一種鈦薄膜的應(yīng)用以及使用該鈦薄膜的硅基光波導(dǎo)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鈦薄膜的應(yīng)用以及使用該鈦薄膜的硅基光波導(dǎo)，鈦薄膜用于減少甚至完全消除近紅外波段的電磁波的反射。本發(fā)明將鈦薄膜作為近紅外波段的電磁波的減反膜，具有寬帶(1000nm～2200nm)、寬角度、超薄的性質(zhì)，同時制備簡單，制備成本較低，因其超薄性可以減輕減反裝置的重量，節(jié)省減反裝置的成本，且攜帶方便；此外，要實現(xiàn)對不同電介質(zhì)材料的減反效果，只需要調(diào)節(jié)鈦薄膜的厚度即可，具有廣泛的應(yīng)用；另外，本發(fā)明的硅基光波導(dǎo)由于其端面覆蓋了一層鈦薄膜，大大減弱了硅基光波導(dǎo)端面的反射，從而使得硅基光波導(dǎo)中的駐波也大大變?nèi)?，大大降低了反射波對光路中其他器件的影響，確保光路體系的穩(wěn)定性。
【專利說明】
-種鐵薄膜的應(yīng)用從及使用該鐵薄膜的括基光波導(dǎo)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種鐵薄膜的應(yīng)用W及使用該鐵薄膜的娃基光波 導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002] 減反膜，用于減少光學(xué)原件表面的反射，是非常重要的光學(xué)薄膜，至今，其生產(chǎn)總 量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它類型的薄膜。目前，減反膜仍是光學(xué)薄膜技術(shù)中重要的研究領(lǐng)域，研究重點 之一是尋找新材料、設(shè)計新結(jié)構(gòu)、改進(jìn)制備工藝，使其獲得寬帶、寬角度、偏振無關(guān)、超薄等 效果。
[0003] 近紅外是介于可見光和中紅外之間的電磁波，美國材料檢測協(xié)會將近紅外光譜區(qū) 定義為780nm~2526nm的區(qū)域。近紅外是重要的電磁波段，當(dāng)今近紅外光譜分析已經(jīng)在石油 化工、制藥、食品加工、農(nóng)業(yè)和光纖通訊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，因此設(shè)計具有理想效果 的近紅外抗反膜在實際應(yīng)用中是非常重要的。
[0004] 現(xiàn)有的常見的減反膜主要包括=種:一是單層電介質(zhì)減反膜，二是多層電介質(zhì)減 反膜，=是漸變折射率減反膜。
[0005] 單層電介質(zhì)減反膜:一般單層電介質(zhì)減反膜是基于反射波的干設(shè)相消原理，如圖1 所示，光波從電介質(zhì)中入射到空氣，如果沒有減反膜，光波會在電介質(zhì)和空氣的界面上發(fā)生 反射，為了消除該反射波，需要在電介質(zhì)和空氣之間插入一層減反膜(圖1)，運時，在電介質(zhì) 和減反膜界面上的反射波與在減反膜和空氣界面上的反射波干設(shè)相消，從而實現(xiàn)減反效 果。
[0006] 該減反膜的優(yōu)點是設(shè)計簡單且容易制備，而缺點是所需的光學(xué)厚度至少為四分之 一波長，且工作帶寬較窄。
[0007] 多層電介質(zhì)減反膜:為了克服單層電介質(zhì)減反膜的帶寬較窄的問題，可W用多層 電介質(zhì)來替代原先的一層電介質(zhì)。其原理是多層電介質(zhì)中的多重干設(shè)相消。通過對每一層 電介質(zhì)材料的選擇W及厚度的優(yōu)化，可W實現(xiàn)寬帶的減反效果，但運樣的設(shè)計往往比復(fù)雜， 且增大了制備難度和成本。
[000引漸變折射率減反膜:通過設(shè)計表面結(jié)構(gòu)來讓電介質(zhì)的折射率連續(xù)過渡到空氣的折 射率，比如，在圖2中，減反膜是由具有尖劈狀表面的電介質(zhì)構(gòu)成的，該漸變結(jié)構(gòu)能夠在電介 質(zhì)的折射率和空氣的折射率之間形成連續(xù)的過渡，從而減少甚至消除反射波。
[0009] 該減反膜的優(yōu)點是具有寬帶和寬角度的減反效果，而缺點是厚度往往比較大，且 實際制備難度較大，成本較高。
[0010] 現(xiàn)有技術(shù)的主要缺點在于:帶寬較窄、減反膜的厚度較大、設(shè)計復(fù)雜。如，單層電介 質(zhì)減反膜雖然制備簡單，但所需厚度較大，且不能實現(xiàn)寬帶的減反效果;多層電介質(zhì)減反膜 和漸變折射率減反膜雖然都可W實現(xiàn)寬帶的減反效果，但設(shè)計比較復(fù)雜，且厚度相對較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[00川為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種寬帶（lOOOnm~2200nm)、寬角度、 超薄的近紅外減反膜，不僅可W用于消除電介質(zhì)與空氣界面上的反射波，還可W用于消除 娃基光波導(dǎo)端面上的反射波。
[0012] 本發(fā)明提供一種鐵薄膜的應(yīng)用，用于減少甚至完全消除近紅外波段的電磁波的反 射。
[0013] 進(jìn)一步的，所述鐵薄膜的厚度取15~25nm。
[0014] 本發(fā)明還提供一種娃基光波導(dǎo)，在所述娃基光波導(dǎo)的端面覆蓋有上述的鐵薄膜。
[0015] 進(jìn)一步的，所述娃基光波導(dǎo)包括兩二氧化娃層和夾持在兩所述二氧化娃層中間的 娃層，所述鐵薄膜覆蓋在所述娃基光波導(dǎo)中娃層與空氣接觸的端面上。
[0016] 借由上述方案，本發(fā)明將鐵薄膜作為近紅外波段的電磁波的減反膜，具有寬帶 (1000 nm~2200nm)、寬角度、超薄的性質(zhì)，同時制備簡單，制備成本較低，因其超薄性可W減 輕減反裝置的重量，節(jié)省減反裝置的成本，且攜帶方便;此外，要實現(xiàn)對不同電介質(zhì)材料的 減反效果，只需要調(diào)節(jié)鐵薄膜的厚度即可，具有廣泛的應(yīng)用；另外，本發(fā)明的娃基光波導(dǎo)由 于其端面覆蓋了一層鐵薄膜，大大減弱了娃基光波導(dǎo)端面的反射，從而使得娃基光波導(dǎo)中 的駐波也大大變?nèi)?，大大降低了反射波對光路中其他器件的影響，確保光路體系穩(wěn)定。
[0017] 上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說明書的內(nèi)容予W實施，W下W本發(fā)明的較佳實施例并配合附圖詳細(xì)說明如后。
【附圖說明】
[0018] 圖1是【背景技術(shù)】中單層電介質(zhì)減反膜示意圖；
[0019] 圖2是【背景技術(shù)】中漸變折射率減反膜示意圖；
[0020] 圖3是本發(fā)明中基于超薄鐵薄膜(鐵減反膜)來消除電介質(zhì)和空氣界面上反射波的 示意圖；
[0021] 圖4是本發(fā)明中反射率隨光波波長的變化曲線；
[0022] 圖5是本發(fā)明中娃基光波導(dǎo)的示意圖和數(shù)值模擬的電場振幅分布圖，其中圖(a)沒 有加減反膜，圖（b)在波導(dǎo)中娃與空氣的界面上加了 24nm的鐵薄膜。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。W下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0024] 在沒有減反膜的情況下，電磁波W入射角0從折射率為n的電介質(zhì)中入射到空氣 時，在界面上會發(fā)生反射。根據(jù)菲涅爾公式可得，橫電波（電場沿y方向）的反射系數(shù)(反射和 入射電場的比估）為，
[0025] (1)
[00%] 化化化電）|、奶耶至ntf」芥山上加入一層超薄的鐵（Ti)薄膜來消除界面上的反射 波，如圖3所示。通過計算電介質(zhì)中的總反射系數(shù)，并令其為零，可算鐵薄膜的折射率rm和其 厚度d的關(guān)系為，
[0027]
(2)
[00%]其中，A〇為入射光波在空氣中的波長。
[0029] 需要注意的是，公式（2)的成立需要建立在條件d<<A〇的成立之上，即鐵薄膜的 厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射波的波長。
[0030] 當(dāng)電介質(zhì)材料確定后，通過公式（1)計算出反射系數(shù)r，結(jié)合鐵的折射率并帶入公 式(2)可得鐵薄膜的厚度。此外，公式(2)還表明，要實現(xiàn)對不同電介質(zhì)的減反效果，只需調(diào) 節(jié)鐵薄膜的厚度即可。
[0031] 根據(jù)本發(fā)明，可W設(shè)計出寬帶（1000 nm~2200nm)、寬角度、超薄的近紅外減反膜一 鐵薄膜。該鐵薄膜的超薄性有助于節(jié)省原材料，并有望降低制備成本W(wǎng)及減輕裝置的重量， 提高便攜性。此外，要實現(xiàn)對不同電介質(zhì)材料的減反效果，只需要調(diào)節(jié)鐵薄膜的厚度即可， 運使其在實際的光電設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用。
[0032] 在數(shù)值計算中，取電介質(zhì)材料為娃(Si),其折射率為3.5,且設(shè)光波從娃入射到空 氣中。圖4中灰色曲線所示的是沒有減反膜時的反射率隨入射波長的變化曲線，其中實線和 虛線分別對應(yīng)于正入射和斜入射(入射角10°，橫電波)的情形。很明顯，如果沒有減反膜，反 射率比較大，大約為30 %~40 %。
[0033] 而如果在娃和空氣之間加入鐵薄膜可W消除界面反射，通過公式（1)和（2)，可得 對于正入射的情況下，鐵薄膜的厚度約為20nm。圖4中深灰色曲線所示的是加了 20nm的鐵薄 膜后的反射率隨入射波長的變化曲線，其中實線和虛線分別對應(yīng)于正入射和斜入射(入射 角10°，橫電波)的情形。結(jié)果表明，在加上20nm的鐵薄膜后的反射率在1000 nm到2200nm的波 長范圍內(nèi)都不超過1%，且減反效果幾乎不受入射角的影響。
[0034] 運些結(jié)果表明，鐵薄膜的=個重要特性，即寬帶、寬角度和超薄。
[0035] 此外，該鐵薄膜還可W用于消除光波在娃基光波導(dǎo)的端面上的反射。圖5(a)左圖 所示的是由上下兩層二氧化娃(Si〇2)和中屯、的娃組成的一種娃基光波導(dǎo)的示意圖。由于折 射率發(fā)生突變，光波會在娃和空氣界面上發(fā)生反射，該反射波會重新回到整個光路中，從而 可能會影響到光路中的其它器件，并引起體系的素亂。圖5(a)右圖所示的是數(shù)值模擬的電 場振幅分布圖，光波波長取為1550nm，且入射波的電場振幅取為IV/m。模擬結(jié)果表明，在娃 和空氣界面上有較強的反射，從而在波導(dǎo)中形成了很強的駐波。
[0036] 為了消除反射，在娃和空氣的界面上加了24nm的鐵薄膜，如圖5(b)左圖所示。圖5 (b)右圖給出的電場振幅分布圖表明，端面上的反射波被大大減弱了，運使得波導(dǎo)中的駐波 也相應(yīng)變?nèi)趿恕?br>[0037] 本發(fā)明根據(jù)鐵薄膜本身的性能，將其應(yīng)用于兩種介質(zhì)中W減少近紅外波段的電磁 波的反射，作為減反膜使用，使鐵薄膜在光學(xué)領(lǐng)域具有新的用途。
[0038] W上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可W做出若干改進(jìn)和 變型，運些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種鈦薄膜的應(yīng)用，其特征在于：用于減少甚至完全消除近紅外波段的電磁波的反 射。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦薄膜的應(yīng)用，其特征在于:所述鈦薄膜的厚度取15~25nm。3. -種硅基光波導(dǎo)，其特征在于:所述硅基光波導(dǎo)的端面覆蓋有權(quán)利要求1或2所述的 鈦薄膜。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅基光波導(dǎo)，其特征在于:所述硅基光波導(dǎo)包括兩二氧化硅層 和夾持在兩所述二氧化硅層中間的硅層，所述鈦薄膜覆蓋在所述硅基光波導(dǎo)中硅層與空氣 接觸的端面上。
【文檔編號】G02B1/113GK105954823SQ201610411852
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月14日
【發(fā)明人】羅杰, 賴耘, 侯波
【申請人】蘇州大學(xué)張家港工業(yè)技術(shù)研究院