CN103197368A - 一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法。本发明的偏振器，由基板上的Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅构成，基板为在通讯波段透明的光学材料；Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅的结构参数为：线栅周期350-400纳米，线栅占空比60%-50%，线栅总厚度300-400纳米，第一层金属铝的厚度为80-170nm，SiO2的厚度为50-120nm，第二层金属铝的厚度为80-210nm。本发明方法步骤为：清洗基板、基板表面旋涂SU8胶、旋涂含Si的紫外压印胶、在含Si的紫外压印胶表面形成纳米线栅结构、刻蚀残余层、在SU8胶上刻出纳米线栅结构、沉积薄膜（Al、SiO2、Al）、超声举离，形成Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅。本发明宽带偏振器在1300-2000nm波段范围内不仅具有很高的TM波透射率，而且具有很高的消光比，且工艺简单、加工误差容忍度好。
Description
技术领域
本发明属于光学系统中的亚波长光学器件，特别涉及一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法。
背景技术
偏振器是一种重要的光学器件，广泛应用于自由空间光开关网络、光纤光网络、读写磁光数据存储系统、基于偏振的成像系统等。传统的偏振器尺寸大，这大大限制了其应用。
近年来，纳米线栅偏振器因其小尺寸、高消光比、高透射率等特性引起了研究人员的广泛关注。到目前为止，在无线电波、微波和远红外领域，纳米线栅偏振器已经得到了许多应用。随着微加工技术的不断发展，制备出更小线条的偏振器，并将其应用到近红外、可见、甚至紫外光波段也已经成为可能。然而，对于很多光学和光电子学应用领域来说，无论对应于哪一波段，人们都希望得到一种线栅偏振器，在具有很高的消光比的同时，还具有很高的TM波透射率。
2005年，美国NanoOpto公司在玻璃基板上成功制备200nm周期的金属线栅偏振器，该偏振器的工作波长在1520-1570nm的通讯波段，TM波透射率达到97%且消光比超过40dB（参见High-performance nanowire-grid polarizers，Opt.Lett.，vol.30，pp.195，2005）。然而，该偏振器需要很高的深宽比（约9:1）且引入了多层抗反射膜，增加了工艺复杂程度，不利于大规模商业应用。2007年，美国内布拉斯加大学林肯分校和华中科技大学研究人员设计了一种双层金属纳米线栅偏振器，其工作波长在300-5000nm，平均消光比可达70dB（参见Broadband nanowire-grid polarizers in ultraviolet-visible-near-infrared regions，Opt.Express，vol.15，pp.9510，2007）。但是，该偏振器的平均TM波透射率仅有64%，而且该偏振器的周期和线宽分别为80nm、40nm，受限于目前的微加工技术，还无法制备该偏振器。2011年，美国德克萨斯大学阿林顿分校提出了一种新型线栅偏振器，其工作波长在1486nm-1690nm的通讯波段，TM波透射率达到96%，且在1550nm处消光比超过40dB（参见Resonant wideband polarizer with single silicon layer，Appl.Phys.Lett.，vol.98,pp.211112，2011）。不过，该偏振器的消光比对加工误差非常敏感，实验上的最大消光比出现在1563nm处，为28dB。这些最新的研究成果表明，尽管关于线栅偏振器的研究取得了很大进展，但是要得到同时具有很高的TM波透射率和消光比，且工艺简单、加工误差容忍度好的线栅偏振器，依然是一个难题。
发明内容
本发明提出一种三明治结构线栅宽带偏振器，同时提供其制备方法，目的在于在较宽的通讯波段内具有高TM波透射率和消光比，且工艺简单、加工误差容忍度好。
本发明采用的技术方案为：
一种三明治结构线栅宽带偏振器，由基板上的Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅构成，所述基板为石英玻璃、氧化镁、氟化钙或氧化铝；所述Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅的结构参数为：线栅周期350-400纳米，线栅占空比60%-50%，线栅总厚度300-400纳米，其中，第一层金属铝的厚度为80-170nm，SiO2的厚度为50-120nm，第二层金属铝的厚度为80-210nm。
上述三明治结构线栅宽带偏振器的制备方法，包括下述步骤：
（1）首先对基板进行清洗、干燥；
（2）在基板表面旋涂一层600-800nm的SU8胶并紫外光固化；
（3）在SU8胶上面旋涂一层60-70nm的含Si的紫外压印胶；
（4）采用纳米结构制备技术，在含Si的紫外压印胶表面形成纳米线栅结构；
（5）采用CHF3反应离子刻蚀工艺刻蚀残余层，暴露纳米线栅结构下的SU8胶；
（6）以含Si的紫外压印胶为掩模，采用O2反应离子刻蚀工艺刻蚀SU8胶至基板；
（7）用电子束蒸发设备先后沉积三层薄膜，分别为Al、SiO2、Al，三层薄膜的总厚度为300-400纳米；
（8）最后在SU8去胶液中进行超声举离，在基板上形成Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅，即得到三明治结构线栅宽带偏振器。
在含Si的紫外压印胶表面形成纳米线栅结构时，采用软模板纳米压印技术。在本发明整个工艺过程中，关键是如何在含Si的纳米压印胶表面得到大面积纳米线栅结构。2008年11月，南京大学一研究小组提出高分辨率软模板纳米压印技术（参见中国专利200810195525.X）。该方法不仅简单、可靠，而且能大大减少因含Si的紫外压印胶表面起伏而引起的缺陷。利用该方法，可得到100nm以下分辨率的纳米图案。另外，可以采用光刻等其他技术制备纳米线栅结构，适用于工业批量生产。
本发明的偏振器，通过调整和优化三明治结构纳米线栅的参数（如线栅周期、占空比、各层薄膜的厚度等），能够在1300-2000nm的波段范围内工作，带宽达到700nm。偏振器的TM波透射率可达到84%-94%，消光比可达到49-55dB，特别地，在常用通信波长1550nm处，TM波透射率超过92%且消光比超过52dB。因此，该偏振器同时具有很高的TM波透射率和消光比。此外，本发明的偏振器工艺简单且具有良好的加工误差容忍度，非常有利于规模化商业应用。
附图说明
图1为本发明的三明治结构线栅宽带偏振器结构示意图；
图2为RCWA算法模拟的不同偏振态的光经过图1结构的偏振器时的场分布图；
图3（a）为本发明的实施例1的光学特性曲线，（b）和（c）为两种不同结构参数下，存在加工误差时偏振器的光学特性曲线；
图4（a）为本发明的实施例2的光学特性曲线，（b）和（c）为两种不同结构参数下，存在加工误差时偏振器的光学特性曲线；
图5为本发明的制备方法工艺流程图。
具体实施方式
对三明治结构线栅宽带偏振器结构的设计和光学性能的分析，采用严格耦合波（RCWA）算法来完成。图1所示为本发明的三明治结构线栅宽带偏振器的结构示意图。图中的基板为石英玻璃、氧化镁、氟化钙或氧化铝。在线栅材料的选择上采用了具有高消光系数的铝和高透射率的SiO2。
图中标记为：偏振器基板1，第一层金属铝2，二氧化硅3，第二层金属铝4，线栅周期Λ，线栅宽度w，占空比D=w/Λ，第一层金属铝2膜厚度为h1，二氧化硅3厚度为h2，第二层金属铝4膜厚度为h3。
图2所示为RCWA算法模拟的不同偏振态的光经过图1结构的偏振器时的场分布图。从图中可以看出，当TM波入射时，会产生磁局域共振透射增强现象，而当TE波入射时，则不会产生这一现象，从而使得该结构具有偏振功能。调节图1结构的参数，可以调整TM波的磁局域共振透射增强现象的强弱，进而得到不同TM波透光率和消光比。
实施例1
图3（a）所示为以石英玻璃为基板的三明治结构线栅偏振器的光学特性曲线。偏振器的具体结构参数为Λ=350nm，D=60%，h1=100nm，h2=100nm，h3=100nm。图中，黑实框连成的曲线表示器件的TM波透射率，白方框连成的曲线表示器件的消光比。从图中可以看出，偏振器的工作波长在1300-2000nm，带宽达到700nm，不仅TM波透射率为84%-93%，而且消光比达到50-55dB。特别地，在常用通信波长1550nm处，TM透射率为92%，消光比为53dB。一般来说，加工误差会对偏振器性能产生一定影响。图3（b）和图3（c）均为当实际膜厚偏离理论设计值时偏振器的光学特性曲线，以研究偏振器的加工误差容忍度问题。图3（b）所对应的具体结构参数为Λ=350nm，D=60%，h1=100nm，h2=90nm，h3=110nm。从图中可以看出，在1300-2000nm处，TM波透射率为83%-93%，消光比为51-56dB。在常用通信波长1550nm处，TM透射率为91%，消光比为54dB。图3（c）所对应的具体结构参数为Λ=350nm，D=60%，h1=100nm，h2=110nm，h3=90nm。从图中可以看出，在1300-2000nm处，TM波透射率为85%-94%，消光比为49-55dB。在常用通信波长1550nm处，TM透射率为93%，消光比为52dB。因此，该偏振器具有良好的加工误差容忍度。
实施例2
图4（a）所示为以石英玻璃为基板的三明治结构线栅偏振器的光学特性曲线。偏振器的具体结构参数为Λ=400nm，D=50%，h1=150nm，h2=70nm，h3=180nm。图中，黑实框连成的曲线表示器件的TM波透射率，白方框连成的曲线表示器件的消光比。从图中可以看出，偏振器的工作波长在1300-2000nm，带宽达到700nm，不仅TM波透射率为85%-94%，而且消光比达到49-55dB。特别地，在常用通信波长1550nm处，TM透射率为94%，消光比为52dB。一般来说，加工误差会对偏振器性能产生一定影响。图4（b）和图4（c）均为当实际膜厚偏离理论设计值时偏振器的光学特性曲线，以研究偏振器的加工误差容忍度问题。图4（b）所对应的具体结构参数为Λ=400nm，D=50%，h1=150nm，h2=60nm，h3=190nm。从图中可以看出，在1300-2000nm处，TM波透射率为85%-93%，消光比为49-55dB。在常用通信波长1550nm处，TM透射率为93%，消光比为52dB。图4（c）所对应的具体结构参数为Λ=400nm，D=50%，h1=150nm，h2=80nm，h3=170nm。从图中可以看出，在1300-2000nm处，TM波透射率为84%-94%，消光比为48-54dB。在常用通信波长1550nm处，TM透射率为94%，消光比为51dB。因此，该偏振器具有良好的加工误差容忍度。
图5为本发明的制备方法工艺流程图。图中正斜线层表示基板，黑色层表示SU8胶，反斜线层表示含Si的紫外压印胶，白色层表示铝膜，网格层表示SiO2膜。（1）首先对基板进行清洗、干燥；（2）在基板表面旋涂一层600-800nm的SU8胶并紫外光固化；（3）在SU8胶上面旋涂一层60-70nm的含Si的紫外压印胶；（4）采用专利ZL200810195525.X的软模板纳米压印技术，在含Si的紫外压印胶表面形成纳米线栅结构；（5）采用CHF3反应离子刻蚀工艺刻蚀残余层，暴露纳米线栅结构下的SU8胶；（6）以含Si的紫外压印胶为掩模，采用O2反应离子刻蚀工艺刻蚀SU8胶至基板；（7）用电子束蒸发设备先后沉积三层薄膜，分别为Al、SiO2、Al，薄膜的总厚度为300-400纳米；（8）最后在SU8去胶液中进行超声举离，在基板上形成Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅，即得到三明治结构线栅宽带偏振器。
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及功效，而非限制本发明，任何不超出本发明实质精神范围内的非实质性替换或修改的发明创造均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种三明治结构线栅宽带偏振器，由基板上的Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅构成，其特征在于：所述基板为在通讯波段透明的光学材料；所述Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅的结构参数为：线栅周期350-400纳米，线栅占空比60%-50%，线栅总厚度300-400纳米。
2.根据权利要求1所述的一种三明治结构线栅宽带偏振器，其特征在于，所述Al-SiO2-Al三明治结构中，第一层金属铝的厚度为80-170nm，SiO2的厚度为50-120nm，第二层金属铝的厚度为80-210nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种三明治结构线栅宽带偏振器，其特征在于，所述基板为石英玻璃、氧化镁、氟化钙或氧化铝。
4.如权利要求1所述的一种三明治结构线栅宽带偏振器的制备方法，包括下述步骤：
（1）首先对基板进行清洗、干燥；
（2）在基板表面旋涂一层600-800nm的SU8胶并紫外光固化；
（3）在SU8胶上面旋涂一层60-70nm的含Si的紫外压印胶；
（4）采用纳米结构制备技术，在含Si的紫外压印胶表面形成纳米线栅结构；
（5）采用CHF3反应离子刻蚀工艺刻蚀残余层，暴露纳米线栅结构下的SU8胶；
（6）以含Si的紫外压印胶为掩模，采用O2反应离子刻蚀工艺刻蚀SU8胶至基板；
（7）用电子束蒸发设备先后沉积三层薄膜，分别为Al、SiO2、Al，三层薄膜的总厚度为300-400纳米；
（8）最后在SU8去胶液中进行超声举离，在基板上形成Al-SiO2-Al三明治结构纳米线栅，即得到三明治结构线栅宽带偏振器。
5.根据权利要求4所述的一种三明治结构线栅宽带偏振器的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，采用软模板纳米压印技术形成纳米线栅结构。
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