CN105026980B - 用于控制光学波阵面的相位的器件 - Google Patents
用于控制光学波阵面的相位的器件 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105026980B CN105026980B CN201380068702.7A CN201380068702A CN105026980B CN 105026980 B CN105026980 B CN 105026980B CN 201380068702 A CN201380068702 A CN 201380068702A CN 105026980 B CN105026980 B CN 105026980B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dielectric substance
- dielectric
- metal
- phase
- piece
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 51
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 94
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 28
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000007769 metal material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 8
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 238000003475 lamination Methods 0.000 claims description 5
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 230000018199 S phase Effects 0.000 claims 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 19
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 14
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 8
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 5
- 239000005083 Zinc sulfide Substances 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 3
- PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N (fluoren-9-ylideneamino) n-naphthalen-1-ylcarbamate Chemical compound C12=CC=CC=C2C2=CC=CC=C2C1=NOC(=O)NC1=CC=CC2=CC=CC=C12 PFNQVRZLDWYSCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N zinc;sulfide Chemical compound [S-2].[Zn+2] DRDVZXDWVBGGMH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000961787 Josa Species 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910021419 crystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 208000002925 dental caries Diseases 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000035772 mutation Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/0087—Phased arrays
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
- G02B5/1809—Diffraction gratings with pitch less than or comparable to the wavelength
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/58—Optics for apodization or superresolution; Optical synthetic aperture systems
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/008—Surface plasmon devices
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aerials With Secondary Devices (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Polarising Elements (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
Abstract
根据一个方面,本发明涉及一种用于控制具有给使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件(20、50),该器件包括在所述光谱带中至少部分透明的基板(21)，以及被布置为与所述基板的表面基本垂直的片组(22i、23i、24i)，其特征在于：所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料(22i)、由第一电介质材料(23i)以及至少一种不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料(24i)制成，以便形成亚波长宽度(wi)的并列的金属/多电介质/金属(MmultiDM)结构(Si)，每个结构形成具有一种或多种传播模式的腔体；‑在每个所述MmultiDM结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度，以引起所述波阵面的相位的局部偏移(ΔΦi)，所述局部相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的所述一种模式或多种模式的有效指数。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于控制光学波阵面的相位的器件以及用于生产这样器件的方法。
背景技术
光学系统小型化到亚波长量级——对于通常位于400nm和100μm之间的波长而言——以便生成技术上可行的并且提供直接工业应用的特定光学函数，如今已经变成了工业趋势。值得注意的是它允许光学系统的更好集成、更大的坚固性、以及光学器件和电子器件之间的直接耦合的可能性。
P.Lalanne等人的论文(“Design and fabrication of blazed binarydiffractive elements with sampling periods smaller than the structuralcutoff”,JOSA A,16卷,编号5,1999)提出了使用电介质材料的层状蚀刻来制造透镜和棱镜的第一个技术。区域的光学指数在由所使用的电介质的指数施加的最大值和最小值(空气的指数)之间变化。电介质材料的量和空气的量之间的比率定义了区域的光学指数。专利申请US2009/0020690提出了类似的器件。这样的技术使得可以在使用受控的技术方法时生成强指数调制。然而，就引起达到波长量级的平均有效指数的构造操作而言，不能通过简单地将电介质材料构造到纳米量级来获得达到亚波长量级的光学波阵面的相位调制。最后这一点构成了对于达到亚波长量级的波阵面的相位控制的主要物理限制。
在H.Shi等人的论文(“Beam manipulating by metallic nano-slits withvariant widths”,Optics Express,13卷,编号18,2005)中或者在专利申请WO2011/100070中描述的另一技术，考虑到达到小于波长的量级的波阵面的相位调制。根据该技术，片状的厚金属层的纳米构造允许入射光波阵面的调制。更具体地说，所获得的每个狭缝表现得像独立于其他狭缝的波导，在该波导中，耦合等离子体模式被传播。已经证实(参见例如S.Collin等人，“waveguiding in nanoscale metallic apertures”,Optics Express,15卷,编号7,2007)，通过在正式生产的波导中传播的模式看到的有效指数neff取决于根据下述函数的狭缝的宽度w，该函数在特定条件下可以用以下方程(1)近似计算：
neff＝n(1+δ/w) (1)
其中，n是填充狭缝的电介质材料的指数，以及δ表示金属的光学外皮厚度。因此图1表示对于厚度h为1μm的层、对于650nm的波长的、作为狭缝的宽度的函数的、有效指数的趋势。在这个例子中，狭缝被填充空气，壁由金制成，光学外皮厚度约为25nm。图1通过所描述的技术揭示了下述可能性，即，对于12.5nm(δ/2)至250nm(10δ)的引导宽度值w，覆盖范围为n至三倍的n的有效指数带，因此通过选择狭缝的宽度w来允许狭缝之间的强相位变化。然而，大指数调制(Δn>0.5)仅仅对于小于金属中的皮肤厚度的两倍的狭缝宽度(w<2δ)(也就是说，典型地，对于光学波长和红外(IR)波长的50nm)是可能的，这构成了很大的技术约束。此外，图1示出了有效指数对于狭缝的宽度的变化、因此对于制造不准确性的非常强的敏感性。在诸如5nm≤w≤40nm的宽度范围内，狭缝的1nm的变化导致有效指数上的Δneff/neff≥0.13的误差。本发明旨在提出一种用于将波阵面的相位控制到亚波长量级的器件，该器件的随着该器件的结构变化而变化的敏感性低。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种用于控制具有在给定的使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件，包括在所述光谱带中至少部分透明的基板、以及被布置为与基板的表面基本上成直角的片组，其中：
-所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料、第一电介质材料以及至少一种不同于第一电介质材料的第二电介质材料制成，以便形成亚波长宽度的并列金属-多电介质-金属(MmultiDM)结构，每个结构形成表现出一种或多种传播模式的腔体；
-在每个所述MmultiDM结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度以引起波阵面的相位的局部偏移，所引起的相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的一种模式或多种模式的有效指数。
申请人已经证实，这样的器件显著地提供了优于在现有技术中描述的相位控制器件能够与较大宽度(典型地，大于金属材料的光学外皮厚度的10倍)的结构一起工作的优点，从而使得可以在保持将波阵面的相位控制到亚波长量级的同时放宽技术约束。而且，可以获得对于结构缺陷(尤其是对于片厚度或腔体宽度的变化)的、敏感性减小了的局部相位偏移值。因此调整由电介质材料制成的片各自的厚度以局部地获得相位偏移，该相位偏移基于寻求生成给定的使用光谱带中的光学分量的光学函数而计算，所述光学函数能够在器件的多个MMultiDM结构上被采样。
根据变体，多个MMultiDM结构的宽度被选为基本上相等，只有由电介质材料制成的片各自的厚度在结构之间变化以控制局部相位偏移。这使得对于等同结果来说，可以与宽度相同并且与金属的光学外皮厚度相比足够大的腔体宽度一起工作，从而便利于所述器件的制造。
有利地，对于所述器件在红外中的操作，每个MMultiDM结构的宽度被选为大于或等于金属材料的光学外皮厚度的10倍。
根据变体，另外，MMultiDM结构的宽度还被选为小于或等于λmin/2nH，其中，λmin是使用光谱带的最小波长，以及nH是最高指数的电介质材料的折光指数。对于MMultiDM结构，这个宽度选择使得可以生成单模腔体，申请人已经证实，通过良好地抑制纵模，它们表现出非常好的透射效率。
有利地，两种不同类型的电介质材料将被选择以形成所述结构，因此每个结构包括由第一电介质材料制成的第一片以及由不同于第一电介质材料的第二电介质材料制成的第二片以形成金属-电介质-电介质-金属(MDDM)结构。申请人已经证实，MDDM结构代表了所寻求的结果和技术约束之间的优良权衡。
有利地，所述片具有基本上相同的给定高度。片的高度决定了可以施加于入射波阵面的相位的局部相位偏移的最大值。有利地，高度h被选为获得足以产生任何光学函数的最大局部相位偏移值2π，并且使得可以保持片的最小高度，从而形成具有低纵横比(高宽比)的腔体。
根据变体，片为基本直线围成，并且MmultiDM结构布置在一个主方向上。例如，该构造使得可以生成光学棱镜类型、柱形光学透镜类型、以及一般地，对称透镜类型或任何一维光学函数的光学分量。这些分量对于偏振将是敏感的，并且还将能够使得可以形成偏振划分器件。
根据另一变体，片也是基本直线围成，但是MmultiDM结构布置在至少两个主方向上，有利地，该两个主方向基本上成直角。该构造使得可以如前面那样生成柱形光学透镜或光学棱镜类型的光学函数。所述器件将能够以所生成的光学函数的分布在两个方向上相同的这样的方式进行设计，使得可以致使所述器件对偏振不敏感。可替代地，两个方向上的不同分布将使得可以根据偏振产生特定性质。因此可以设计用于随机地划分偏振的入射波的TE分量和TM分量的器件，例如具有用于偏振的TE分量的第一焦距以及用于偏振的TM分量的不同于第一焦距的第二焦距的透镜。
根据另一变体，片是曲线围成的，MmultiDM结构能够根据变体、根据轴对称布置。该构造使得可以生成具有旋转对称性的光学分量，例如，会聚的或发散的球面光学透镜或任何其他对称光学函数。如前，具有轴对称的光学函数使得可以产生对偏振不敏感的器件，而不对称光学函数的生成将能够使得可以划分入射波的偏振的分量。
根据变体，基板由电介质材料制成，形成所述基板的所述电介质材料形成与形成所述片的所述电介质材料之一相同的基板。对于基板和所述结构的片之一使用相同的材料尤其可以简化制造方法。
根据变体，所述电介质材料之一是空气。在所述制造方法中，它于是在意图由空气形成的片的位置上充分蚀刻狭缝。
根据第二方面，本发明涉及一种包含探测器和根据第一方面的用于控制入射波阵面的相位的器件，其中，所述器件的MmultiDM结构的尺寸用于引起波阵面的相位的局部偏移，每个局部相位偏移通过对与会聚透镜的光学函数相应的光学函数进行采样而确定。
根据第三方面，本发明涉及一种用于通过根据第一方面的器件控制光学波阵面的相位的方法，该方法包括：
-对波阵面进行空间赋形以形成覆盖所述器件的所有片的入射波阵面，
-通过入射波阵面的一部分的MMultiDM结构的每一个透射，使得可以在所述波阵面上引起局部相位偏移。
根据第四方面，本发明涉及一种用于制造根据第一方面的用于控制入射波阵面的相位的器件的方法，该方法包括：
-对第一电介质材料的层进行蚀刻以在由金属材料制成的片的地方形成第一组狭缝，
-在所述狭缝的地方沉积所述金属，
-对所述层进行蚀刻以在由第二电介质材料制成的片的地方形成第二组狭缝。
根据变体，所述方法包括在第二组狭缝中的所述狭缝的地方沉积由电介质材料制成的第二材料。
根据变体，由第一电介质材料制成的层形成基板。可替代地，所述方法可以包括在基板上沉积由第一电介质材料制成的所述层的预备步骤。
根据第五方面，本发明涉及一种用于制造根据第一方面的用于控制入射波阵面的相位的器件的方法，该方法包括：
-叠置分别由金属材料和电介质材料制成的层以便形成所述片组，
-对叠置生成的叠层进行切割和抛光，并且与这些层的平面基本上成直角地固定在基板上，
-对与基板相对的面进行抛光。
附图说明
在阅读下图说明的描述后，本发明的其他优点和特征将变得显而易见：
图1(已经描述)，示出在根据现有技术的用于控制波阵面的相位的器件中的狭缝中的有效指数neff的趋势的曲线，有效指数neff是该狭缝的宽度w的函数；
图2，说明根据本发明的器件中的示例性MDDM结构的原理的示图；
图3，示出在被填充空气和砷化镓(GaAs)的MDDM类型的结构中的指数和相位的变化的数字仿真的曲线，其中，指数和相位是用于该结构的不同宽度w的、GaAs的填充因子(f)的函数；
图4，图示了在应用于生产会聚光学透镜类型的器件的情况下所寻求的相位函数以及所得的采样函数的曲线；
图5，根据本发明的用于生成图4中所示的光学函数的类型的函数的器件的示例性实施例；
图6，在图5的器件的类型的器件中入射波阵面的相位调制之后计算的光强度的映射；
图7A至7C图示了从上面看到的其中片分别为直线围成(图7A和7B)和曲线围成(图7C)形式的器件的例子。
具体实施方式
图2示出说明根据本发明的示例性相位控制器件20中的示例性金属-多电介质-金属(MmultiDM)结构的原理的示图。器件20适于控制表现出在该器件的给定的使用光谱带中的波长的波阵面的相位。该光谱带可以位于400nm和100μm之间。器件20包括在使用光谱带中是透明的或者部分透明的基板21、以及与基板的表面基本上成直角布置的、高度为h的片组(图2中的标记22i、23i、24i、22j、23j、24j、22k等)。片以形成交替的并列片的这样的方式布置，所述并列片分别由金属材料制成(22i)、由第一电介质材料制成(23i)、以及由至少一种不同于第一电介质材料的第二电介质材料制成(24i)，然后再一次由金属材料制成(22j)、由第一电介质材料制成(23j)、由第二电介质材料制成(24j)，等等，以便形成并列金属-多电介质-金属(MmultiDM)结构Si。尽管，在图2的例子中，每个结构Si仅包括由不同电介质材料制成的两个片(23i、24i)，但是还可以设想形成如下器件：在每个结构中两个由金属材料制成的片(22i、22j)和3个或更多个由不同电介质材料制成的片之间交替的器件。
每个金属-多电介质-金属结构Si具有亚波长宽度wi(限定在两个金属片22i和22j之间)，也就是说，小于器件的使用光谱带的最小波长λmin，宽度wi被选为形成在使用光谱带中表现出一种或多种传播模式的腔体。当波长λ的光波入射在器件20上时，根据以下方程，由于由每个结构Si形成的腔体中的模式的传播，它在该结构的水平面上局部地经历相位偏移ΔΦi：
其中，neff是在该腔体中传播的模式的有效指数，并且nL是“低”折光指数，也就是说，最低指数的电介质材料的折光指数。在以上方程(2)中，相位偏移ΔΦi是相对于基准相位偏移测量的，这里该相位偏移ΔΦi由入射波阵面通过厚度为h、折光指数为nL的片时该入射波阵面所经历的相位偏移定义。具体地说，该结构中所存在的电介质材料的性质修改了正被传播的模式的有效指数。通过在每个结构Si中选择由电介质材料制成的每个片的厚度，可以修改在所形成的腔体中传播的模式的有效指数，因此，相位偏移被局部地引起。
在实践中，将可以选择表现出显著折光指数差异的电介质材料，以便在片高度低的情况下创建显著的局部相位偏移。在本描述的下文中，“高”指数nH将用于表示表现出最高折光指数的电介质材料的折光指数，以及“低”指数nL将用于表示表现出最低折光指数的电介质材料的折光指数。对于最高折光指数的电介质材料，例如将可以选择器件的使用光谱带中透明的并且在该光谱带中表现出高光学指数的电介质材料。例如，对于相位控制器件在带II和III中的操作，可以以非限制性的方式选择其折光指数为3.3的砷化镓(GaAs)、其折光指数约为4的锗(Ge)、折光指数等于3.7的非晶硅(Si a)、对于小于5μm的波长而言折光指数等于1.5的二氧化硅(SiO2)、折光指数等于2.2的硫化锌(ZnS)。对于相位控制器件在可见带和红外带中的操作，可以以非限制性的方式选择其折光指数为2.2的硒化锌(ZnSe)或硫化锌(ZnS)。对于最低折光指数的电介质材料，将有利的是可以选择空气，使得可以使高折光指数指数和低折光指数指数之间的差异最大化。
最大相位偏移由片的高度h给出。因此，可以确定片的最小高度h以确保由以下方程给出的最大相位偏移ΔΦmax：
其中，λmax是使用光谱带的最大波长，nH和nL分别是高折光指数指数和低折光指数指数。例如，对于相位的最大相位偏移ΔΦmax，片的高度h可以选为2π，这足以定义所有的光学函数，并且使得可以限制结构的总高度。通常，在使用带在红外中(例如，3和5μm之间)的情况下，通过将高指数和低指数分别选择为GaAs的指数(nH＝3.3)和空气的指数(nL＝1)，片高度h＝2.2μm将足以实现2π的最大局部相位偏移。
有利地，金属壁或片22i具有大于所使用的金属的皮肤厚度的厚度Li，例如，约为金属的光学皮肤厚度的2倍，从而确保由结构Si形成的腔体中的传播模式不受到由相邻结构形成的腔体的干扰。因此，在使用金作为金属材料的情况下，MMultiDM结构中的由金属材料制成的片将能够约为50nm。优选的使用是金，因为处理方法被优选地完美控制。然而，其他金属材料可以是用于制造所述器件的结构的优秀候选，诸如，例如，铜、铝或银。有利地，结构Si的宽度wi被选为使得所形成的腔体是单模，这使得可以获得在由该结构形成的腔体中可以传播的纵模的抑制的有效性和这些结构的有限宽度之间的良好权衡。例如，为了在每个结构中验证单模腔体的状况，宽度wi可以以验证以下方程的这样的方式选择：
其中，λmin是为所述器件选择的使用带的最小波长，nH是高折光指数。因此，通常将可以选择约为λ/10的宽度wi。而且，由于具体的技术原因，在红外中使用的情况下，将可以有利地选择大于或等于金属的光学皮肤厚度的10倍的腔体宽度。
图2的例子示出使用金属-电介质1-电介质2-金属(MDDM)结构的特定的相位控制器件，也就是说，在每个结构Si中，包括由不同电介质材料制成的两个片23i、24i。该变体使得可以获得如下所示的波阵面的相位的控制的精度和对于其易于实现的制造方法的搜索之间的非常好的权衡。在这个例子中，多个结构Si具有基本上相等的宽度wi。每个结构Si在两个金属片22i、22j之间包括由被表示为1和2的不同电介质材料制成的两个片23i、24i，然而，电介质材料1和2的性质在每个结构中是相同的。在实践中，两种电介质材料各自的比例在每个结构中是变化的。因此，例如，可以定义结构Si中的电介质材料2的填充率fi。那么对于结构Si来说由电介质材料2制成的片24i的厚度等于乘积fiwi，那么由电介质材料1制成的片23i的厚度等于乘积(1-fi)wi。在每个结构中传播的模式的有效指数和由此得出的局部相位偏移取决于填充率fi。
图3因此说明示出在图2中所示的器件的类型的器件中的、对于结构的宽度wi的不同值的、作为填充因子fi的函数而计算的有效指数的曲线。还表示了所得的相位偏移(由方程(2)给出)(对2π取余)。更具体地说，这些曲线是在片的高度h＝1μm、金属壁的厚度Li＝50nm以及入射介质(空气)中的波长λ＝5μm的情况下计算的。曲线31、32、33分别是关于w＝δ(25nm)、w＝2δ(50nm)以及w＝20δ(500nm)获得的，其中，δ是所使用的金属(例如，金)的外皮厚度。所考虑的电介质材料分别是用于电介质材料1的空气(nL＝1)以及用于电介质材料2的砷化镓(GaAs)(nH＝3.3)。模式的有效指数如已知的那样通过例如通过模态法对腔体中的基本模式的传播进行建模来计算。考虑到电介质材料中的传播、与金属壁的界面处的反射、以及两种电介质材料之间的界面处的反射和透射。矩阵计算软件(使用例如python或)例如用于对作为填充因子fi的函数的有效指数的传播和计算进行建模。
图3示出可以如何通过不是调整由所述结构形成的腔体的宽度wi、而是调整填充因子fi来改变传播模式的有效指数、因此改变施加于入射波阵面的局部相位偏移。获得与低腔体宽度wi一起工作的强相位偏移是不必要的，因为，如图3中所表现的，相位偏移的变化可以作为填充因子的函数而获得，即使是对于像20δ那么大的腔体宽度(曲线33)，这使得可以放宽对于器件的生产的技术约束。此外，图3揭示了有效模式指数的稳定性，以及由此揭示施加于入射波阵面的局部相位偏移的稳定性，所述局部相位偏移为腔体的宽度wi和填充因子fi的函数。申请人已经尤其证实，通过选择腔体宽度wi＝500nm(即，λ/10)，宽度wi上的10nm的变化对传播模式的有效指数的影响(<1％)是可忽略的，并且与填充因子的2％的变化相应的、由电介质材料2制成的片的宽度上的10nm的变化导致有效指数的的变化Δn/n＝0.03。与在例如H.Shi等人的论文中描述的现有技术系统相比，传播模式的有效指数上的稳定性显著提高，使得可以使器件可靠得多，并且不太依赖于生产器件所实现的技术的精度。
将容易理解，通过如图2中举例描述的那样并列若干个结构Si，并且对于每一个结构Si调整电介质材料之一的填充因子，可以通过下述方式来对入射波阵面进行调制，即，用取决于MmultiDM结构的宽度的间距执行波阵面的空间采样，并且局部地施加被选为生成期望的光学函数的给定的相位偏移。波阵面可以预先空间扩展到覆盖所有的结构。
图4因此说明生成会聚透镜所需的采样。更具体地说，曲线41表示直径为11.5μm的透镜的相位分布，该透镜在λ＝5μm时焦距为6μm，高度h＝2.2μm，曲线42表示对21个结构执行的空间采样。相位分布被写为：
其中，F是所生产的透镜的焦距，θ是入射角(在图4的例子中，θ＝0)，x是在垂直于形成结构Si的片的平面的方向上测量的距离，对于x，在器件的中央结构的水平面上采取基准(x＝0)。
图5说明用于生成如图4的曲线42中所表示的相位分布的示例性器件50。该器件包括21个如图2中所表示的MDDM类型的结构Si。每个结构具有宽度wi＝500nm、高度h＝2.2μm、以及金属片的厚度Li＝50nm。该器件包括三个区域，上侧区域53和下侧区域51分别由空气和砷化镓形成，中间区域52包括21个MDDM结构。形成每个结构Si的片23i和24i的电介质材料分别由空气和砷化镓形成。高折光指数指数和低折光指数指数因此分别为nH＝3.3和nL＝1。更具体地说，在图5的例子中，MDDM结构表现出GaAS相对于空气的下列填充因子fi：89％、97％、17％、65％、80％、90％、94％、97％、99％、99％、100％、99％、99％、97％、94％、90％、80％、65％、17％、97％和89％，使得可以实现在每个结构上寻求的相位偏移。这样的器件可以定位在光电探测器54的上游以使通过器件透射并且其相位被调制的入射光波的能量聚焦在其中。
图6表示在图5中所表示的器件50的区域51至53中的每个中计算的光强度的映射。光能量的会聚尤其是在区域60中得到验证，确认达到亚波长量级的会聚透镜的生成。
在图4至6的例子中，假定这样的器件，该器件包括基本上形成直线围成的、定向在主方向上的片，相位偏移沿着垂直于片的这个方位方向的轴x计算。所得的光学会聚透镜函数因此是柱形透镜函数。可替代地，片可以是直线围成，定向在两个主方向上，或者曲线围成，例如大体圆形形式，以表现出旋转对称性的这样的方式并列，以便生成光学球面会聚透镜函数。
图7A至7C因此分别说明图5中所表示的器件、以及具有直线围成的、布置在两个基本上正交的方向上的片(图7B)和圆形形式的片(图7C)的器件的平面图。
图7B中的平面图中所表示的器件60具有大体矩形形式，并列结构Si布置在第一方向(x)上，并列结构S’i布置在与第一方向基本上成直角的第二方向(y)上。如图5或7A的例子中那样，每个结构Si或S’i包括由金属材料制成的片(22i)、由第一电介质材料制成的片(23i)、由第二电介质材料制成的片(24i)以及由金属材料制成的片(22j)的交替。如前面所解释的，这样的器件上的入射波阵面将在每个结构上局部地经历局部相位偏移，局部相位偏移的值与由第一电介质材料和第二电介质材料制成的片的相对厚度相关联。因此可以生成二维光学函数，例如，会聚光学透镜函数。在图7B的例子中，在轴x和y中的一个或另一个上引起的相位偏移的分布是相同的。由此断定，该器件对入射波的偏振不敏感。可替代地，可以形成其在轴x和y上的布置变化的结构，以便形成对于其的响应将随着偏振的TE或TM分量的变化而不同的相位控制器件。因此，将例如可以划分随机偏振的入射波的TE分量和TM分量。例如，将能够获得会聚光学透镜函数，其焦距随偏振而变化。
图7C中的平面图中所表示的器件70包括基本圆形形式的、被布置成轴对称的曲线围成的片。如前面的例子中那样，每个结构Si包括由金属材料制成的片(22i)、由第一电介质材料制成的片(23i)、由第二电介质材料(24i)制成的片、以及由金属材料制成的片(22j)的交替，以使得该器件上的入射波阵面将在每个结构上局部地经历局部相位偏移，该局部相位偏移的值与由第一电介质材料和第二电介质材料制成的片的相对厚度相关联。因为轴对称，所以器件70对偏振不敏感。例如，所述结构被布置为产生给定焦距的会聚光学透镜函数。可替代地，可以将片布置为获得不对称光学函数。例如，片可以是曲线围成的，但不是圆形，例如，椭圆形，使得可以划分入射波的偏振的TE分量和TM分量。
因此可以使用具有任何分布(包括与波长相比其变化较小的突变分布)的相位函数。
用于制造根据本发明的用于控制波阵面的相位的器件的若干种方法是可能的。
在图5中所示的器件50的例子中，基板由与用于每个结构的片之一的电介质材料相同的电介质材料形成。用于制造这样的器件的方法可以包括：对基板51(图5)(例如，由GaAs制成的基板)进行蚀刻，以在由金属材料制成的片22i的地方形成第一组狭缝；然后，在狭缝的位置上生长金属，例如，金。然后对基板进行蚀刻以在由第一电介质材料制成的片23i的地方形成第二组狭缝。然后获得如图5中所表示的器件，第一电介质材料和第二电介质材料分别由空气和GaAS形成。
根据变体，如果第一电介质材料不是空气，则可以在由电介质材料制成的第二材料的第二组狭缝中的狭缝的位置上执行沉积。而且，如果第二电介质材料不是形成基板的材料，则可以执行在基板上沉积第二电介质材料的层的预备步骤，然后执行与前述那些步骤相同的步骤。
可替代地，在包括并列的直线围成的片的波阵面控制器件(例如，图5或7A中所表示的器件的类型的器件)的情况下，该器件的制造可以包括：叠层分别由金属材料和电介质材料制成的层，以便形成交替的片，该交替的片将形成并列MmultiDM结构的组装件；然后对所生成的叠层进行切割和抛光，并且将叠层在其抛光面上与这些层的平面基本上成直角地固定到基板上。然后，可以对叠层的与基板相对的面进行抛光。
尽管通过一定数量的详细实施例进行了描述，但是用于控制波阵面的相位的器件以及用于制造这样的器件的方法包括不同变体、修改和改善，假定这些不同的变体、修改和改善形成由权利要求书限定的本发明的范围的一部分，则这些变体、修改和改善对于本领域技术人员将变得显而易见。
Claims (18)
1.一种用于控制具有在给定的使用光谱带中的波长的入射光学波阵面的相位的器件(20、50)，包括在所述光谱带中至少部分透明的基板(21)、以及被布置为与所述基板的表面基本上成直角的片组(22i、23i、24i)，其特征在于：
-所述片组包括交替的并列片，所述并列片分别由金属材料(22i)、第一电介质材料(23i)以及至少一种不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料(24i)制成，以便形成亚波长宽度(wi)的并列金属-多电介质-金属(MmultiDM)结构(Si)，每个结构形成表现出一种或多种传播模式的腔体；
-在每个所述金属-多电介质-金属结构中调整由第一电介质材料制成的片和由多种第二电介质材料制成的片各自的厚度以引起所述波阵面的相位的局部偏移(ΔΦi)，所述局部相位偏移取决于能够在所述腔体中传播的所述一种模式或多种模式的有效指数。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，每个结构包括由第一电介质材料制成的第一片以及由不同于所述第一电介质材料的第二电介质材料制成的第二片，形成金属-电介质-电介质-金属(MDDM)结构。
3.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述金属-多电介质-金属结构(Si)的宽度(wi)基本相等。
4.根据权利要求1或2所述的器件，适合于用在红外中，其中，每个金属-多电介质-金属结构(Si)的宽度大于所述金属材料的光学外皮厚度的10倍。
5.根据权利要求1或2所述的器件，其中，每个金属-多电介质-金属结构(Si)的宽度小于λmin/2nH，其中，λmin是所述光谱带的最小波长，以及nH是最高指数的电介质材料的折光指数。
6.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述片具有给定高度(h)，所述高度被确定以使得所述局部相位偏移的最大值为2π。
7.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述基板(21)由电介质材料制成，形成所述基板的电介质材料与前述电介质材料之一相同。
8.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述电介质材料之一是空气。
9.根据前面的权利要求1或2所述的器件，其中，所述片为基本直线围成，并且所述金属-多电介质-金属结构布置在主方向上。
10.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述片为基本直线围成，并且所述金属-多电介质-金属结构布置在至少两个主方向上。
11.根据权利要求1或2所述的器件，其中，所述片是曲线围成的，所述金属-多电介质-金属结构根据轴向对称布置。
12.根据权利要求1或2所述的器件，其中，调整由电介质材料制成的所述片各自的厚度以局部地获得相位偏移，所述相位偏移基于寻求生成给定的使用光谱带中的光学分量的光学函数而计算，所述光学函数在所述器件的多个金属-多电介质-金属结构上被采样。
13.一种包含探测器和根据前面的权利要求1或2所述的用于控制入射波阵面的相位的器件的探测系统，其中，所述器件的金属-多电介质-金属结构(Si)的尺寸被设置为引入所述波阵面的相位的局部偏移，每个局部相位偏移通过对与会聚透镜的光学函数相应的光学函数进行采样而确定。
14.一种用于通过根据权利要求1或2所述的器件来控制光学波阵面的相位的方法，包括：
-对所述波阵面进行空间赋形以形成覆盖所述器件的所有片的入射波阵面；
-通过所述入射波阵面的一部分的所述金属-多电介质-金属结构的每一个透射，使得能够在所述波阵面上引入局部相位偏移。
15.一种用于制造根据权利要求1或2所述的用于控制入射波阵面的相位的器件的方法，包括：
-对第一电介质材料的层进行蚀刻以在由金属材料制成的片的地方形成第一组狭缝；
-在所述狭缝的地方沉积所述金属；
-对所述层进行蚀刻以在由第二电介质材料制成的片的地方形成第二组狭缝。
16.根据权利要求15所述的制造方法，包括在所述第二组狭缝中的所述狭缝的地方沉积由电介质材料制成的第二材料。
17.根据权利要求15所述的制造方法，包括在基板上沉积由第一电介质材料制成的所述层的预备步骤。
18.一种用于制造根据权利要求1或2所述的用于控制入射波阵面的相位的器件的方法，包括：
-叠置分别由金属材料和电介质材料制成的层以便形成所述片组；
-对叠置生成的叠层进行切割和抛光，并且与所述层的平面基本上成直角地固定在基板上；
-对与所述基板相对的面进行抛光。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1261491 | 2012-11-30 | ||
| FR1261491A FR2998979B1 (fr) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Dispositif de controle de la phase d'un front d'onde optique |
| PCT/EP2013/075167 WO2014083182A1 (fr) | 2012-11-30 | 2013-11-29 | Dispositif de controle de la phase d'un front d'onde optique |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105026980A CN105026980A (zh) | 2015-11-04 |
| CN105026980B true CN105026980B (zh) | 2017-07-28 |
Family
ID=48170566
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201380068702.7A Active CN105026980B (zh) | 2012-11-30 | 2013-11-29 | 用于控制光学波阵面的相位的器件 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9588339B2 (zh) |
| EP (1) | EP2926187B1 (zh) |
| JP (1) | JP6261604B2 (zh) |
| KR (1) | KR102096682B1 (zh) |
| CN (1) | CN105026980B (zh) |
| ES (1) | ES2623093T3 (zh) |
| FR (1) | FR2998979B1 (zh) |
| WO (1) | WO2014083182A1 (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015004659A1 (en) * | 2013-07-08 | 2015-01-15 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | An optical element having two phase masks |
| FR3041772B1 (fr) * | 2015-09-30 | 2018-09-21 | St Microelectronics Sa | Procede de fabrication d'un filtre spectral nanostructure |
| CN105372728B (zh) * | 2015-12-21 | 2017-12-15 | 吉林大学 | 具有拉曼增强性质的一维、二维或三维纳米间隙阵列及其制备方法 |
| EP3540479A1 (en) * | 2018-03-13 | 2019-09-18 | Thomson Licensing | Diffraction grating comprising double-materials structures |
| EP3591700A1 (en) | 2018-07-02 | 2020-01-08 | Thomson Licensing | Image sensor comprising a color splitter with two different refractive indexes, and different height |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101320745A (zh) * | 2007-06-04 | 2008-12-10 | 索尼株式会社 | 光学构件、固态成像装置及其制造方法 |
| CN101571423A (zh) * | 2008-04-22 | 2009-11-04 | 法国宇航院（Onera） | 用于分析光束波面的方法、相位光栅和设备 |
| TW201137402A (en) * | 2010-04-13 | 2011-11-01 | Hewlett Packard Development Co | Controlling phase response in a sub-wavelength grating optical device |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4865454A (en) * | 1987-11-24 | 1989-09-12 | Kaman Aerospace Corporation | Adaptive optical system with synchronous detection of wavefront phase |
| JPH0856049A (ja) * | 1994-08-15 | 1996-02-27 | Tokyo Inst Of Technol | 面発光レーザの偏波制御法 |
| US9151891B2 (en) * | 2010-02-12 | 2015-10-06 | The Regents Of The University Of California | Metamaterial-based optical lenses |
| WO2012160418A1 (en) * | 2011-05-25 | 2012-11-29 | Albert-Ludwigs-Universität Freiburg | Tunable plasmonic lens |
-
2012
- 2012-11-30 FR FR1261491A patent/FR2998979B1/fr active Active
-
2013
- 2013-11-29 ES ES13814446.4T patent/ES2623093T3/es active Active
- 2013-11-29 CN CN201380068702.7A patent/CN105026980B/zh active Active
- 2013-11-29 KR KR1020157016389A patent/KR102096682B1/ko active IP Right Grant
- 2013-11-29 WO PCT/EP2013/075167 patent/WO2014083182A1/fr active Application Filing
- 2013-11-29 JP JP2015544490A patent/JP6261604B2/ja active Active
- 2013-11-29 US US14/648,489 patent/US9588339B2/en active Active
- 2013-11-29 EP EP13814446.4A patent/EP2926187B1/fr active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101320745A (zh) * | 2007-06-04 | 2008-12-10 | 索尼株式会社 | 光学构件、固态成像装置及其制造方法 |
| CN101571423A (zh) * | 2008-04-22 | 2009-11-04 | 法国宇航院（Onera） | 用于分析光束波面的方法、相位光栅和设备 |
| TW201137402A (en) * | 2010-04-13 | 2011-11-01 | Hewlett Packard Development Co | Controlling phase response in a sub-wavelength grating optical device |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| Beam manipulating by metallic nano-slits with nariant widths;Haofei Shi等;《OPTICS EXPRESS》;20050905;第13卷(第18期);全文 * |
| Phase front design with metallic pillar arrays;Lieven Verslegers等;《OPTICS LETTERS》;20100315;第35卷(第6期);全文 * |
| Plasmonic beam deflector;Ting Xu等;《OPTICS EXPRESS》;20080331;第16卷(第7期);全文 * |
| Plasmonic lenses for wavefront control applications using two-dimensinal nanometric cross-shaped aperture arrays;Xiao Ming Goh等;《J.Opt.Soc.Am.B》;20110331;第28卷(第3期);全文 * |
| Theory and implementation of focal shift of plasmonic lenses;Yiting Yu等;《OPTICS LETTERS》;20120501;第27卷(第9期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2016500160A (ja) | 2016-01-07 |
| JP6261604B2 (ja) | 2018-01-17 |
| WO2014083182A1 (fr) | 2014-06-05 |
| EP2926187B1 (fr) | 2017-01-04 |
| US9588339B2 (en) | 2017-03-07 |
| KR102096682B1 (ko) | 2020-05-27 |
| EP2926187A1 (fr) | 2015-10-07 |
| ES2623093T3 (es) | 2017-07-10 |
| CN105026980A (zh) | 2015-11-04 |
| US20150301333A1 (en) | 2015-10-22 |
| FR2998979B1 (fr) | 2017-09-08 |
| FR2998979A1 (fr) | 2014-06-06 |
| KR20150122626A (ko) | 2015-11-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105026980B (zh) | 用于控制光学波阵面的相位的器件 | |
| FI128551B (en) | A diffractive lattice with varying diffraction efficiency and a method for displaying an image | |
| KR102579589B1 (ko) | 이중 재료 구조체를 포함하는 회절 격자 | |
| JP7348991B2 (ja) | 多レベル回折光学素子の薄膜コーティング | |
| US11747529B2 (en) | Wafer level microstructures for an optical lens | |
| TW201531747A (zh) | 光學裝置 | |
| US20210278576A1 (en) | Diffractive optical element | |
| US20070103782A1 (en) | Binary type diffractive optical elements for wide spectral band use | |
| JP2019035947A5 (zh) | ||
| KR20140082855A (ko) | 빛 파면의 제어 | |
| US10119802B2 (en) | Optical position-measuring device having grating fields with different step heights | |
| JP2019035954A5 (zh) | ||
| US10926358B2 (en) | Drilling device, method, and use | |
| US20180128975A1 (en) | Grating structure, and manufacturing method of grating coupler provided therewith | |
| CN104898269B (zh) | 光学装置 | |
| JP2003255116A (ja) | 光学素子 | |
| CN103308964B (zh) | 一种利用阶梯型微米狭缝实现的高效纳米聚焦器件 | |
| JP6437876B2 (ja) | 光導波路接続構造 | |
| CN204631289U (zh) | 一种梯度折射率波导装置 | |
| JP2021508084A (ja) | 光導波路及び回折導波路ディスプレイ | |
| CN104678501A (zh) | 一种梯度折射率波导装置及其制备方法 | |
| WO2023101731A1 (en) | Multilayer photonic devices with metastructured layers |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |