CN108490509A - 低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的低深宽比的电介质几何相位超表面结构材料及其结构优化方法，所述的电介质几何相位超表面结构材料包括基底、基底上的反射层、反射层上的多光束干涉层、以及若干尺寸一致的电介质纳米砖呈周期性排布于多光束干涉层上所构成的电介质纳米砖阵列；所述的电介质纳米砖阵列用来接收垂直入射的圆偏振光，并通过调节各电介质纳米砖的方向来调节出射光的位相。本发明电介质几何相位超表面结构材料的深宽比降至传统的透射式超表面材料的一半，约1.7，从而可减轻对加工工艺的要求，使器件的成品率和量产得到保障。

Description

低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法

技术领域

本发明涉及微纳光学领域，尤其涉及低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法。

背景技术

近年来，以超表面材料(metasurfaces)为代表的新一代人工电磁结构材料已经成为诸多领域关注的热点。随着超表面独特的光学性质和许多新颖的物理现象不断地被发现，产业界迫切的期待着其能够引领新一轮的光电子产业革命。然而，虽然科学家们声称超表面工艺与现有的半导体工艺完全兼容，事实上其制造却在不断挑战当前半导体工艺加工的极限，在量产方面更是缺乏行之有效的发展思路。比如被《科学》杂志评为2016年全球十大科技突破之一的二氧化钛超表面透镜，其微纳结构的深宽比高达15^[1]，传统半导体工艺无法保证其所需的最低工艺误差要求。即便是采用了文中提到的原子层沉积(ALD)工艺，在器件的成品率和量产方面仍然无法保障，更何况高深宽比器件在成像渐晕和轴外点像差矫正等方面的表现也不尽人意。因此，亟待寻找可行的途径解决学术界和产业界的脱钩。

文中涉及如下文献：

[1]Khorasaninejad M,Chen WT,Devlin RC,Oh J,Zhu AY,CapassoF.2016.Metalenses at visible wavelengths:Diffraction-limited focusing andsubwavelength resolution imaging.Science 352(6290):1190-4.

发明内容

本发明的目的是提供低深宽比的电介质几何相位超表面材料及其结构优化方法，以使超表面材料和半导体工艺兼容。

本发明提供的低深宽比的电介质几何相位超表面结构材料，包括：

基底；

基底上的反射层；

反射层上的多光束干涉层(即F-P层)；

若干尺寸一致的电介质纳米砖呈周期性排布于多光束干涉层上所构成的电介质纳米砖阵列；

所述的电介质纳米砖阵列用来接收垂直入射的圆偏振光，并通过调节各电介质纳米砖的方向来调节出射光的位相。

进一步的，反射层的制备材料为工作波长下反射率高于0.90的金属。

作为优选，所述的反射层的制备材料为金或银。

进一步的，多光束干涉层的制备材料为工作波长下的无损材料。

作为优选，所述的多光束干涉层的制备材料为熔融石英或氟化镁。

进一步的，电介质纳米砖的制备材料为折射率大于3.2的电介质材料；

作为优选，所述的电介质纳米砖结构的制备材料为硅。

本发明提供的低深宽比的电介质几何相位超表面材料的结构优化方法，包括：

(1)优化结构参数，获得优化后的电介质纳米砖单元，具体为：

采用电磁仿真法，在工作波长下，使左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射电介质纳米砖单元，以反射的右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的转化效率为优化对象，以反射的交叉偏振转化效率最高、同时反射的同向偏振转化效率最低为优化目标，优化电介质纳米砖单元的结构参数；

所述的电介质纳米砖单元包括基底、基底上的反射层、反射层上的多光束干涉层、以及多光束干涉层上的单个电介质纳米砖；

所述的结构参数包括电介质纳米砖的长、宽、高、周期以及多光束干涉层的厚度，其中，周期指电介质纳米砖单元边长；

(2)将优化后的电介质纳米砖单元分别沿X轴和Y轴方向紧密排列，获得电介质几何相位超表面材料；

所述的X轴和Y轴方向分别与电介质纳米砖单元中基底的两组边平行；

(3)基于电介质纳米砖单元产生的相位延迟量等于电介质纳米砖转角的两倍，根据超表面材料应用时所需相位，确定电介质几何相位超表面材料中各电介质纳米砖的转角；

所述转角指电介质纳米砖的长边和X轴的夹角。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明电介质几何相位超表面结构材料的深宽比降至传统的透射式超表面材料的一半，约1.7，从而可减轻对加工工艺的要求，使器件的成品率和量产得到保障。

(2)本发明电介质几何相位超表面结构材料，在633nm的工作波长下，反射的交叉偏振转化效率高达91％。

(3)本发明电介质几何相位超表面结构材料具有精确、连续的几何相位调节功能。

(4)本发明电介质几何相位超表面结构材料可沿用简单成熟的标准光刻工艺加工，易于推广生产。

(5)本发明电介质几何相位超表面结构材料具有超微尺寸结构，可广泛用于光子集成领域。

附图说明

图1是本发明电介质几何相位超表面材料的结构示意图；

图2是单个电介质纳米砖单元的结构示意图；

图3是优化仿真获得的偏振转化效率随入射波长的变化图；

图4是实施例中F-P层厚度对偏振转化效率的影响曲线图；

图5是电介质纳米砖单元的相位延迟量随转角的变化规律。

图中，1-电介质纳米砖，2-F-P层，3-反射层，4-基底。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明实施例。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

参见图1，所示为本发明电介质几何相位超表面材料的结构示意图，所示电介质几何相位超表面材料包括基底4、基底4上的反射层3、反射层3上的F-P层2、以及排布于F-P层2上的电介质纳米砖阵列，电介质纳米砖阵列由若干尺寸一致的电介质纳米砖1均匀排列构成，电介质纳米砖1为长方体形。所述的均匀排列指阵列中所有相邻电介质纳米砖的间距相等。这里，电介质纳米砖的间距特指电介质纳米砖中心的距离，相邻特指阵列的横方向和纵方向的相邻。

本发明中，反射层3用来发射入射光，优选采用工作波长下反射率高于0.90的金属材料制作；F-P层2用来增强反射光的反向偏振转化效率，优选采用无损材料制作，所述无损材料指工作波长下对光无吸收且透射率和反射率之和为1的材料；电介质纳米砖阵列用来产生所需要的相位延迟量，优选采用折射率大于3.2的电介质材料制作。本发明通过对入射光进行反射和多光束干涉的共同作用，来降低材料的深宽比。

参见图2，所示为构成电介质几何相位超表面材料的电介质纳米砖单元示意图，电介质几何相位超表面材料可看成由若干电介质纳米砖单元紧密排列构成，所示电介质纳米砖单元包括4层，从上至下依次为电介质纳米砖、F-P层、反射层、基底。本发明中，将电介质纳米砖单元中的F-P层、反射层和基底统称为基底单元，基底单元为长方体形，且基底单元的工作面呈正方形，即基底单元的长宽相等。

本发明电介质几何相位超表面材料可采用本领域常规的光刻工艺制作，下面将提供一种具体制备工艺，包括步骤：

(1)基底上依次镀反射层、F-P层、电介质薄膜层；

(2)电介质薄膜层上涂镀光刻胶；

(3)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；

(4)依次经显影、刻蚀，即获得电介质纳米砖阵列。

为便于后续描述本发明电介质几何相位超表面材料的技术原理及其结构优化方法，将电介质纳米砖的长L、宽W、高H、周期C以及F-P层的厚度S统称为结构参数，其中，C即基底单元工作面的边长。建立工作面坐标系，其中，X轴方向和Y轴方向分别与基底单元工作面的两组边平行，Z轴方向垂直基底单元工作面向上。

下面将提供本发明电介质几何相位超表面材料的结构优化方法的一种具体实施过程，该具体实施过程中，基底采用二氧化硅基底，反射层采用金属银反射层，F-P层采用熔融石英层，电介质纳米砖采用硅纳米砖结构。

第一步，对结构参数进行优化，获得优化后的电介质纳米砖单元。

本步骤可采用电磁仿真软件平台，如CST Studio、Comsol等仿真完成。仿真时，在工作波长下，使左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射电介质纳米砖单元，以反射的右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的转化效率为优化对象，扫描结构参数，包括L、W、H、C以及S，以期获得优化的结构参数。优化目标为反射的交叉偏振转化效率最高、同时反射的同向偏振转化效率最低。这里，交叉偏振指出射光旋向与入射光旋向相反，同向偏振指出射光旋向与入射光旋向相同。

经优化，在633nm的工作波长下，得到优化的结构参数为：L＝290nm，W＝85nm，H＝145nm，C＝400nm，S＝637nm，深宽比H/W＝1.7。图3是优化仿真获得的偏振转化效率随入射波长的变化图，从图中可以看出，中心波长633nm处，交叉偏振转化效率约91％，同向偏振转化效率则低于1％。且，中心波长附近±10nm范围内，实现了交叉偏振转化效率的高效转化，以及同向偏振得到了有效抑制。

由于F-P层中的多光束干涉效应，F-P层的厚度S将影响偏振转化效率，因此，固定其他结构参数为优化值，改变F-P层厚度，对电介质纳米砖单元进行电磁仿真，获得F-P层厚度对偏振转化效率的影响曲线图，见图4。从图4可以看出，随着F-P层厚度的变化，偏振转化效率周期性变化，周期约210nm；当交叉偏振转化效率升高时，同向偏振转化效率相应降低。

第二步，将优化后的电介质纳米砖单元沿X轴方向和Y轴方向紧密排列，获得电介质几何相位超表面材料。

第三步，基于电介质纳米砖单元产生的相位延迟量等于电介质纳米砖转角的两倍，根据超表面材料应用时所需相位，确定电介质几何相位超表面材料中各电介质纳米砖的转角。

本步骤所涉及的技术原理为：

电介质纳米砖工作时可等效为半波片，以琼斯矩阵计算，入射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的琼斯矢量分别为其中i表示虚部。已知半波片的琼斯矩阵为其中，为电介质纳米砖的转角，定义为电介质纳米砖的长边和X轴的夹角，转角可用来表示电介质纳米砖的方向。

那么经电介质纳米砖出射后的光矢量为

从公式(1)可以看出，出射光经电介质纳米砖后，其旋向与入射光相反，但同时经历了一个的相位延迟。因此，通过调整电介质纳米砖的转角大小，即可调节和控制出射光的位相。

图5所示为电介质纳米砖产生的相位延迟量随转角的变化规律，从图中同样可以看出，相位延迟量等于转角的两倍，且位延迟量覆盖了0～2π的范围。由此可知，由电介质纳米砖单元构成的超表面材料具有精确、连续的几何相位调节功能。

上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (8)

1.低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是，包括：

基底；

基底上的反射层；

反射层上的多光束干涉层；

若干尺寸一致的电介质纳米砖呈周期性排布于多光束干涉层上所构成的电介质纳米砖阵列；

所述的电介质纳米砖阵列用来接收垂直入射的圆偏振光，并通过调节各电介质纳米砖的方向来调节出射光的位相。

2.如权利要求1所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是：

所述的反射层的制备材料为工作波长下反射率高于0.90的金属。

3.如权利要求2所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是：

所述的反射层的制备材料为金或银。

4.如权利要求1所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是：

所述的多光束干涉层的制备材料为工作波长下的无损材料。

5.如权利要求4所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是：

所述的多光束干涉层的制备材料为熔融石英或氟化镁。

6.如权利要求1所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是：

所述的电介质纳米砖的制备材料为折射率大于3.2的电介质材料。

7.如权利要求6所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料，其特征是：

所述的电介质纳米砖结构的制备材料为硅。

8.权利要求1所述的低深宽比的电介质几何相位超表面材料的结构优化方法，其特征是，包括：

(1)优化结构参数，获得优化后的电介质纳米砖单元，具体为：

采用电磁仿真法，在工作波长下，使左旋圆偏振光或右旋圆偏振光垂直入射电介质纳米砖单元，以反射的右旋圆偏振光或左旋圆偏振光的转化效率为优化对象，以反射的交叉偏振转化效率最高、同时反射的同向偏振转化效率最低为优化目标，优化电介质纳米砖单元的结构参数；

所述的电介质纳米砖单元包括基底、基底上的反射层、反射层上的多光束干涉层、以及多光束干涉层上的单个电介质纳米砖；

所述的结构参数包括电介质纳米砖的长、宽、高、周期以及多光束干涉层的厚度，其中，周期指电介质纳米砖单元边长；

(2)将优化后的电介质纳米砖单元分别沿X轴和Y轴方向紧密排列，获得电介质几何相位超表面材料；

所述的X轴和Y轴方向分别与电介质纳米砖单元中基底的两组边平行；

(3)基于电介质纳米砖单元产生的相位延迟量等于电介质纳米砖转角的两倍，根据超表面材料应用时所需相位，确定电介质几何相位超表面材料中各电介质纳米砖的转角；

所述转角指电介质纳米砖的长边和X轴的夹角。