CN110146999B

CN110146999B - 一种可调谐超材料偏振器及其制作方法

Info

Publication number: CN110146999B
Application number: CN201910419793.3A
Authority: CN
Inventors: 闵力; 王文进; 罗文华; 文于华; 李照宇; 邹新长; 刘均
Original assignee: Hunan Institute of Science and Technology
Current assignee: Hunan Institute of Science and Technology
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2019-05-20
Publication date: 2022-08-23
Anticipated expiration: 2039-05-20
Also published as: CN110146999A

Abstract

本发明公开了一种可调谐超材料偏振器及其制作方法。在衬底上的由掺杂半导体超材料共振单元构成的超材料阵列，共振单元的第一电源端口接调控电源的正极，共振单元的第二电源端口接调控电源的负极，避免了通过线偏振器和四分之一波片来构造偏振器，缩小了体积且易于集成。此外，通过外部电场调节半导体内部载流子的浓度，实现了动态调控超材料的电磁共振强度，从而满足了偏振器不同工作波长的需求，拓宽了工作波长的适用范围。

Description

一种可调谐超材料偏振器及其制作方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种可调谐超材料偏振器及其制作方法。

背景技术

随着现代光学器件的发展，圆偏振器作为光学领域中的一种重要偏振元器件，它在偏振分光、彩色显示、激光技术、生物光学成像与传感等方面有着令人瞩目的应用。目前，传统的圆偏振元件通常是利用线偏振器和四分之一波片两个分离元器件来构造，这就会导致传统的圆偏振器的体积大且难以集成。另外，从原理上讲，四分之一波片只适用于某一波长的电磁波，因此，工作波长范围非常有限。

发明内容

本发明通过提供一种可调谐超材料偏振器及其制作方法，解决了现有技术中体积大、难以集成、工作波长范围非常有限的技术问题，实现了缩小体积、易于集成、拓宽工作波长的适用范围的技术效果。

本发明提供了一种可调谐超材料偏振器，包括：调控电源、衬底和形成在所述衬底上的由掺杂半导体超材料共振单元构成的超材料阵列；所述共振单元的第一电源端口接所述调控电源的正极，所述共振单元的第二电源端口接所述调控电源的负极。

进一步地，所述共振单元的周期长度大于两倍的工作波长。

进一步地，所述共振单元包括：用于激发超材料产生电磁共振的第一掺杂半导体和用于激发法诺共振的第二掺杂半导体和第三掺杂半导体；所述第一掺杂半导体的第一电源端口接所述调控电源的正极，所述第一掺杂半导体的第二电源端口接所述调控电源的负极；所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体的第一电源端口并联接入所述调控电源的正极，所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体的第二电源端口并联接入所述调控电源的负极。

进一步地，所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体对称分布在所述第一掺杂半导体的同一侧。

进一步地，所述第一掺杂半导体、所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体均为P-N型掺杂半导体。

进一步地，所述第一掺杂半导体、所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体中的P型掺杂区域和N型掺杂区域的长度比范围为1:1-10:1。

进一步地，所述衬底为本征半导体材料或介质材料。

本发明还提供了一种可调谐超材料偏振器的制作方法，包括：

在基片上生长氧化物，得到含有氧化物薄膜的衬底；

掩模并刻蚀所述氧化物来开辟第一窗口，并通过所述第一窗口向所述衬底掺杂注入第一杂质，在所述衬底内部形成第一掺杂区域；

刻蚀所述衬底表面的氧化物，并在所述衬底上再次生长氧化物；

掩模并刻蚀所述氧化物来开辟第二窗口，通过所述第二窗口向所述衬底掺杂注入第二杂质，在所述衬底内部形成第二掺杂区域，且所述第二掺杂区域位于所述第一掺杂区域的旁边；

刻蚀所述衬底上的所有氧化物，涂覆光刻胶；

将掩模板置于所述光刻胶上进行光刻显影；

移去所述掩模板，剥离所述光刻胶，并刻蚀所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域侧面周围的衬底；

在所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域的两侧电镀电极，接引线，形成掺杂半导体超材料偏振器。

进一步地，在所述将掩模板置于所述光刻胶上进行光刻显影之前，还包括：

结合超材料结构单元的结构图案，制作超材料结构单元掩模板。

进一步地，在所述刻蚀所述衬底上的所有氧化物之后，还包括：

对所述衬底的表面进行清洁。

本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在衬底上的由掺杂半导体超材料共振单元构成的超材料阵列，共振单元的第一电源端口接调控电源的正极，共振单元的第二电源端口接调控电源的负极，避免了通过线偏振器和四分之一波片来构造偏振器，缩小了体积且易于集成。此外，通过外部电场调节半导体内部载流子的浓度，实现了动态调控超材料的电磁共振强度，从而满足了偏振器不同工作波长的需求，拓宽了工作波长的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的立体图；

图2为本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器中共振单元2的平面图；

图3为本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的制作方法的流程图；

图4为实施本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的制作方法的效果图；

图5为本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器在不同电压下左旋圆偏振光的透射光谱；

图6为本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器在不同电压下右旋圆偏振光的透射光谱；

图7为本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器在不同电压下的消光比；

其中，1-衬底，2-共振单元，3-第一掺杂半导体，4-第二掺杂半导体，5-第三掺杂半导体，6-第一调控电源，7-第二调控电源，8-本征半导体，9-P型掺杂区域，10-N型掺杂区域。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种可调谐超材料偏振器及其制作方法，解决了现有技术中体积大、难以集成、工作波长范围非常有限的技术问题，实现了缩小体积、易于集成、拓宽工作波长的适用范围的技术效果。

本发明实施例中的技术方案为解决上述问题，总体思路如下：

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

参见图1，本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器，包括：调控电源、衬底1和形成在衬底1上的由掺杂半导体超材料共振单元2构成的超材料阵列；共振单元2的第一电源端口接调控电源的正极，共振单元2的第二电源端口接调控电源的负极。

这里需要说明的是，共振单元2的数量不限于图1所示的数量，可根据实际需要设定共振单元2的数量和尺寸。

为了避免相邻的共振单元2之间发生近场效应，以防止干扰，共振单元2的周期长度大于两倍的工作波长。

对共振单元2的结构进行具体说明，共振单元2包括：用于激发超材料产生电磁共振的第一掺杂半导体3和用于激发法诺共振(Fano共振)的第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5；第一掺杂半导体3的第一电源端口接调控电源的正极，第一掺杂半导体3的第二电源端口接调控电源的负极；第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的第一电源端口并联接入调控电源的正极，第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的第二电源端口并联接入调控电源的负极。

具体地，参见图2，第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5对称分布在第一掺杂半导体3的同一侧。

在本发明中，第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5均为P-N型掺杂半导体。第一掺杂半导体3的P型掺杂端和N型掺杂端分别连接第一调控电源6的正极和负极。第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5并联接入第二调控电源7，二者的P型掺杂端和N型掺杂端分别连接第二调控电源7的正极和负极。第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5均为长方形，当然，第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5也可以为其他形状。衬底1为本征半导体8材料或介质材料。

为了便于设计、制备与集成，第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的厚度一样。

为了增强法诺电磁共振，第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的尺寸相同。

上述结构尺寸参数可根据具体所需工作波长来设定，第一掺杂半导体3在沿Y轴方向的长度越长，则超材料的共振波长越大；第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5在沿Y轴方向的间距越宽，则Fano共振波长越大；N型掺杂区域10越大，则超材料共振波长和Fano共振波长的动态调控范围越大。

为了易于控制掺杂的整体均匀性以及提高外部电极连接的稳定性，第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5中的P型掺杂区域9和N型掺杂区域10的长度比范围为1:1-10:1。

参见图3和图4，本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的制作方法，包括：

步骤S110：在基片上生长氧化物，得到含有氧化物薄膜的衬底1；

对本步骤进行具体说明：

选择本征半导体8(如Si)，清洁表面，并在本征半导体8上生长氧化物(如SiO)，得到含有氧化物薄膜的本征半导体8(基底或衬底1)。

步骤S120：掩模并刻蚀氧化物来开辟第一窗口，并通过第一窗口向衬底1掺杂注入第一杂质，在衬底1内部形成第一掺杂区域；

对本步骤进行具体说明：

结合超材料结构单元N型区域图案，制作N掩模板，掩模并刻蚀本征半导体8表面上的氧化物来开辟第一窗口，并通过第一窗口向本征半导体8掺杂注入第一杂质，使本征半导体8内部形成N型掺杂区域10。

步骤S130：刻蚀衬底1表面的氧化物，并在衬底1上再次生长氧化物；

步骤S140：掩模并刻蚀氧化物来开辟第二窗口，通过第二窗口向衬底1掺杂注入第二杂质，在衬底1内部形成第二掺杂区域，且第二掺杂区域位于第一掺杂区域的旁边；

对本步骤进行具体说明：

结合超材料结构单元P型区域图案，制作P掩模板，掩模并刻蚀本征半导体8表面上的氧化物来开辟第二窗口，通过第二窗口向本征半导体8掺杂注入第二杂质，使本征半导体8内部形成P型掺杂区域9。

这里需要说明的是，N型掺杂区域10和P型掺杂区域9的形成过程不分先后顺序，也就是说，也可以先形成P型掺杂区域9，再形成N型掺杂区域10。

步骤S150：刻蚀衬底1上的所有氧化物，涂覆光刻胶(正胶)；

为了使光刻胶均匀贴合衬底1，在刻蚀衬底1上的所有氧化物之后，还包括：

对衬底1的表面进行清洁。

具体地，对衬底1的表面进行丙酮浸泡，超声波清洗，并用氮气吹干。

步骤S160：将掩模板置于光刻胶上进行光刻显影；

具体地，在将掩模板置于光刻胶上进行光刻显影之前，还包括：

步骤S170：移去掩模板，剥离光刻胶，并刻蚀第一掺杂区域和第二掺杂区域侧面周围的衬底1；

步骤S180：在第一掺杂区域和第二掺杂区域的两侧电镀电极，接引线，形成掺杂半导体超材料偏振器。当需要使用时，将调控电源连接引线即可。

下面对本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的工作原理进行说明：

当外接第一调控电源6或第二调控电源7的电压为0时，自由载流子扩散场和反向场共同作用使得P型掺杂区域9和N型掺杂区域10之间形成了空间电荷区，此时自由载流子被限定在特定区域，导致共振单元2内部平均自由载流子的浓度过低，无法激发的。当第一调控电源6或第二调控电源7的电压达到或超过某值时，空间电荷区将被外部电场破坏，若继续增加外部电压，将有越来越多的自由载流子流入共振单元2内部，此时共振单元2的等离子属性逐渐增强，电磁共振强度也将逐渐增强。因此，可通过控制第一调控电源6或第二调控电源7的电压来分别调节二者电磁共振强度和相位突变量，进而来调控偏振器的工作状态。

基于上述原理，本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的结构参数的设定为：共振单元2结构中第一掺杂半导体3的宽度l_x1＝1μm，长度l_y1＝4μm，P型掺杂区域9与N型掺杂区域10在Y轴方向上的长度分别为3.6μm和0.4μm；第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的尺寸相同，宽度l_x2＝l_x3＝1μm，长度l_y2＝l_y3＝4μm，P型掺杂区域9与N型掺杂区域10在X轴方向上的长度分别为0.9μm和0.1μm；第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的厚度均为0.25μm；第一掺杂半导体3与第二掺杂半导体4、第三掺杂半导体5的间距均为d_x＝1μm；第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的间距d_y＝2μm；共振单元2在X轴和Y轴方向上的周期长度均为6μm。衬底1和共振单元2的材料均选择Si半导体材料，其中衬底1为本征Si半导体，共振单元2中的第一掺杂半导体3、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5均为掺杂GaAs半导体，其中P型区域和N型区域的掺杂浓度均为4×10¹⁸cm^-3。下面结合COMSOLMultiphysics软件进行模拟仿真计算，结果如图5、图6和图7所示。

当设定第一调控电源6的电压U₁＝0.8V、第二调控电源7的电压U₂＝0.2V时，在15.6μm和17μm波长处，分别发生了超材料电磁共振(箭头8示意)和Fano共振(箭头9示意)，如图5实线所示。由于右旋圆偏振入射光既没有引起超材料电磁共振，也没引起Fano电磁共振，因此，透射谱线没有发生电磁共振迹象，如图6实线所示。因此，所述超材料偏振器在上述两个工作波长附近的波段处，实现了左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的有效识别与分离。在上述共振波长(15.6μm和17μm)处，左旋光与右旋光的选择比分别为3.5:1和3:1，如图7实线所示。

当设定第一调控电源6的电压U₁＝0.8V保持不变，随着第二调控电源7的电压U₂的增加(从0.2V增加到0.6V)，如前所述，第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5内部的自由载流子的浓度会逐渐增加，导致Fano电磁共振的强度逐渐增强，如图7所示。与此同时，需注意，尽管第一调控电源6的电压U₁没有直接改变第一掺杂半导体3内部电子的浓度，但由于第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的近场效应，从而影响了第一掺杂半导体3内部的载流子运动和分布状态，因而其电磁共振的强度也在随之增强。因此，偏振器在15.6μm到17μm整个波长范围内的消光比也在逐渐增高，而且其工作带宽也在随之增大。

【技术效果】

1、在衬底1上的由掺杂半导体超材料共振单元2构成的超材料阵列，共振单元2的第一电源端口接调控电源的正极，共振单元2的第二电源端口接调控电源的负极，避免了通过线偏振器和四分之一波片来构造偏振器，缩小了体积且易于集成。此外，通过外部电场调节半导体内部载流子的浓度，实现了动态调控超材料的电磁共振强度，从而满足了偏振器不同工作波长的需求，拓宽了工作波长的适用范围。

2、共振单元2的周期长度大于两倍的工作波长，避免了相邻的共振单元2之间发生近场效应，防止了干扰，提高了精度。

3、通过合理的设计，不仅可以实现超材料自身的电磁共振效应，而且还能引起其它波段的共振(Fano共振)，若充分利用这两个共振效应，则可使超材料偏振器的工作带宽更宽。

4、本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器采用低损耗的半导体来构建，因此，制作出的偏振器的损耗更低。

5、第二掺杂半导体4和第三掺杂半导体5的尺寸相同，增强了法诺电磁共振。

6、掺杂半导体中的P型掺杂区域9和N型掺杂区域10的长度比范围为1:1-10:1，实现了易于控制掺杂的整体均匀性以及提高外部电极连接的稳定性的效果。

本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器的工作特性可通过外部电压来调谐，这种直接调控的方式将使其调控性能更高、制作工艺更简单和精度更高，并能有效拓宽其工作波长的适用范围，这对设计和研发其他多频带、低损耗、微型化、高性能的可调谐光学元器件具有重要意义。综上所述，本发明实施例提供的可调谐超材料偏振器，具有可直接动态调谐、宽工作带宽、制作工艺简单、精度高、低损耗等优点。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种可调谐超材料偏振器，其特征在于，包括：调控电源、衬底和形成在所述衬底上的由掺杂半导体超材料共振单元构成的超材料阵列；所述共振单元的第一电源端口接所述调控电源的正极，所述共振单元的第二电源端口接所述调控电源的负极；所述共振单元包括：用于激发超材料产生电磁共振的第一掺杂半导体和用于激发法诺共振的第二掺杂半导体和第三掺杂半导体；所述第一掺杂半导体的第一电源端口接所述调控电源的正极，所述第一掺杂半导体的第二电源端口接所述调控电源的负极；所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体的第一电源端口并联接入所述调控电源的正极，所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体的第二电源端口并联接入所述调控电源的负极。

2.如权利要求1所述的可调谐超材料偏振器，其特征在于，所述共振单元的周期长度大于两倍的工作波长。

3.如权利要求1所述的可调谐超材料偏振器，其特征在于，所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体对称分布在所述第一掺杂半导体的同一侧。

4.如权利要求1所述的可调谐超材料偏振器，其特征在于，所述第一掺杂半导体、所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体均为P-N型掺杂半导体。

5.如权利要求4所述的可调谐超材料偏振器，其特征在于，所述第一掺杂半导体、所述第二掺杂半导体和所述第三掺杂半导体中的P型掺杂区域和N型掺杂区域的长度比范围为1:1-10:1。

6.如权利要求1-5中任一项所述的可调谐超材料偏振器，其特征在于，所述衬底为本征半导体材料或介质材料。