CN107102395A - 一种亚波长光栅偏振器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种亚波长光栅偏振器及制备方法，包括偏振片和基层，所述偏振片的下方设置有基层，所述基层的内部包括有光栅层、波导层和包层；所述光栅层与所述波导层位于同一层；所述波导层的折射率大于包层的折射率，所述波导层由多个重复的光栅单元组成；本发明通过采用亚波长全刻蚀光栅结构，并使其中的波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率，能够兼耦合与分束功能于一体，并具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容性好、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用于光电集成电路系统当中，同时采用多层偏振片，可以提高实现高消光比和高透过率。

Description

一种亚波长光栅偏振器及制备方法
技术领域
本发明涉及光栅偏振器技术领域，具体为一种亚波长光栅偏振器及制备方法。
背景技术
光栅偏振器件是光学信息处理、光学测量、光通信等系统中重要的光学元件，是光学器件中使用最早、应用最广的器件之一。传统的偏振器主要利用天然晶体的双折射效应或者多层膜结构的偏振选择性。天然双折射晶体造成晶体偏振器体积较大，无法实现微型化和集成化；多层膜结构的偏振器制作需要堆积的薄膜层数很多，制作过程相对复杂，而且这种多层膜结构的偏振选择性只在一个较小的波长范围内和角度范围内才具有大的消光比，因此这两种偏振器的应用都受到了很大的限制。金属光栅偏振器是一种新兴的基于微纳结构的偏振器件，较传统的偏振器件具有体积小、片子薄、结构紧凑、易集成、偏振性好等优点，因此已广泛应用于光纤通信、液晶显示、光学投影、光电检测等领域。随着电子束曝光、纳米压印技术、反应离子刻蚀等微加工工艺的发展，研究者们已经制作出了多种不同类型的亚波长金属光栅偏振器。当入射光到达金属光栅表面时，电场方向平行于光栅刻槽的TE分量（横电波）能够激发金属光栅的电子而产生电流，使该分量的偏振光发生反射；电场方向垂直于光栅刻槽方向的TM分量（横磁波）无法激发金属中的电子，因此不会被反射，除少量吸收外，大部分能够通过光栅层，形成透射光，因此金属光栅的透射光中，TM分量远多于TE分量，具有很强的偏振分光特性。但单层结构很难同时实现高消光比和高透过率。
所以，如何设计一种亚波长光栅偏振器及制备方法，成为我们当前要解决的问题。
发明内容
本发明提供一种亚波长光栅偏振器及制备方法，通过采用亚波长全刻蚀光栅结构，并使其中的波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率，能够兼耦合与分束功能于一体，并具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容性好、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用光电集成电路系统当中，同时采用多层偏振片，可以提高实现高消光比和高透过率，可以有效解决上述背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种亚波长光栅偏振器，包括偏振片和基层，所述偏振片的下方设置有基层，所述基层的内部包括有光栅层、波导层和包层；所述光栅层与所述波导层位于同一层；所述波导层的折射率大于包层的折射率，所述波导层由多个重复的光栅单元组成，所述光栅单元包括：位置左右相邻的第一介质和第二介质、位于第一介质顶部的上层金属、位于第二介质底部的下层金属以及位于下层金属与第一介质底部的衬底；所述上层金属与下层金属上下交错排布；所述等高度的上层金属、第二介质和上层金属构成金属-第二介质狭缝-金属波导，所述等高度下层金属、第一介质光栅和下层金属构成金属-第一介质狭缝-金属波导，第一介质狭缝与第二介质狭缝中至少有一种介质狭缝的宽度小于工作波长的横电场偏振光对应的最低阶模式截止宽度，所述上层金属与下层金属中至少一层金属的厚度大于工作波段TE光的模式渗透深度。
根据上述技术方案，所述第二介质的宽度不大于金属光栅周期减去第一介质光栅的宽度，所述第一介质光栅的侧面具有上层金属，所述第一介质、第二介质的高度满足法布里珀罗共振腔的干涉相消条件，所述上层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜，所述下层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜。
根据上述技术方案，所述偏振片为多层偏振片，相邻偏振片之间通过连接层连接；所述光栅层与所述波导层的制备材料相同；所述光栅层的光栅周期的大小小于入射光波长。
根据上述技术方案，所述第一介质为对工作波长透明的材料。
根据上述技术方案，所述第二介质对工作波长透明的材料，所述第二介质的高度从下层金属的顶部到上层金属的顶部。
一种亚波长光栅偏振器制备方法，包括如下步骤：
1）制备偏振片：通过偏振片制作模具制作偏振片；
2）制备基层：通过制备模具光栅层、波导层和包层；
3）制备成型：通过压印机压印偏振片和基层，即得到亚波长光栅偏振器。
根据上述技术方案，所述步骤2）波导层的制备具体为利用光刻或纳米压印在衬底上制作第一介质光栅；采用蒸发或者溅射方式在第一介质光栅上蒸镀一层金属或者多层不同金属，形成在横向上有位移的分别位于第一介质光栅顶部和间隙的双层金属光栅或复合金属光栅，即上层金属和下层金属；在第一介质光栅间隙的下层金属之上填入第二介质光栅。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过采用亚波长全刻蚀光栅结构，并使其中的波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率，能够兼耦合与分束功能于一体，并具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容性好、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用光电集成电路系统当中，同时采用多层偏振片，可以提高实现高消光比和高透过率。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
在附图中：
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的侧视图；
图3是本发明的制备流程图；
图中标号：1、偏振片；2、基层；3、光栅层；4、波导层；5、包层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：如图1-3所示，本发明提供一种亚波长光栅偏振器，包括偏振片1和基层2，偏振片1的下方设置有基层2，基层2的内部包括有光栅层3、波导层4和包层5；光栅层3与波导层4位于同一层；波导层4的折射率大于包层5的折射率，波导层4由多个重复的光栅单元组成，光栅单元包括：位置左右相邻的第一介质和第二介质、位于第一介质顶部的上层金属、位于第二介质底部的下层金属以及位于下层金属与第一介质底部的衬底；上层金属与下层金属上下交错排布；等高度的上层金属、第二介质和上层金属构成金属-第二介质狭缝-金属波导，等高度下层金属、第一介质光栅和下层金属构成金属-第一介质狭缝-金属波导，第一介质狭缝与第二介质狭缝中至少有一种介质狭缝的宽度小于工作波长的横电场偏振光对应的最低阶模式截止宽度，上层金属与下层金属中至少一层金属的厚度大于工作波段TE光的模式渗透深度。
根据上述技术方案，第二介质的宽度不大于金属光栅周期减去第一介质光栅的宽度，第一介质光栅的侧面具有上层金属，第一介质、第二介质的高度满足法布里珀罗共振腔的干涉相消条件，上层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜，下层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜。
根据上述技术方案，偏振片1为多层偏振片，相邻偏振片之间通过连接层连接；光栅层3与波导层4的制备材料相同；光栅层3的光栅周期的大小小于入射光波长。
根据上述技术方案，所述第一介质为对工作波长透明的材料。
根据上述技术方案，所述第二介质对工作波长透明的材料，所述第二介质的高度从下层金属的顶部到上层金属的顶部。
一种亚波长光栅偏振器制备方法，包括如下步骤：
1）制备偏振片：通过偏振片制作模具制作偏振片；
2）制备基层：通过制备模具光栅层、波导层和包层；
3）制备成型：通过压印机压印偏振片和基层，即得到亚波长光栅偏振器。
根据上述技术方案，所述步骤2）波导层的制备具体为利用光刻或纳米压印在衬底上制作第一介质光栅；采用蒸发或者溅射方式在第一介质光栅上蒸镀一层金属或者多层不同金属，形成在横向上有位移的分别位于第一介质光栅顶部和间隙的双层金属光栅或复合金属光栅，即上层金属和下层金属；在第一介质光栅间隙的下层金属之上填入第二介质光栅。
基于上述，本发明的优点在于，通过采用亚波长全刻蚀光栅结构，并使其中的波导层的折射率大于所述上包层和下包层的折射率，能够兼耦合与分束功能于一体，并具有结构简单、尺寸小、与CMOS工艺兼容性好、制作成本低且快速等优点，能够很好的应用光电集成电路系统当中，同时采用多层偏振片，可以提高实现高消光比和高透过率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种亚波长光栅偏振器，包括偏振片（1）和基层（2），其特征在于：所述偏振片（1）的下方设置有基层（2），所述基层（2）的内部包括有光栅层（3）、波导层（4）和包层（5）；所述光栅层（3）与所述波导层（4）位于同一层；所述波导层（4）的折射率大于包层（5）的折射率，所述波导层（4）由多个重复的光栅单元组成，所述光栅单元包括：位置左右相邻的第一介质和第二介质、位于第一介质顶部的上层金属、位于第二介质底部的下层金属以及位于下层金属与第一介质底部的衬底；所述上层金属与下层金属上下交错排布；所述等高度的上层金属、第二介质和上层金属构成金属-第二介质狭缝-金属波导，所述等高度下层金属、第一介质光栅和下层金属构成金属-第一介质狭缝-金属波导，第一介质狭缝与第二介质狭缝中至少有一种介质狭缝的宽度小于工作波长的横电场偏振光对应的最低阶模式截止宽度，所述上层金属与下层金属中至少一层金属的厚度大于工作波段TE光的模式渗透深度。
2.根据权利要求1所述一种亚波长光栅偏振器，其特征在于：所述第二介质的宽度不大于金属光栅周期减去第一介质光栅的宽度，所述第一介质光栅的侧面具有上层金属，所述第一介质、第二介质的高度满足法布里珀罗共振腔的干涉相消条件，所述上层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜，所述下层金属是单层金属或混合多层含有金属的薄膜。
3.根据权利要求1所述一种亚波长光栅偏振器，其特征在于：所述偏振片（1）为多层偏振片，相邻偏振片之间通过连接层连接；所述光栅层（3）与所述波导层（4）的制备材料相同；所述光栅层（3）的光栅周期的大小小于入射光波长。
4.根据权利要求1所述一种亚波长光栅偏振器，其特征在于：所述第一介质为对工作波长透明的材料。
5.根据权利要求1所述一种亚波长光栅偏振器，其特征在于：所述第二介质对工作波长透明的材料，所述第二介质的高度从下层金属的顶部到上层金属的顶部。
6.一种亚波长光栅偏振器制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1）制备偏振片：通过偏振片制作模具制作偏振片；
2）制备基层：通过制备模具光栅层、波导层和包层；
3）制备成型：通过压印机压印偏振片和基层，即得到亚波长光栅偏振器。
7.根据权利要求6所述一种亚波长光栅偏振器制备方法，其特征在于：所述步骤2）波导层的制备具体为利用光刻或纳米压印在衬底上制作第一介质光栅；采用蒸发或者溅射方式在第一介质光栅上蒸镀一层金属或者多层不同金属，形成在横向上有位移的分别位于第一介质光栅顶部和间隙的双层金属光栅或复合金属光栅，即上层金属和下层金属；在第一介质光栅间隙的下层金属之上填入第二介质光栅。
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