CN105223638A - 一种全介质纳米块阵列偏振元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全介质纳米块阵列偏振元件，包括矩形基底和复数个等间距平行设置在矩形基底上的偏振单元列，每个偏振单元列均包括复数个等间距设置的偏振单元，偏振单元的长度Sx范围为607～647nm，宽度Sy范围为450～550nm，相邻所述偏振单元中心的间距Lx为640～680nm，相邻所述偏振单元列中心的间距Ly为950～1050nm，所述偏振单元的高度h范围为110～230nm，相邻偏振单元中心的间距Lx大于偏振单元的长度Sx。本发明相比于现有光学偏振元件具有厚度薄、体积小、重量轻的优点，同时加工难度低，符合未来光学元件的发展趋势。
Description
技术领域
本发明涉及一种全介质纳米块阵列偏振元件，属于光学元件技术领域。
背景技术
对偏振态的控制，在许多光学系统中都是十分重要的，尤其是在工程光学中，研究人员常常需要获取、检验和测量光的偏振特性、改变偏振态，以及利用偏振特性进行一些物理量的测量等，而在这些研究中能产生和检验光的偏振态的器件是必不可少的。但传统的光学元件依赖于光再传播中经过一段远远大于波长的距离来改变波前，这就要求光束的不同偏振态或不同空间区域中有不同的位相积累。利用这种原理制作的光学元件不可避免的体积很大，这给光学元件的集成带来了难度。
为了解决上述存在的问题，一种被称作超表面的光学元件应运而生，超表面光学元件只需要小于波长的厚度，因为它是通过引入一个光学性质的突变（如位相突变），而不像传统光学元件那样需要通过长光程累积光学特性的变化。但是，基于表面等离子波的超表面光学元件有着许多缺陷，比如欧姆损耗和弱耦合带来的低效率。
申请号为201510223192.7的中国发明专利申请公开了一种硅纳米砖阵列偏振分光器，包括透明衬底和透明衬底上均匀分布的硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖为长方体，且纳米砖的排列方向相同。该技术方案中，硅纳米砖阵列的厚度达到500nm，过高的高度使得镀膜平整性变差，刻蚀过程容易倒塌，同时无论是电子束曝光还是全息曝光，硅层上曝光的深度一般很难超过200nm，500nm的高度注定了在目前的技术下几乎无法实现加工。
有鉴于此，开发新的偏振元件，解决现有技术中金属偏振元件的低效率、与现有半导体器件不完全兼容、体积大和厚度大等诸多缺点显然十分必要。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种全介质纳米块阵列偏振元件，解决现有技术中偏振元件工作效率低、制作困难、体积大、厚度大等缺点。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种全介质纳米块阵列偏振元件，包括矩形基底和复数个等间距平行设置在矩形基底上的偏振单元列，每个所述偏振单元列均包括复数个等间距设置的偏振单元，所述偏振单元的长度Sx范围为607～647nm，宽度Sy范围为450～550nm，所述相邻偏振单元中心的间距Lx为640～680nm，所述相邻偏振单元列中心的间距Ly为950～1050nm，所述偏振单元的高度h范围为110～230nm，所述邻偏振单元中心的间距Lx大于偏振单元的长度Sx，所述偏振单元的高度h范围为130～170nm。。
优选地，所述偏振单元为Si单元。
优选地，所述矩形基底为长方形SiO2基底。
优选地，所述全介质纳米块阵列偏振元件的工作波长范围为1450～1650nm。
进一步的技术方案中，所述全介质纳米块阵列偏振元件的工作波长范围为1509.31～1611.51nm。
优选地，所述偏振单元的高度h范围为130～170nm。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1．本发明通过设有矩形基底和平行等间距设置在矩形基底上的偏振单元列，解决了现有金属偏振元件因欧姆损耗、弱耦合导致的低效率；
2.本发明相比于现有光学偏振元件具有厚度薄、体积小、重量轻的优点，同时加工难度低，符合未来光学元件的发展趋势。
附图说明
图1是本发明全介质纳米块阵列偏振元件的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是本发明偏振单元的结构示意图；
图4为实施例一中偏振单元长度Sx变化而其他参数不变时工作波长和消光比最大值的变化示意图；
图5为实施例一中相邻偏振单元中心的间距Lx变化而其他参数不变时工作波长和消光比最大值的变化示意图；
图6为实施例一种偏振单元宽度Sy变化而其他参数不变时工作波长和消光比最大值的变化示意图；
图7为实施例一中相邻偏振单元列中心的间距Ly变化而其他参数不变时工作波长和消光比最大值的变化示意图；
图8为实施例一中偏振单元高度h变化而其他参数不变时对应的消光比示意图；
图9为实施例一中TM和TE光的透过率示意图；
图10为实施例一中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图；
图11为实施例二中TM和TE光的透过率示意图；
图12为实施例二中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图；
图13为实施例三中TM和TE光的透过率示意图；
图14为实施例三中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图；
图15为实施例四中TM和TE光的透过率示意图；
图16为实施例四中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图；
其中：1、矩形基底；2、偏振单元。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1、图2所示，一种全介质纳米块阵列偏振元件，包括矩形基底1和平行等间距设置在矩形基底上的偏振单元列，每个偏振单元列均包括复数个等间距设置的偏振单元2，参见图3所示，为偏振单元及其对应的基底的结构示意图，本实施例中偏振单元为Si单元。
本发明的原理如下：当TM波入射时分别在两个波长产生电偶极子共振响应和磁偶极子共振响应，响应处透过率大幅降低，通过调整x和y方向的结构参数,可以调整两个共振响应的波长位置以及共振强度。本发明通过调整结构参数将其中的电场响应调整到工作波长且较强，从而实现了偏振功能。
参见图4所示，为偏振单元长度Sx变化而其他参数不变时，工作波长和消光比最大值的变化示意图，其中Si单元宽度Sy=500nm，h=150nm,相邻Si单元中心的间距Lx=660nm，相邻偏振单元列中心的间距Ly=1000nm。其中可以看出当Sx增加，工作波长λ增加非常明显，但消光比最大值（ERmax）略有增大。因此，可以通过调整Sx选择所需要的工作波长。
参见图5所示，为相邻偏振单元中心的间距Lx变化而其他参数不变时，工作波长和消光比最大值的变化示意图，其中Sx=627nm，Sy=500nm，h=150nm,Ly=1000nm。可以看出当Lx增加，工作波长λ减小非常明显，但消光比最大值（ERmax）略有减小。因此，也可以通过调整Lx选择所需要的工作波长。
参见图6所示，为偏振单元宽度Sy变化而其他参数不变时，工作波长和消光比最大值的变化示意图，其中Sx=627nm，h=150nm,Lx=660nm,Ly=1000nm。可以看出工作波长λ和消光比最大值（ERmax）变化均不明显。
参见图7所示，为相邻偏振单元列中心的间距Ly变化而其他参数不变时，工作波长和消光比最大值的变化示意图，其中Sx=627nm，Sy=500nm,h=150nm,Lx=660nm。可以看出当Ly增加，工作波长λ增加非常明显，但消光比最大值（ERmax）略有减小。
参见图8所示，为偏振单元高度h变化而其他参数不变时对应的消光比示意图，h范围为110～230nm，其中偏振单元的长度Sx=627nm，宽度Sy=500nm，相邻偏振单元之间的中心间距Lx=660nm，相邻偏振单元列之间的间距Ly=1000nm，从图中可以看出当h=170nm时消光比（ER）最高且非常尖锐。当h减小，ER的最大值降低且且峰更平缓。
本实施例优选Si单元的长度Sx=627nm，宽度Sy=500nm，相邻si单元之间的中心间距为lx=660nm，相邻si单元列之间的中心间距为ly=1000nm，si单元高度h=150nm。
参见图9所示，其中实线为TM光的透过率，虚线为TE光的透过率，在入射波长λ=1550nm处，可以看出偏振方向平行于x轴的偏振入射光（TM）几乎不能通过偏振元件，透过率仅为0.00238，对于偏振方向平行于y轴的偏振入射光（TE）透过率高达0.81866。
参见图10所示，实施例一中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图，可以看出在波长λ=1550nm处，消光比高达25.37左右，在波带宽度为25.78nm的范围内，即λ从1537.42nm到1563.20nm，消光比都在20以上。对于大多数偏振光学元件的应用而言，消光比在10以上已经足够，在这样的条件下，本实施例在波长宽度102.2nm范围内，即λ从1509.31nm到1611.51nm，消光比都大于10。
本实施例中选择h=150nm是为了追求高ER，之所以没有选择h=170nm是因为它的峰太尖锐，而且更高的高度会给制作会造成更高的难度。实用中可根据实际对峰形状的要求选择合适的高度。
实施例二：本实施例选取Si单元的长度Sx=627nm，宽度Sy=500nm，相邻si单元之间的中心间距为lx=660nm，相邻si单元列之间的中心间距为ly=1000nm，si单元高度h=130nm。参见图11所示，为本实施例二中TM和TE光的透过率示意图，看以看出在波长λ=1550nm，偏振方向平行于x轴的偏振入射光（TM）几乎不能通过偏振元件，透过率几乎为0，对于偏振方向平行于y轴的偏振入射光（TE）透过率高达0.82左右。参见图12所示，实施例二中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图，可以看出在波长宽度约104nm的范围内，即λ从1508nm到1612nm的范围内，消光比都大于10，且当λ=1550nm时，消光比达到25.10左右。
实施例三：本实施例选取Si单元的长度Sx=646nm，宽度Sy=500nm，相邻si单元之间的中心间距为lx=680nm，相邻si单元列之间的中心间距为ly=1000nm，si单元高度h=130nm。参见图13所示，为本实施例二中TM和TE光的透过率示意图，看以看出在波长λ=1550nm，偏振方向平行于x轴的偏振入射光（TM）几乎不能通过偏振元件，透过率几乎为0，对于偏振方向平行于y轴的偏振入射光（TE）透过率高达0.80左右。参见图14所示，实施例三中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图，可以看出在波长宽度约为103nm的范围内，即λ从1513nm到1616nm的范围内，消光比都大于10，且当λ=1550nm时，消光比达到25.15左右。
实施例四：本实施例选取Si单元的长度Sx=646nm，宽度Sy=520nm，相邻si单元之间的中心间距为lx=680nm，相邻si单元列之间的中心间距为ly=1040nm，si单元高度h=130nm。参见图15所示，为本实施例二中TM和TE光的透过率示意图，看以看出在波长λ=1550nm，偏振方向平行于x轴的偏振入射光（TM）几乎不能通过偏振元件，透过率几乎为0，对于偏振方向平行于y轴的偏振入射光（TE）透过率高达0.81左右。参见图16所示，实施例四中波长λ在1450～1650nm处的消光比示意图，可以看出在波长宽度约为101nm的范围内，即λ从1511nm到1612nm的范围内，消光比都大于10，且当λ=1550nm时，消光比达到25.15左右。
Claims (6)
1.一种全介质纳米块阵列偏振元件，其特征在于：包括矩形基底和复数个等间距平行设置在矩形基底上的偏振单元列，每个所述偏振单元列均包括复数个等间距设置的偏振单元，所述偏振单元的长度Sx范围为607～647nm，宽度Sy范围为450～550nm，相邻所述偏振单元中心的间距Lx为640～680nm，相邻所述偏振单元列中心的间距Ly为950～1050nm，所述偏振单元的高度h范围为110～230nm，相邻所述偏振单元中心的间距Lx大于偏振单元的长度Sx。
2.根据权利要求1所述的全介质纳米块阵列偏振元件，其特征在于：所述偏振单元为Si单元。
3.根据权利要求1所述的全介质纳米块阵列偏振元件，其特征在于：所述矩形基底为长方形SiO2基底。
4.根据权利要求1所述的全介质纳米块阵列偏振元件，其特征在于：所述全介质纳米块阵列偏振元件的工作波长范围为1450～1650nm。
5.根据权利要求4所示的全介质纳米块阵列偏振元件，其特征在于：所述全介质纳米块阵列偏振元件的工作波长范围为1509.31～1611.51nm。
6.根据权利要求1所述的全介质纳米块阵列偏振元件，其特征在于：所述偏振单元的高度h范围为130～170nm。
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