CN109799556A

CN109799556A - 基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器

Info

Publication number: CN109799556A
Application number: CN201910179538.6A
Authority: CN
Inventors: 吴俊�; 刘夏吟; 黄喆; 沈艳婷
Original assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Lover Health Science and Technology Development Co Ltd; Zhejiang University of Science and Technology ZUST
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2019-05-24

Abstract

本发明公开了一种基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。本发明可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的带宽和角度无关性；此外本发明只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，制作方法简单方便，成本低廉，适于大批量生产。

Description

基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器

技术领域

本发明涉及宽带光谱吸收器，特别涉及一种基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器。

背景技术

由于在太阳能捕获、热辐射控制和热成像等领域有着广泛的应用，基于微纳结构的宽带光吸收近年来被广泛的研究。太赫兹（THz）波是位于微波和远红外线之间的电磁波，是宽带光的一种。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，从此使得人们能够研究太赫兹。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、光谱与成像技术以及军工雷达等领域有着广泛的应用。而太赫兹波段的开发和利用离不开太赫兹功能器件，太赫兹吸收器是太赫兹应用的一种基本的功能器件，能被广泛应用于微型测辐射热仪、探测器、频谱成像、隐身等方面。为了获得太赫兹的吸收，已经有许多方法被提出，例如多重谐振的概念，也即构建一个超格点结构，其每个子单元谐振的频率带宽重合。这些超材料吸收器通常由三部分构成，即顶部亚波长周期性金属结构、电介质隔离层和底部金属基平面。尽管如此，这些方法通常都面临着有限的带宽或者复杂的设计和制造过程等缺陷，不利于实际的应用。另一方面，掺杂硅，作为一种高度有损的电介质材料，近年来已经被引入宽带光吸收领域，用来实现太赫兹波段的宽带光吸收。由于在太赫兹波段，可以用传统的光刻技术来制造具有复杂图案结构的微结构，使得掺杂硅成为太赫兹波段的宽带光吸收器件的一个有竞争力的候选材料。

目前的技术中，Pu等人【M. Pu et al., Opt. Express 20(23), 25513–25519(2012)】提出了基于两维高度掺杂硅光栅的太赫兹吸收器的设计思想，Peng等人【Y. Penget al., Opt. Express 23(3), 2032–2039 (2015)】利用简单的双层掺杂硅光栅设计了一个偏振无关的THz吸收器，其在0.59到2.58 THz范围内的吸收率高于95%。Zang等人【X.Zang et al., Sci. Rep. 5, 8901 】提出了一种简单的周期性结构，其由两个垂直交叉的哑铃形的掺杂硅光栅阵列构成，在0.92 THz 到2.4 THz范围内的吸收率高于95%。Cheng等人【Y. Z. Cheng et al., Adv. Opt. Mater., 3, 376–380】设计了一个吸收器，其由十字形的掺杂硅构成，在0.67 到1.78 THz范围内的吸收率高于90%。Yin 等人【S. Yin et al.,Appl. Phys. Lett. 107, 073903 】提出了一种太赫兹超材料吸收器，其基于图案化的有损掺杂硅衬底，可以在0.9 到2.5 THz，0°到70°的入射角范围内的实现高于95%的吸收。但是，Peng等人【Y. Peng et al., Opt. Express 23(3), 2032–2039 (2015)】和Yin 等人【S. Yin et al., Appl. Phys. Lett. 107, 073903(2015)】提出的双层结构，Zang等人【X. Zang et al., Sci. Rep. 5, 8901 (2015)】提出的垂直交叉的哑铃形结构，以及Cheng等人【Y. Z. Cheng et al., Adv. Opt. Mater., 3,376–380, (2015)】提出的十字结构，均存在着设计和制作困难，批量生产成本较高的问题，而且上述结构的带宽和角度无关性也并不理想。因此，如何研发一款带宽和角度无关性均优于上述结构；且只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，以降低制造和生产难度和成本，适于大批量生产的新型吸收器，成为了业界亟待解决的课题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器。本发明可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的带宽和角度无关性；此外本发明只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，制作方法简单方便，成本低廉，适于大批量生产。

本发明的技术方案：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。

上述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，所述电介质减反射层厚度为18～22微米；所述掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为70～75微米、34～38微米和44～52微米；所述衬底层的厚度大于240微米。

前述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，所述的电介质减反射层的厚度为20微米，两掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为72微米、36微米和48微米；所述衬底层的厚度为250微米。

前述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，所述电介质减反射层的材料为SiO₂，折射率为1.45。

与现有技术相比，本发明在由掺杂硅组成的衬底层上设置掺杂硅光栅阵列，掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；在相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设置电介质减反射层。本发明提出的结构可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，其带宽远宽于现有技术的带宽吸收，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的角度无关性，而且本发明的制作工艺简单，只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，由于镀膜工艺非常成熟，且厚度控制很精确，因而本专利制作简单，成本低，适于大批量生产。此外，本发明通过严格耦合波理论和模拟退火法则对这种偏振无关宽带吸收器的进行结构优化，得到最优的结构参数，进一步增加了偏振无关吸收，而且吸收器的性能稳定、可靠，具有非常优秀的实用前景。附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2是本发明的两维结构示意图；

图3是本发明实施例2的吸收效率随频率变化的曲线；

图4是本发明实施例2的TE偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图；

图5是本发明实施例2的TM偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图。

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说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，如图1所示，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。所述电介质减反射层的材料为SiO₂，折射率为1.45；如图2所示，1代表空气区域1（折射率为n ₁=1），2代表电介质减反射层（折射率为n ₂=1.45），3代表掺杂硅光栅阵列，4代表掺杂硅衬底，TE偏振光（电场方向沿着y轴）和TM偏振光（磁场方向沿着y轴）从空气区域1入射该器件。所述电介质减反射层的厚度为h ₁=18微米，掺杂硅光栅阵列的周期（光栅阵列的周期也叫光栅常数，是光栅两刻线之间的距离，用d表示）、宽度和厚度分别为d=70微米、w=34微米和h ₂=44微米，其中h=h ₂-h ₁ =26微米，h为掺杂硅光栅阵列裸露在空气中高度；所述底部高度掺杂硅衬底厚度为h ₃=240微米。

实施例2：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，如图1所示，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。所述电介质减反射层的材料为SiO₂，折射率为1.45；如图2所示，1代表空气区域1（折射率为n ₁=1），2代表电介质减反射层（折射率为n ₂=1.45），3代表掺杂硅光栅阵列，4代表掺杂硅衬底，TE偏振光（电场方向沿着y轴）和TM偏振光（磁场方向沿着y轴）从空气区域1入射该器件。所述电介质减反射层的厚度为h ₁=20微米，掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为d=72微米、w=36微米和h ₂=48微米，其中h=h ₂-h ₁ =28微米，h为掺杂硅光栅阵列裸露在空气中高度；所述底部高度掺杂硅衬底厚度为h ₃=250微米。

实施例3：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，如图1所示，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。所述电介质减反射层的材料为SiO₂，折射率为1.45；如图2所示，1代表空气区域1（折射率为n ₁=1），2代表电介质减反射层（折射率为n ₂=1.45），3代表掺杂硅光栅阵列，4代表掺杂硅衬底，TE偏振光（电场方向沿着y轴）和TM偏振光（磁场方向沿着y轴）从空气区域1入射该器件。所述电介质减反射层的厚度为h ₁=22微米，掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为d=75微米、w=38微米和h ₂=52微米，其中h=h ₂-h ₁ =30微米，h为掺杂硅光栅阵列裸露在空气中高度；所述底部高度掺杂硅衬底厚度为h ₃=260微米。

通常太赫兹的吸收是采用通过合理的设计太赫兹功能器件的物理尺寸以及材料的参数，能够与入射的电磁波的电磁分量产生耦合，进而对于入射到吸收器的特定频带内的电磁波实现的吸收，在图2中，本发明的吸收效率可以通过反射效率R(λ)和透射率T(λ)计算得出：，申请人通过改变实施例1、实施例2和实施例3中h ₁、h ₂的参数，设置了三组对比试验，第一组试验包括实施例1、试验例1和试验例2，第二组试验包括实施例2、试验例3和试验例4，第三组试验包括实施例3、试验例5和试验例6，试验中采用严格耦合波理论计算了该偏振无关宽带吸收器在太赫兹波段范围内的吸收效率，并利用模拟退火法则进行对本发明实施例的结构参数进行试验优化，用Δf表示偏振无关吸收率高于95%的频宽，其结果如表1所示：

表1

从表1中可以看出，本发明实施例1-3中的频宽均达到3.15THz以上，较现有技术中的2.5THz的吸收频宽有非常大的提高，而且当掺杂硅光栅阵列的周期d为72微米、宽度w为36微米、厚度h ₂为48微米、电介质减反射层厚度h ₁为20微米、衬底层h ₃为250微米时，其Δf数值最大，其吸收的频宽也最高，这是因为本发明利用严格耦合波理论和模拟退火法则对吸收器的结构参数进行试验优化，选择最为优选的结构参数，从而达到最大的带宽吸收频率。

本发明还对实施例2的自然光垂直入射时的器件的吸收率随频率变化进行制图，如附图3所示，从附图3中可以看出，本发明可以在0.79THz到4.115THz一个很宽的频率范围内的吸收率高于95%，本发明吸收的太赫兹波段的带宽宽度范围大，而且具有非常好的吸收效果。

申请人对实施例2进行吸收率随频率变化进行制图的同时，还取得TE偏振吸收效率随入射角和频率变化的二维图、TM偏振吸收效率随入射角和频率变化的二维图，如附图4-附图5所示。从图4中可以看当入射角小于61°（70°）时，在0.91-4.7 THz (0.93-5 THz)频率范围的吸收率高于90%（80%）；从图5中可以看出，当入射角小于61° (70°)时，在1.02-4.49 THz (1.04-5 THz)频率范围的吸收率高于90%（80%），由此，本发明可以在很大的入射角范围内都可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的角度无关性。

综上所述，本发明可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的带宽和角度无关性；此外本发明只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，制作方法简单方便，成本低廉，适于大批量生产。

Claims

1.基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。

2.根据权利要求1所述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：所述电介质减反射层厚度为18～22微米；所述掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为70～75微米、34～38微米和44～52微米；所述衬底层的厚度大于240微米。

3.根据权利要求2 所述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：所述的电介质减反射层的厚度为20微米，两掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为72微米、36微米和48微米；所述衬底层的厚度为250微米。

4.根据权利要求1-3任一项所述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：所述电介质减反射层的材料为SiO₂，折射率为1.45。