CN109683334B - 一种透射式光分束器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种透射式光分束器及其制造方法，其中，透射式光分束器包括：基板和设置在基板一侧的介质层，介质层中形成有超构表面；超构表面包括多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元。本发明实施例提供的透射式光分束器，实现了对出射光的数量、光强、偏振及相位的精确调控，可应用于光束分数及量子分束等多种场景。

Description

一种透射式光分束器及其制造方法

技术领域

本发明实施例涉及光学技术领域，尤其涉及一种透射式光分束器及其制造方法。

背景技术

光分束器为光场及光信息调控中的一个重要组成部分，光场处理领域中有很多情况需要对入射光分为多束的同时对光场偏振及其相位进行调控，目前的光分束器主要为基于传统光波导制造，多为光通讯领域中作为光强分束器件，损耗过大、体积过大、成本高并且无法对多信道光场的光强、偏振、相位等光信号的自由度进行精确调控，这极大限制了光分束器的应用范围。

发明内容

本发明提供一种透射式光分束器及其制造方法，以实现对出射光的数量、光强、偏振及相位的精确调控。

第一方面，本发明实施例提供了一种透射式光分束器，包括：基板和设置在所述基板一侧的介质层，所述介质层中形成有超构表面；

所述超构表面包括多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元。

可选的，所述一重旋转对称的超构功能基元包括U型超构功能基元、V型超构功能基元以及W型超构功能基元中的至少一种；

所述两重旋转对称的超构功能基元包括长方形超构功能基元。

可选的，所述透射式光分束器的工作波长为L1，其中，380nm≤L1≤2μm；

在所述超构表面所在平面内，每个所述长方体超构结构基元的长度为L2，宽度为L3，其中，30nm≤L2≤1000nm，30nm≤L3≤1000nm；

在垂直所述超构表面所在平面的方向上，每个所述长方体超构结构基元的厚度为L4，其中，30nm≤L4≤3000nm。

可选的，所述超构表面的形状为矩形，所述超构表面的长度为D1，宽度为D2，其中，100μm≤D1≤15mm，100μm≤D2≤15mm。

可选的，所述介质层的制备材料包括金属材料、单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化钛、氮化硅以及氮化镓中的至少一种。

可选的，所述基板的制备材料包括玻璃、石英以及蓝宝石中的至少一种。

第二方面，本发明实施例还提供了一种透射式光分束器的制备方法，用于制备第一方面所述的任一透射式光分束器，该方法包括：

提供一基板；

在所述基板一侧制备介质层；

在所述介质层中制备超构表面，其中，所述超构表面包括多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元。

可选的，在所述介质层中制备超构表面，包括：

在所述介质层上制备电子束光刻正胶；

采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻正胶上刻写超构表面图案；

在所述介质层以及所述电子束光刻正胶上制备金属保护层；

去除所述电子束光刻正胶以及所述电子束光刻正胶上的金属保护层，保留所述介质层上的金属保护层；

采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案；

去除所述介质层上的金属保护层。

可选的，在所述介质层中制备超构表面，包括：

在所述介质层上制备电子束光刻负胶；

采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻负胶上刻写超构表面图案；

采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案；

去除所述介质层上的电子束光刻负胶。

可选的，在所述基板一侧制备介质层，包括：

采用电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射或原子气相沉积工艺，在所述基板一侧制备介质层。

本发明通过在介质层中基于贝里几何相位设计出具有多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元的超构表面，解决现有技术中的光分束器无法对多信道光场的光强、偏振、相位等光信号的自由度进行精确调控的问题，实现了对出射光的数量、光强、偏振及相位的精确调控的效果。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种透射式光分束器的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种透射式光分束器的超构表面的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种透射式光分束器工作时的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种透射式光分束器的局部示意图；

图5为本发明实施例提供的透射式光分束器的制备方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的一种透射式光分束器的制备方法流程示意图；

图7-图13为本发明实施例提供的制备透射式光分束器各个步骤的示意图；

图14是本发明实施例提供的另一种透射式光分束器的制备方法流程示意图；

图15-图19为本发明实施例提供的制备另一种透射式光分束器各个步骤的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

超构材料是人工设计构建而制成的新型光学结构材料，超构单元是其中的基本单元，能够使光以在天然材料中无法实现的方式进行传播。我们通过改变超构单元中的组成材料、几何形状等参数来调控光学超构材料的电磁响应，从而使其基本光学参数，比如有效电介质常数、磁导率和折射率等发生变化，而不受自身的化学组成所限制。通过合理的材料与结构搭配来设计光学超构材料，可以得到一些天然材料无法提供的光学现象，如光学隐身、负折射和超分辨成像等。但是由于三维超构材料在微纳加工中遇到极大的挑战，以及光在其传播时有着巨大的光学损耗，其在光学领域的应用受到了极大的限制，多年来鲜有重大的突破。光学超构表面(Metasurface)的出现很好解决了三维超构材料在微纳加工以及光学传播测量中遇到的困难。超构表面是由具有空间变化图案的超构单元所构成的界面，超构单元可由金属和电介质材料在衬底上通过几何设计组合而成。

光学上，光在传播通过不同材料界面时会出现相位突变，超构表面充分利用了这一原理，在亚波长尺度下对光的振幅、偏振、相位等进行精确调控，区别于三维超构材料，光学超构表面的二维属性使其体积更加紧凑，光传播效率更高。另外，超构表面的制备工艺与目前互补金属氧化物半导体技术兼容，容易集成到现有的光电技术及其器件中。从某种程度上说，超构平面的出现预示着“平面光学”新时代的到来。利用超构表面我们可以实现高效率的光分束器、光学全息成像、高数值孔径透镜，各种平面衍射光学元件等。

光分束器为光场及光信息调控中的一个重要组成部分，目前的光分束器一般采用传统光波导技术，主要通过对波导的分束来对光信号进行分束，此方法只能对光强进行分束，多为光通讯领域中作为光强分束器件，而无法同时对光强、偏振、相位和轨道角动量等光信号的自由度进行精确调控，并且有体积过大和损耗过大等问题，光场处理领域中有很多情况需要对入射光分为多束的同时对光场偏振及其相位进行调控，这在传统技术背景下无法达成，需要使用大量的光学元件进行调控，致使器件过大成本居高不下等问题，极大地限制了光分束器的使用场景与光信息技术的发展。

目前国内也未有基于电介质(如多晶硅、氧化钛和氮化硅等)超构表面所制成的透射式圆偏振光分束器的相关研究。为此，通过设计开发此类圆偏振光分束器，有望将其应用于量子分束和集成光学等领域，填补该领域的研究与应用空白。

基于上述技术问题，本发明实施例提供了一种透射式光分束器及其制造方法，通过在介质层中基于贝里几何相位设计出具有多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元的光学超构表面对入射光进行分束，可将入射光分为四束或者五束，不同于传统光波导，基于贝里几何相位所设计的光学超构表面体积更紧凑，并且损耗小、设计灵活的同时能针对入射圆偏振光进行精确的定向分束，解决现有技术中的光分束器无法通过单芯片对多信道光场的光强、偏振、相位等光信号的自由度进行精确调控的问题，为分束光偏振及相位调控提供有效的解决方案。

以上是本发明的核心思想，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种透射式光分束器的示意图，图2为本发明实施例提供的一种透射式光分束器的超构表面的示意图，参考图1和图2所示，本发明实施例提供的透射式光分束器包括：基板11和设置在基板11一侧的介质层12，介质层12中形成有超构表面13；超构表面13包括多个一重旋转对称的超构功能基元14，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元14。

其中，一重旋转对称是指超构功能基元14绕旋转对称中心旋转至少360度后，与超构功能基元14的初始状态重合；两重旋转对称是指超构功能基元14绕旋转对称中心旋转至少180度后，与超构功能基元14的初始状态重合。

在光学上，光在传播通过不同材料界面时会出现相位突变，超构表面13充分利用了这一原理，能够在亚波长尺度下对入射光的振幅、偏振、相位等进行精确调控。具有旋转对称特性的超构功能基元14仅允许特定级数的非线性谐波辐射，因此通过选择超构功能基元14的旋转对称性，可以获得特定圆偏振态的非线性谐波辐射，通过进一步旋转超构功能基元14，可以实现谐波辐射的非线性贝里几何相位从0-2π连续可调。

图3为本发明实施例提供的一种透射式光分束器工作时的示意图，如图3所示，具有多个超构功能基元14的超构表面13可将圆偏振入射光31分为四束或者五束圆偏振出射光，从而实现了仅通过单芯片的透射式光分束器对圆偏振光进行分束，减小了器件体积。

本发明实施例提供的透射式光分束器基于光学全息成像原理，通过在介质层中基于贝里几何相位设计出具有多个一重旋转对称的超构功能基元14，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元14的超构表面13，可以高效率地定向产生多束高斯光束和涡旋光束并且能够灵活控制光的自旋角动量(左/右圆偏振)、强度和光的相位，解决现有技术中的光分束器无法对多信道光场的光强、偏振、相位等光信号的自由度进行精确调控的问题，实现了对出射光的数量、光强、偏振及相位的精确调控的效果。本发明实施例提供的透射式光分束器将为超构表面在利用光的自旋、轨道角动量实现多维度经典光、量子光通信提供功能强大圆偏振透射式光分束器元件，并可为经典、量子光通信提高多维度信息编码技术。

可选的，一重旋转对称的超构功能基元14包括U型超构功能基元、V型超构功能基元以及W型超构功能基元中的至少一种；两重旋转对称的超构功能基元14包括长方体超构功能基元，其中，U型超构功能基元、V型超构功能基元以及W型超构功能基元等一重旋转对称的超构功能基元14可用于产生圆偏振态与基波相同或相反的倍频，长方体超构功能基元产生的三倍频的圆偏振分别与基波相同或相反，可以通过简单的旋转上述超构功能基元14的方向，实现对不同级次的非线性谐波辐射的贝里几何相位的连续可调。

可选的，图4为本发明实施例提供的一种透射式光分束器的局部示意图，本发明实施例提供的透射式光分束器的工作波长为L1，其中，380nm≤L1≤2μm；在超构表面13所在平面内，每个长方体超构结构基元14的长度为L2，宽度为L3，其中，30nm≤L2≤1000nm，30nm≤L3≤1000nm；在垂直超构表面13所在平面的方向上，每个长方体超构结构基元的厚度为L4，其中，30nm≤L4≤3000nm，超构结构基元14的尺寸与工作波长相当或者小于工作波长，其反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与常规光学元件截然不同的特征，从而通过在超构表面13上引入光的相位突变，可以在亚波长尺度下实现对光的偏振、振幅和相位的有效调控，光在通过亚波长厚度的超构表面13时会减少对传播效应的依赖，因此所带来的色散效应更弱，此外，超薄的超构表面13更易与现有的互补金属氧化物半导体技术兼容，因此更容易集成到现有的光电技术中。

可选的，继续参考图2所示，超构表面13的形状为矩形，超构表面13的长度为D1，宽度为D2，其中，100μm≤D1≤15mm，100μm≤D2≤15mm，微米尺度的超构表面使得透射式光分束器的体积小，损耗更低。

可选的，介质层12的制备材料包括金属材料、单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化钛、氮化硅以及氮化镓中的至少一种，通过合理的制备材料与超构表面13的结构搭配能够更好的实现光分束器对出射光的数量、光强、偏振及相位的精确调控。

可选的，基板11的制备材料包括玻璃、石英以及蓝宝石中的至少一种，透明的基板11保证光分束器能够工作在透射模式下。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种透射式光分束器的制备方法，用于制备上述实施例提供的任一透射式光分束器，与上述实施例相同或相应的结构以及术语的解释在此不再赘述，图5为本发明实施例提供的透射式光分束器的制备方法的流程示意图，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤110、提供一基板。

步骤120、在所述基板一侧制备介质层。

步骤130、在所述介质层中制备超构表面，其中，所述超构表面包括多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元。

其中，所述基板包括玻璃、石英或蓝宝石基片等透明衬底，可利用微纳镀膜制备技术在基板上制备出介质层，所述介质层的厚度为100-5000nm，所述介质层材料包括金属材料、单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化钛、氮化硅以及氮化镓中的至少一种。

本发明实施例提供的透射式光分束器的制备方法，通过在介质层中基于贝里几何相位设计出具有多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元的超构表面，超构表面可以高效率地定向产生多束高斯光束和涡旋光束并且能够灵活控制光的自旋角动量(左/右圆偏振)、强度和光的相位，解决现有技术中的光分束器无法对多信道光场的光强、偏振、相位等光信号的自由度进行精确调控的问题，实现了对出射光的数量、光强、偏振及相位的精确调控的效果。本发明实施例提供方法所制备的的透射式光分束器将为超构表面在利用光的自旋、轨道角动量实现多维度经典光及量子分束提供功能强大圆偏振透射式光分束器元件，并可为经典、量子光通信提高多维度信息编码技术。

可选的，在介质层层制备超构表面可以分别通过电子束光刻正胶和电子束光刻负胶的方式实现，下面将分别针对上述两种实现方式进行详细说明。

图6是本发明实施例提供的一种透射式光分束器的制备方法流程示意图，如图6所示，本发明实施例提供的透射式光分束器的制备方法可以包括：

步骤210、提供一基板。

步骤220、在所述基板一侧制备介质层。

步骤230、在所述介质层上制备电子束光刻正胶。

步骤240、采用电子束光刻工艺在在所述电子束光刻正胶上刻写超构表面图案。

步骤250、在所述介质层以及所述电子束光刻正胶上制备金属保护层。

步骤260、去除所述电子束光刻正胶以及所述电子束光刻正胶上的金属保护层，保留所述介质层上的金属保护层。

步骤270、采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案。

步骤280、去除所述介质层上的金属保护层。

图7-图13为本发明实施例提供的制备透射式光分束器各个步骤的示意图，参考图7-图13所示，在所述介质层52上制备电子束光刻正胶53；其中，电子束光刻正胶53包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或ZEP胶等，所述电子束光刻正胶53涂覆的厚度为70-500nm。

采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻正胶53上刻写超构表面图案；其中，刻写超构表面图案包括：将超构表面图案导入电子束光刻仪器；对所述电子束光刻正胶53进行电子束曝光处理，电子束光刻正胶53内电子束曝光区域发生变化，没有曝光的电子束光刻正胶53特性没有发生变化；使用显影液对电子束光刻正胶53进行显影处理，电子束光刻正胶53内电子束曝光区域溶于显影液，从而将超构表面图案转移到电子束光刻正胶53中。

在所述介质层52以及所述电子束光刻正胶53上制备金属保护层54；其中，可利用电子束蒸镀技术在所述介质层52以及所述电子束光刻正胶53上蒸镀一层抗刻蚀的金属保护层54，所述金属保护层54的材料包括金属铬(Cr)。

去除所述电子束光刻正胶53以及所述电子束光刻正胶53上的金属保护层54，保留所述介质层52上的金属保护层54；其中，采用与电子束光刻正胶53相应的去胶液去除电子束光刻正胶53，所述电子束光刻正胶53上的金属保护层54会随电子束光刻正胶53一起被去除。

采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案；其中，可采用ICP干法刻蚀技术刻蚀所述介质层52，可选的，刻蚀的深度为介质层的厚度，示例性的，刻蚀的深度为100-5000nm。

去除所述介质层52上的金属保护层54；其中，若采用金属铬为金属保护层54，可用铬刻蚀液清洗溶解金属铬保护层从而得到基于超构表面的透射式光分束器。

图14是本发明实施例提供的另一种透射式光分束器的制备方法流程示意图，如图14所示，本发明实施例提供的透射式光分束器的制备方法可以包括：

步骤310、提供一基板。

步骤320、在所述基板一侧制备介质层。

步骤230、在所述介质层上制备电子束光刻负胶。

步骤240、采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻负胶上刻写超构表面图案。

步骤250、采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案。

步骤260、去除所述介质层上的电子束光刻负胶。

图15-图19为本发明实施例提供的制备透射式光分束器各个步骤的示意图，参考图15-图19所示，在所述介质层上制备电子束光刻负胶55；其中，所述电子束光刻负胶55包括HSQ胶等，可采用旋涂的方式在所述介质层52上制备电子束光刻负胶55，所述电子束光刻负胶55涂覆的厚度为70-500nm。

采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻负胶55上刻写超构表面图案；其中，刻写超构表面图案包括：将超构表面图案导入电子束光刻仪器；对电子束光刻负胶55进行电子束曝光处理，电子束光刻负胶55内电子束曝光区域发生变化，没有曝光的电子束光刻负胶区域55特性没有发生变化；使用显影液对电子束光刻负胶55进行显影处理。电子束光刻负胶55内没有曝光区域溶于显影液，从而将超构表面图案转移到电子束光刻负胶55中。

采用刻蚀工艺在所述介质层52中刻写所述超构表面图案；其中，利用电子束光刻负胶55作为保护层，采用ICP干法刻蚀技术刻蚀所述介质层52，可选的，刻蚀的深度为介质层的厚度，示例性的，刻蚀的深度为100-5000nm。

去除所述介质层52上的电子束光刻负胶55；其中，采用与电子束光刻负胶55相应的去胶液去除电子束光刻负胶55，从而得到基于超构表面的透射式光分束器。

可选的，在所述基板51一侧制备介质层52，还包括：

采用电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射或原子气相沉积工艺，在所述基板51一侧制备介质层52。

本发明实施例提供的透射式光分束器的制备方法利用电子束光刻技术制作基于光学超构表面的透射式光分束器，制备的透射式光分束器可以高效率地定向产生多束圆偏振光，该方法能够实现高精度定向透射式光分束器的规模化生产。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种透射式光分束器，其特征在于，所述透射式光分束器用于产生多束圆偏振光，所述透射式光分束器包括：基板和设置在所述基板一侧的介质层，所述介质层中形成有超构表面；

所述超构表面包括多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元。

2.根据权利要求1所述的透射式光分束器，其特征在于，所述一重旋转对称的超构功能基元包括U型超构功能基元、V型超构功能基元以及W型超构功能基元中的至少一种；

所述两重旋转对称的超构功能基元包括长方体超构功能基元。

3.根据权利要求2所述的透射式光分束器，其特征在于，所述透射式光分束器的工作波长为L1，其中，380nm≤L1≤2μm；

在所述超构表面所在平面内，每个所述长方体超构结构基元的长度为L2，宽度为L3，其中，30nm≤L2≤1000nm，30nm≤L3≤1000nm；

在垂直所述超构表面所在平面的方向上，每个所述长方体超构结构基元的厚度为L4，其中，30nm≤L4≤3000nm。

4.根据权利要求1所述的透射式光分束器，其特征在于，所述超构表面的形状为矩形，所述超构表面的长度为D1，宽度为D2，其中，100μm≤D1≤15mm，100μm≤D2≤15mm。

5.根据权利要求1所述的透射式光分束器，其特征在于，所述介质层的制备材料包括金属材料、单晶硅、多晶硅、非晶硅、氧化钛、氮化硅以及氮化镓中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的透射式光分束器，其特征在于，所述基板的制备材料包括玻璃、石英以及蓝宝石中的至少一种。

7.一种透射式光分束器的制备方法，用于制备权利要求1-6任一项所述的透射式光分束器，其特征在于，包括：

提供一基板；

在所述基板一侧制备介质层；

在所述介质层中制备超构表面，其中，所述超构表面包括多个一重旋转对称的超构功能基元，和/或，多个两重旋转对称的超构功能基元。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述介质层中制备超构表面，包括：

在所述介质层上制备电子束光刻正胶；

采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻正胶上刻写超构表面图案；

在所述介质层以及所述电子束光刻正胶上制备金属保护层；

去除所述电子束光刻正胶以及所述电子束光刻正胶上的金属保护层，保留所述介质层上的金属保护层；

采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案；

去除所述介质层上的金属保护层。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述介质层中制备超构表面，包括：

在所述介质层上制备电子束光刻负胶；

采用电子束光刻工艺在所述电子束光刻负胶上刻写超构表面图案；

采用刻蚀工艺在所述介质层中刻写所述超构表面图案；

去除所述介质层上的电子束光刻负胶。

10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述基板一侧制备介质层，包括：

采用电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射或原子气相沉积工艺，在所述基板一侧制备介质层。

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