CN109031497A - 基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器及制备方法 - Google Patents

基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器及制备方法，起偏器包括透明的衬底和硅纳米砖阵列，硅纳米砖阵列包括分布在衬底上的多个朝向相同的硅纳米砖，硅纳米砖阵列由N个阵列单元组成，N≥3；同一阵列单元内的硅纳米砖几何参数相同，不同的阵列单元内的硅纳米砖几何参数不同；以硅纳米砖的长、宽和高分别为X、Y和Z轴建立坐标系，线偏振光通过硅纳米砖后在X、Y轴方向上的相位分别为phix和phiy，硅纳米砖的几何参数使得│phix‑phiy│＝90°，且沿顺时针或逆时针方向，位于不同的阵列单元的phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N。本发明提供的起偏器，集成度高，结构紧凑，将线偏振光转换为圆偏振涡旋光。

Description

基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器及制备方法
技术领域
本发明涉及信息光学技术领域，具体涉及一种基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器及制备方法。
背景技术
涡旋光束中包含螺旋型相位因子，具有全新的自由度━轨道角动量，这个重要的特性使得涡旋光成为用于经典和量子编码的一个新的维度，在自由空间光通信中成为信息的载体。很多基于涡旋光的光通信系统被提出，涡旋光可以极大的增加通信的容量。但是这些系统中涡旋光的产生大多基于空间光调制器，或者光衍射元件。利用空间光调制器，系统尺寸会较大，成本较高，而光衍射元件需要多台阶结构，对制备工艺要求非常高。利用超表面材料可以对光波相位精密的调控，实现涡旋光的产生。特别是基于介质的超表面涡旋光产生结构，其效率很高，制备简单。
近年来随着对增加光通信容量要求不断的提高，单纯通过光涡旋增加通信容量已经不能满足要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种集成度、效率更高的基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器，其包括：
透明的衬底；
硅纳米砖阵列，其包括分布在所述衬底上的多个朝向相同的硅纳米砖，所述硅纳米砖阵列内设有多条经过其中心点的分隔线，位于相邻两条所述分隔线之间的硅纳米砖组成一个阵列单元，所述分隔线将所述硅纳米砖阵列分隔成N个阵列单元，N≥3；
同一所述阵列单元内的硅纳米砖几何参数相同，不同的所述阵列单元内的硅纳米砖几何参数不同；
以所述硅纳米砖的长、宽和高分别为X、Y和Z轴建立坐标系，线偏振光通过所述硅纳米砖后在X、Y轴方向上的相位分别为phix和phiy，所述硅纳米砖的几何参数使得│phix-phiy│＝90°，且沿顺时针或逆时针方向，位于不同的所述阵列单元的phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N，所述几何参数包括所述硅纳米砖的长、宽、高和周期尺寸。
进一步地，所有的所述硅纳米砖高度相同。
进一步地，所述衬底的材料为二氧化硅。
进一步地，所述硅纳米砖的材料为硅薄膜。
进一步地，所述硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺寸。
进一步地，所述起偏器的工作波长范围为1460nm-1625nm。
进一步地，各所述阵列单元内的硅纳米砖数量均相同。
本发明还提供了一种如上所述的起偏器的制备方法，包括如下步骤：
优化所述硅纳米砖的几何参数，以使得线偏振光通过所述硅纳米砖后在X轴方向上的相位phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N；
将phix相同的所述硅纳米砖组成一个阵列单元，N个所述阵列单元沿顺时针或逆时针方向呈等差数列分布，形成所述硅纳米砖阵列；
根据所述硅纳米砖阵列，采用光刻工艺制备起偏器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供的起偏器，集成度高，体积小，结构紧凑，可以实现将线偏振光转换为圆偏振涡旋光。
(2)本发明提供的起偏器的工作效率更高。
(3)采用低损耗介质材料的硅纳米砖共振结构可以精确控制入射光波的相位。
附图说明
图1为本发明实施例提供的周期性硅纳米砖结构单元示意图；
图2为本发明实施例提供的圆偏振涡旋光起偏器结构示意图。
图中：1、衬底；2、硅纳米砖；3、阵列单元；L、硅纳米砖的长度；W、硅纳米砖的宽度；H、硅纳米砖的高度；P、硅纳米砖周期尺寸。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
参见图1和2所示，本发明实施例提供了一种基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器，采用低损耗介质材料的硅纳米砖共振结构可以精确控制入射光波的相位，可以实现电场沿45°共振的垂直入射线偏振光转换为圆偏振的涡旋光输出。该起偏器包括透明的衬底1和硅纳米砖阵列；硅纳米砖阵列包括分布在衬底1上的多个朝向相同的硅纳米砖2，硅纳米砖阵列内设有多条经过其中心点的分隔线，位于相邻两条分隔线之间的硅纳米砖2组成一个阵列单元3，分隔线将硅纳米砖阵列分隔成N个阵列单元3，N≥3；应该说明的是，分隔线只是为了便于对本方案进行描述而提供的虚拟的线，在本方案中并不存在，分隔线与相邻两个阵列单元3之间是否存在间隔并无关系。
在同一个阵列单元3内的所有的硅纳米砖2的几何参数相同，不同的阵列单元3内的硅纳米砖2几何参数不同；也即根据硅纳米砖2的几何参数来划分阵列单元3，具有相同的几何参数的硅纳米砖2划归在同一个阵列单元3中。
以硅纳米砖2的长、宽和高分别为X、Y和Z轴建立坐标系，电场沿45°共振的垂直入射线偏振光入射硅纳米砖2之前，在X、Y轴方向上可以分成振幅相等、相位相等的两束线偏振光，通过后的振幅分别为Tx、Ty，振幅基本相等，相位分别为phix、phiy，硅纳米砖2的几何参数使得phix-phiy的绝对值为90°，即dphi＝phix-phiy＝90°或者dphi＝phiy-phix＝90°，且沿顺时针或逆时针方向，位于不同的阵列单元3的phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N，几何参数包括硅纳米砖2的长、宽、高和周期尺寸。
本发明提供的起偏器，集成度高，体积小，结构紧凑，工作效率高，可以实现将线偏振光转换为圆偏振涡旋光。
参见图1所示，硅纳米砖结构单元包括一个硅纳米砖2和相应的衬底部分，该相应的衬底部分的长和宽称为硅纳米砖2的周期尺寸，记为P；
所有的硅纳米砖2高度相同。
衬底1的材料为二氧化硅。
硅纳米砖2的材料为硅薄膜。
硅纳米砖2的长宽高均为亚波长尺寸。
起偏器的工作波长范围为1460nm-1625nm，从而可以覆盖光纤通信的S、C、L波段内的圆偏振涡旋光的产生。
各阵列单元3内的硅纳米砖2数量均相同。
实施例2
参见图1和图2所示，本实施例提供了一种基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器，选取工作波长为1550nm，以硅纳米砖2的长、宽和高分别为X、Y和Z轴，并构建坐标系；
本实施例中，硅纳米砖阵列由8个阵列单元3组成，优化后，各阵列单元3中的硅纳米砖2的长、宽、高见下表1：
表1：优化后的硅纳米砖几何参数
phix 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315°
dphi 90° 90° 90° 90° 90° 90° 90° 90°
W 240nm 180nm 345nm 300nm 315nm 300nm 285nm 270nm
L 345nm 360nm 690nm 705nm 420nm 390nm 360nm 345nm
H 865nm 865nm 865nm 865nm 865nm 865nm 865nm 865nm
P 750nm 750nm 750nm 750nm 750nm 750nm 750nm 750nm
实施例3
本发明实施例还提供了一种上述起偏器的制备方法，包括如下步骤：
S1：采用现有的CST STUDIO SUITE电磁仿真工具，在工作波长下优化硅纳米砖2的几何参数，即硅纳米砖的长，宽，高和周期尺寸，以使得线偏振光入射硅纳米砖2后在X轴方向上的相位phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N；
S2：将phix相同的硅纳米砖2组成一个阵列单元3，这样可以将所有的硅纳米砖2分成N个阵列单元3，N个阵列单元3沿顺时针或逆时针方向呈等差数列分布，形成硅纳米砖阵列；
S3：根据硅纳米砖阵列，采用光刻工艺制备起偏器。
光刻工艺的具体步骤包括：
S30：在衬底1上镀硅薄膜；
S31：在硅薄膜上涂镀光刻胶；
S32：采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；
S33：依次通过显影、刻蚀，即在衬底1上获得硅纳米砖阵列。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (8)

1.一种基于硅纳米砖阵列的圆偏振涡旋光起偏器，其特征在于，其包括：
透明的衬底(1)；
硅纳米砖阵列，其包括分布在所述衬底(1)上的多个朝向相同的硅纳米砖(2)，所述硅纳米砖阵列内设有多条经过其中心点的分隔线，位于相邻两条所述分隔线之间的硅纳米砖(2)组成一个阵列单元(3)，所述分隔线将所述硅纳米砖阵列分隔成N个阵列单元(3)，N≥3；
同一所述阵列单元(3)内的硅纳米砖(2)几何参数相同，不同的所述阵列单元(3)内的硅纳米砖(2)几何参数不同；
以所述硅纳米砖(2)的长、宽和高分别为X、Y和Z轴建立坐标系，线偏振光通过所述硅纳米砖(2)后在X、Y轴方向上的相位分别为phix和phiy，所述硅纳米砖(2)的几何参数使得│phix-phiy│＝90°，且沿顺时针或逆时针方向，位于不同的所述阵列单元(3)的phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N，所述几何参数包括所述硅纳米砖(2)的长、宽、高和周期尺寸。
2.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于：所有的所述硅纳米砖(2)高度相同。
3.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于：所述衬底(1)的材料为二氧化硅。
4.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于：所述硅纳米砖(2)的材料为硅薄膜。
5.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于：所述硅纳米砖(2)的长宽高均为亚波长尺寸。
6.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于：所述起偏器的工作波长范围为1460nm-1625nm。
7.如权利要求1所述的起偏器，其特征在于：各所述阵列单元(3)内的硅纳米砖(2)数量均相同。
8.一种如权利要求1所述的起偏器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
优化所述硅纳米砖(2)的几何参数，以使得线偏振光通过所述硅纳米砖(2)后在X轴方向上的相位phix从0到360°呈等差数列，公差为360°/N；
将phix相同的所述硅纳米砖(2)组成一个阵列单元(3)，N个所述阵列单元(3)沿顺时针或逆时针方向呈等差数列分布，形成所述硅纳米砖阵列；
根据所述硅纳米砖阵列，采用光刻工艺制备起偏器。
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