陷诱导光学薄膜光场增强损伤分析 . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20210357-1-20210357-6. doi: 10.3788/IRLA20210357
    [4] 杨春林.  位相叠加效应对连续位相板束匀滑特性的影响 . 红外与激光工程, 2020, 49(9): 20190515-1-20190515-6. doi: 10.3788/IRLA20190515
    [5] 付秀华, 张功, 张静, 刘冬梅, 杨伟声, 木锐.  短中波红外探测系统宽波段高透过率薄膜 . 红外与激光工程, 2019, 48(10): 1017001-1017001(6). doi: 10.3788/IRLA201948.1017001
    [6] 王多书, 李佑路, 李凯朋, 王济洲, 董茂进.  红外光学薄膜材料折射率温度特性的研究方法 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 404006-0404006(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0404006
    [7] 尚鹏, 熊津平, 季一勤, 刘华松, 刘丹丹, 庄克文, 刘旭, 沈伟东.  多金属层诱导透射紫外“日盲”探测成像滤光片设计与低温制备研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 920002-0920002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0920002
    [8] 徐均琪, 苏俊宏, 葛锦蔓, 基玛 格拉索夫.  光学薄膜激光损伤阈值测量不确定度 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 806007-0806007(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0806007
    [9] 周成虎, 张秋慧, 黄明明, 黄全振.  杂质微粒对薄膜的损伤效应 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 721004-0721004(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0721004
    [10] 潘永强, 陈佳.  光学薄膜减散射特性研究 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 118007-0118007(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0118007
    [11] 艾万君, 熊胜明.  离子束辅助沉积大口径光学薄膜 . 红外与激光工程, 2015, 44(S1): 183-188.
    [12] 阿卜杜萨拉木.图尼亚孜, 程鑫彬, 鲍刚华, 焦宏飞, 王占山.  偏振分光膜中节瘤的激光损伤特性 . 红外与激光工程, 2015, 44(8): 2461-2466.
    [13] 王济洲, 李宏, 熊玉卿, 董茂进, 张玲, 李晨.  一种具有抗静电反红外诱导滤光片的设计与制备 . 红外与激光工程, 2015, 44(10): 3005-3009.
    [14] 鲍刚华, 程鑫彬, 焦宏飞, 刘华松, 王占山.  HfO2薄膜折射率非均质性生长特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2761-2766.
    [15] 李凯朋, 王多书, 李晨, 王济州, 董茂进, 张玲.  光学薄膜参数测量方法研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 1048-1052.
    [16] 代福, 熊胜明.  高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究 . 红外与激光工程, 2014, 43(7): 2074-2080.
    [17] 付秀华, 杨永亮, 刘国军, 李琳, 潘永刚, Ewan Waddell.  大面积头罩上类金刚石薄膜均匀性研究 . 红外与激光工程, 2013, 42(1): 181-184.
    [18] 郝宏刚, 周翱, 饶敏, 阮巍.  采用光热失调技术的光学薄膜吸收均匀性测量系统 . 红外与激光工程, 2013, 42(10): 2842-2845.
    [19] 高晓丹.  宽波段7:3 消偏振分光膜的设计及镀制 . 红外与激光工程, 2013, 42(5): 1302-1305.
    [20] 孙岩, 付秀华, 石澎, 姚林.  红外探测器滤光膜的研究与制备 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 129-132.
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图(11) / 表(4)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-01
  • 录用日期:  2022-05-09
  • 修回日期:  2022-01-15
  • 刊出日期:  2022-06-08

偏振和位相调控分光膜的设计与制备

doi: 10.3788/IRLA20210512
    作者简介:

    潘永刚,男,博士,主要从事光学薄膜方面的研究。

基金项目:  中国科学院自研项目(Y490771C01)
  • 中图分类号: O484

摘要: 偏振和位相调控分光膜是自由空间量子通信系统中不可缺少的光学元件,其性能直接影响通信质量,决定通信误码率。基于等效层设计理论,采用“介质+金属+介质”的特殊膜系结构,选用Ag金属和SiO2、Al2O3、Ta2O5三种介质膜料作为镀膜材料,实现石英衬底45°入射时,1500~1600 nm波段消偏振平均透射/反射比为8.5:91.5,在1530、1540、1550、1560 nm控制位相的分光膜。采用电子束蒸发离子辅助沉积技术,优化沉积工艺,制备了分光膜样品。检测结果表明:在45°入射条件下,1500~1600 nm波段光谱平均透射/反射比为8.53:91.47,在1530、1540、1550、1560 nm处透射光位相差控制在5.02°以内,反射光位相差控制在8.05°以内,满足通信系统分光比及位相控制的要求。此外,该分光膜通过了相应的环境试验测试,满足可靠性要求。

English Abstract

    • 量子通信是利用量子叠加态和纠缠效应进行信息传递的新型通信方式,基于量子力学中的不确定性、测量坍缩和不可克隆三大原理提供无法窃听和计算破解的绝对安全性保证,主要分为量子隐形传态和量子密钥分发两种。量子隐形传态目前处于理论和实验探索阶段,离实用尚有很大差距;量子密钥分发,借量子叠加态的传输测量实现通信双方安全的量子密钥共享,采用一次一密的对称加密体制,即通信双方均使用与明文等长的密码进行逐比特的加解密操作,实现无条件的绝对安全的保密通信,分光膜是量子密钥分发系统中一种重要光学元件。当光倾斜入射到普通分光膜元件时,将会产生S偏振光和P偏振光分离,入射角度越大,分离量越大,产生的偏振效应越强,同时也会产生严重的位相差,将影响量子密钥分发系统的性能,造成严重的误码率[1],因此,需要通过光学薄膜元件偏振和位相调控技术进行抑制,研制能够满足位相和偏振要求的分光膜元件,对整个系统意义重大。国内外在偏振和位相调控技方面展开了相关研究,V R Costich 通过不同折射率匹配设计消偏振的分束器[2],顾培夫等人利用宽带F-P消偏振特性,设计长/短波通截至滤光片[3],马小风等人设计偏振效应可调的减反射膜[4],但是针对文中研究的宽波段特殊分光比的消偏振位相调控膜没有找到相应的文献报道,具有一定研究价值。

    • 基于空间量子通信的技术要求进行分光膜系的设计,允许有一定的吸收,具体技术要求如表1所示。

      表 1  分光膜的技术要求

      Table 1.  Technical requirements of beam splitter

      Average T:R@1500-1600 nm(8±2)∶(92$ \mp 2 $)
      $\left|{{T} }_{s}-{{T} }_{p}\right|$ and $\left|{{R} }_{s}-{{R} }_{p}\right|$≤3%
      $ \left|{\Delta }_{t}\right| $@1530 nm, 1540 nm, 1550 nm, 1560 nm≤7°
      $ \left|{\Delta }_{r}\right| $@1530 nm, 1540 nm, 1550 nm, 1560 nm≤10°
    • 文中采用对称膜系的等效层设计理念[5-6],以膜系(qpq)为例,来解释对称膜系在数学上存在等效层的概念。对称膜系特征矩阵为:

      $$ {{M}}_{\mathrm{p}\mathrm{q}\mathrm{p}}=\left[\begin{array}{cc}{{M}}_{11}& {{M}}_{12}\\ {{M}}_{21}& {{M}}_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}& {i}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}/{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}\\ {i}{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}& \mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}& {i}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}/{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}\\ {i}{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}& \mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}\mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}& {i}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}/{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}\\ {i}{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}& \mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\end{array}\right] $$ (1)

      式中:M表示特征矩阵符号;$ {\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}} $表示q层的位相厚度;$ {\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}} $表示p层的位相厚度;$ {\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}} $表示q层的有效导纳;$ {\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}} $表示p层的有效导纳。

      由于对称膜系的特征矩阵和单层膜的特征矩阵具有相同的性质,可表示为:

      $$\begin{split} \\ {M}=\left[\begin{array}{cc}{{M}}_{11}& {{M}}_{12}\\ {{M}}_{21}& {{M}}_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{cos}{\varGamma }& {i}\mathrm{sin}{\varGamma }/{{E}}\\ {i}\mathrm{sin}{\varGamma }& \mathrm{cos}{\varGamma }\end{array}\right] \end{split}$$ (2)

      式中:E为等效折射率;${\varGamma }$为等效位相厚度。

      因此,对称膜系(qpq)可以用等效单层膜来描述,该等效层的等效折射率E和等效位相厚度${\varGamma }$可以由以下公式确定:

      $$ {{{E}}}_{\mathrm{q}\mathrm{p}\mathrm{q}}={\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}{\left[\dfrac{\mathrm{sin}{2\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}+\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}+\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}\right)\mathrm{cos}{2\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}-\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}-\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}\right)\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}}{\mathrm{sin}{2\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}+\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}+\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}\right)\mathrm{cos}{2\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}+\dfrac{1}{2}\left(\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}-\dfrac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}\right)\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}}\right]}^{1/2} $$ (3)
      $$ \begin{split} \\ \mathrm{\varGamma }=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{cos}\left[\mathrm{cos}{2\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{cos}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}-\frac{1}{2}\left(\frac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}+\frac{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{p}}}{{\mathrm{\eta }}_{\mathrm{q}}}\right)\mathrm{sin}{2\mathrm{\delta }}_{\mathrm{q}}\mathrm{sin}{\mathrm{\delta }}_{\mathrm{p}}\right] \end{split} $$ (4)
    • 分光膜系设计的基本原则是在确定的衬底材料表面,使用最少的膜层,实现分光比要求,同时满足薄膜材料与衬底之间及薄膜材料之间的应力匹配,保证薄膜元件的可靠性。根据表1所示的分光膜技术要求,采用“介质+金属+多层介质膜”的复合结构,其示意图如图1所示,实现宽光谱能量的分光及位相调控。根据以上原则,偏振和位相调控分光膜的设计方法如下:(1)考虑薄膜材料的透明区、折射率、吸收系数及应力匹配,选择4种不同折射率的薄膜材料,其中J代表金属材料,H、M及L分别代表高、中、低折射率介质薄膜材料;(2)在薄膜材料确定的情况下,改变层数和厚度,可以得到不同等效位相${\varGamma }$和等效折射率E,故可以采用MJM和HLH这样的对称膜系结构,初始膜系结构为:G|MJM HLH|AIR,其中G代表衬底,AIR代表空气。为满足1500~1600 nm波段光谱要求及偏振和位相的调控,可在初始膜系结构最外层增加L有利于优化设计,此时初始膜系结构变为:G|MJM HLHL|AIR。(3)设定优化目标。采用Simplex和Quasi Newton等多种优化方式,对各层薄膜厚度反复优化迭代,得到最终的优化结果。采用该方法可以在常见的光学玻璃材料上,获得较好的分光膜优化结果。

      图  1  分光膜结构示意图

      Figure 1.  Structure diagram of beam splitter structure

      金(Au)、银(Ag)、铝(Al)等是薄膜制备常采用的金属材料,其中Ag膜是已知金属材料中偏振效应最小[7-8],可优先选择。对于介质薄膜材料的选择,需要充分考虑光学特性,应力匹配等因素,选择SiO2、Al2O3、和Ta2O5三种介质薄膜材料[9-12],用于分光膜偏振和位相的调控。基于以上设计方法和镀膜材料选择,采用Essential Macleod膜系设计软件,参考波长1700 nm,入射角度45°,对基础膜系进行优化,优化结果为G|0.37444 M0.00438 J0.04772 M 0.07484 H0.19293 L0.22524 H0.25465 L|AIR,M代表Al2O3,J代表Ag ,H代表Ta2O5,L代表SiO2,理论设计光谱透过率曲线如图2所示,光谱反射率曲线如图3所示,透射位相如图4所示,反射位相如图5所示。

      图  2  光谱透过率曲线

      Figure 2.  Spectral transmittance curve

      图  3  光谱反射率曲线

      Figure 3.  Spectral reflectance curve

      图  4  透射位相

      Figure 4.  Transmission phase

      图  5  反射位相

      Figure 5.  Reflection phase

      图2图3可知,在1500~1600 nm平均T:R为8.5:91.5,P光平均透过率8.53%,S光平均透过率6.94%,P和S透过光谱在1500 nm处存在最大分离量2.04%;P光平均反射率87.93%,S光平均反射率89.51%,P和S反射光谱在1500 nm处存在最大分离量2.16%。由图4图5可知,在1530、1540、1550、1560 nm处,P光和S光透过位相差分别为3.4°、3.9°、4.4°和4.9°,P光和S光反射位相差分别为4.6°、5.7°、6.8°和7.9°,满足分光膜的技术要求。

    • 图6图7分别给出40°、45°与50°入射时,S光、P光和平均光谱透过率曲线和光谱反射率曲线。

      图  6  不同入射角光谱透过率曲线

      Figure 6.  Spectral transmittance curve of differnt incident angles

      图  7  不同入射角光谱反射率曲线

      Figure 7.  Spectral reflectance curve of differnt incident angles

      图6图7可以看出,40°入射时,在1500~1600 nm平均T:R为8.06:91.94,P光平均透过率8.57%,S光平均透过率6.97%,P和S透过光谱在1500 nm处存在最大分离量2.06%;P光平均反射率87.73%,S光平均反射率89.51%,P和S反射光谱在1500 nm处存在最大分离量2.33%;50°入射时,在1500~1600 nm平均T:R为7.89:92.11,P光平均透过率8.34%,S光平均透过率6.90%,P和S透过光谱在1500 nm处存在最大分离量1.76%;P光平均反射率88.29%,S光平均反射率89.55%,P和S反射光谱在1500 nm处存在最大分离量1.67%。与45°入射时相比,透/反射比及S-P光最大分离量变化都较小。因此,该膜系结构对入射角度的变化不敏感,适合大角度变化的膜系设计。

    • 分光膜的制备在LeyBold ARES1350 型真空镀膜设备上完成,Ag、SiO2、Al2O3和Ta2O5均采用电子束蒸发离子辅助沉积方式(APSpro源),由石英晶体控制膜层的沉积速率和厚度,制备工艺参数如表2所示。

      表 2  制备工艺参数

      Table 2.  Preparation process parameters

      MaterialRate/nm·s−1EB oxygenation/sccmAPS
      Bias voltage/VDischarged current/A
      Al2O30.3010045
      Ag103020
      Ta2O50.33513050
      SiO20.81016055

      镀膜前,先对样片进行超声波清洗,然后采用酒精、乙醚混合液擦拭脱水后放入真空室。烘烤温度80 ℃,工件架转速20 rad/min,当真空度抽至1.0 ×10−5 mbar时,打开APS源对样片表面进行镀前离子束清洗200 s,目的是清洗样片表面,并在表面形成伪扩散层,有利于提高衬底与膜层之间的结合力。镀膜过程APS源充入氩气,gas1和gas2分别为4 sccm和10 sccm,当真空度到8.5 ×10−6 mbar时,开始薄膜沉积。

    • 实际制备的样品如图8所示,采用Carry7000测得光谱透过率曲线如图9所示,光谱反射率曲线如图10所示。

      图  8  样品图

      Figure 8.  Sample picture

      图  9  实测光谱透过率曲线

      Figure 9.  Measured spectral transmittance curve

      图  10  实测光谱反射率曲线

      Figure 10.  Measured spectral reflectance curve

      图9图10可知,在1500~1600 nm波段,P光平均透过率9.01%,S光平均透过率7.52%,P和S透过光谱在1500 nm处存在最大分离量1.94%,P光平均反射率87.81%,S光平均反射率89.41%,P和S反射光谱在1500 nm处存在最大分离量2.14%,平均T:R为8.53:91.47。

    • 通过光的电磁场理论,可以推导出S、P偏振光所引起的位相差$ \mathrm{\delta } $与椭圆偏振光消光比(ER)的关系为[13]

      $$ \mathrm{\delta }=\pm 2{\mathrm{arctan}}\sqrt{\frac{1}{ER}} (ER≥1) $$ (5)

      由公式(5)可知,测得偏振消光比即可获得S、P偏振光所引起的位相差。文中采用旋转检偏器直接测量的方法,测得透射光/反射光的消光比。测量原理示意图如图11所示。

      图  11  消光比测量原理示意图

      Figure 11.  Schematic diagram of extinction ratio measurement principle

      图11所示,测量时分别采用1530、1540、1550、1560 nm激光器作为输入光源,激光束经过旋转起偏器后,以45°角入射在样品表面,经由样品表面透射(或反射),再通过旋转检偏器,最后由功率计接收。当入射光主偏正分量与检偏器主轴重合时,功率计获得最大功率(Imax);当入射光主偏正分量与检偏器主轴垂直时,功率计获得最小功率(Imin),样品的消光比可以通过公式(6)计算得出:

      $${E}{R}=\frac{{{I}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}}{{{I}}_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}} $$ (6)

      实测得到的消光比数据和结合公式(5)计算获得位相差如表3所示。

      表 3  消光比和位相差数据

      Table 3.  Extinction ratio and phase difference date

      λ/nmImax/mWImin/mWER$ \mathrm{\delta } $/(°)
      TRTRTRTR
      1 5300.434.240.402×10−37.323×10−31 070:1579:13.54.76
      1 5400.414.310.502×10−311.402×10−3817:1378:14.015.89
      1 5500.404.370.593×10−316.125×10−3675:1271:14.416.95
      1 5600.384.430.731×10−321.931×10−3520:1202:15.028.05

      表3可以看出,在1530、1540、1550、1560 nm处,P光和S光透过位相差分别为3.5°、4.01°、4.41°和5.02°,P光和S光反射位相差分别为4.76°、5.89°、6.95°和8.05°,与理论设计位相差基本一致,满足技术使用要求。

    • 为满足量子通信系统中元件可靠性要求,对样品进行了以下5项可靠性试验,试验结果如表4所示,试验内容如下。

      表 4  分光膜可靠性试验结果

      Table 4.  Reliability results of beam splitter

      Test itemsResults
      Adhesion testPass
      Soaking testPass
      Heat and humidity testPass
      Alternating high and low temperature test
      humidity and temperature
      Pass

      (1)附着力测试:利用粘性强度大于3 N/cm2的3 M胶带紧贴样品膜层表面,沿膜层表面垂直以25 mm/s的速度拉起,观察膜层是否脱落。

      (2)浸泡实验:在(45±1) ℃的水中浸泡8个小时,观察膜层是否脱落。

      (3)高低温试验:在(85±2) ℃大气中保持6 h,观察膜层是否脱落;在(−55±3) ℃大气中保持16 h,观察膜层是否脱落。

      (4)高低温循环试验:以约1 ℃/min升温至70 ℃,在(70±2) ℃环境中保持2 h,再以约1 ℃/min降温至−50 ℃,在(−50±3) ℃环境中保持2 h,再以约1 ℃/min升温至70 ℃,循环5个周期,观察膜层是否脱落。

      (5)湿热试验:在相对湿度90%温度为(55±2) ℃大气中保持16 h,观察膜层是否脱落。

      实验结果表明,研制的偏振和位相调控分光膜满量子通信系统对光学薄膜可靠性的要求。

    • 所研制的分光膜光谱曲线和位相差虽然都满足技术要求,但与理论设计结果存在一定的差异。这些主要是由于非规整膜系优化设计时,为了满足光谱及位相要求,优化

      所得的膜层厚度差异大,部分膜层厚度过薄或过厚,膜厚监控易产生误差,另外,石英晶体控制膜厚时误差在多层膜监控时逐渐积累,无法得到补偿,也会导致实际制备结果出现偏差。另外,Ag材料对蒸发工艺比较敏感,特别是真空度和蒸发速率,当工艺条件稍有改变时,Ag膜折射率色散、消光系数及聚集密度有大的变化,从而使得光谱曲线及位相出现差异。这些也是导致偏振和位相调控分光膜研制的难点所在,因此,在设计时就应考虑监控、误差累积对性能的影响,确保工艺体条件能够重复稳定也尤为重要。

    • 偏振和位相调控分光膜选用Al2O3、Ta2O5、SiO2及Ag作为镀膜材料,基于介质加金属的膜系设计结构,采用电子束蒸发离子辅助沉积制备工艺,实现了在1500~1600 nm波段特定比例消偏振分光,在1530 nm、1540 nm、1550 nm及1560 nm位相差得到控制,在量子通信系统中得到应用。所制备的分光膜通过相应的环境试验,验证了薄膜的可靠性。该分光膜在设计与制备中涉及的特殊工艺环节对其它偏振分光膜的研究有一定的参考价值,但是研制过程中存在一定的问题,如何进一步提高金属介质膜系结构的控制精度及重复性是下一步工作的重点。

参考文献 (13)

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