CN110308508A - 一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件，所述偏振器件包括基底和薄膜结构；所述基底上具有光栅，所述薄膜结构设置在所述光栅的顶部和底部；所述薄膜结构包括至少两层金属层和至少一层介质层，其中，每层所述介质层均位于两个所述金属层之间。本发明实施例的偏振器件基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件为实现超带宽，性能优异，容易制备的偏振器件提供了一个新的思路。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件，特别涉及一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件。
背景技术
偏振器是光学系统和光学测量中的重要器件。偏振芯片功能应用很广，在光学成像器件中(CCD偏振成像阵列)，平板显示技术、光通讯、集成光学、光电探测中有重要的应用前景。亚波长结构偏振器件具有体积小，工作波长范围宽且对入射角不敏感等优点，在上述应用中变得越来越重要。随着纳米光子学和纳米技术的不断发展，高质量、高性能的偏振器件也取得了很大的进展。在宽波长范围内起偏振作用的亚波长纳米线性偏振器(光栅周期小于工作波长)在器件的小型化和集成化、偏振成像、医疗应用和显示器等方面都有很好的应用。目前常用的金属线偏振光栅消光比较低、工作波段较窄。因此，红外宽波段高性能亚波长结构线偏振器件的研究具有重要意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件，所述偏振器件包括基底和薄膜结构；所述基底上具有光栅，所述薄膜结构设置在所述光栅的顶部和底部；所述薄膜结构包括至少两层金属层和至少一层介质层，其中，每层所述介质层均位于两个所述金属层之间。
进一步地，所述基底材料为ZnSe、SiO2、Y2O3、液晶、、ZnS或Ge。
进一步地，所述金属层的材质为铝、金、银或铬。
进一步地，所述介质层材料为腔结构材料，更进一步地，所述介质层的材质为BaF2、CaF2，MgF2，YF3，SrF2。
进一步地，所述光栅的周期为30nm以上，占空比为0.3～0.7，所述光栅的高度为30nm以上，所述金属层的高度为5nm以上；所述薄膜结构包括上下设置的两层所述介质层，其中，位于底层的所述介质层的厚度为20nm以上，位于顶层的所述介质层厚度也为20nm以上。
进一步地，所述偏振器件的工作波段为0.2-15μm。
本发明实施例提供的一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件是基于等效介质理论和时域有限差分的数值计算方法以及FP腔理论，提出了一种基于多腔亚结构光栅光栅的超宽波段线偏振器件，引入腔型光栅后由于共振腔效应，提高了TM透过率(特别在短波部分)和偏振消光比。同时通过改变腔长可调控TM透过率峰值位置，本发明实施例的偏振器件在整个0.2-15μm的宽带中获得了大于95dB的消光比和平均大于85％的TM透过率。基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件为实现超带宽，性能优异，容易制备的偏振器件提供了一个新的思路。
附图说明
图1为本发明实施例中偏振器件的结构示意图；
图2为实施例一中偏振器件的结构示意图；
图3为实施例一中偏振器件的单腔金属光栅线性偏振器的性能TMT；
图4为实施例一中偏振器件在3.0～5.0μm波段中的单腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图5为实施例一中偏振器件在5.0～8.0μm波段中的单腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图6为实施例一中偏振器件在8.0～13.0μm波段中的单腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图7为实施例二中偏振器件的结构示意图
图8实施例二中不同光栅高度的偏振器件的TMT；
图9实施例二中不同光栅高度的偏振器件在3.0～5.0μm波段中的单腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图10为实施例二中不同光栅高度的偏振器件在5.0～8.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图11为实施例二中不同光栅高度的偏振器件在8.0～13.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图12为实施例二中位于光栅底部不同厚度的BaF2腔层偏振器件的TMT；
图13为实施例二中位于光栅底部不同厚度的BaF2腔层偏振器件在3.0～5.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图14为实施例二中位于光栅底部不同厚度的BaF2腔层偏振器件在5.0～8.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图15为实施例二中位于光栅底部不同厚度的BaF2腔层偏振器件在8.0～13.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图16实施例二中位于光栅顶部厚度为150～400nm的BaF2腔层偏振器件的TMT；
图17为实施例二中位于光栅顶部厚度为400～800nm的BaF2腔层偏振器件的TMT；
图18为实施例二中位于光栅顶部不同厚度的BaF2腔层偏振器件在3.0～5.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图19为实施例二中位于光栅顶部不同厚度的BaF2腔层偏振器件在5.0～8.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图20为实施例二中位于光栅顶部不同厚度的BaF2腔层偏振器件在8.0～13.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图21为实施例二中具有不同铝层厚度的偏振器件的TMT；
图22为实施例二中具有不同铝层厚度的偏振器件在3.0～5.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图23为实施例二中具有不同铝层厚度的偏振器件在5.0～8.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图24为实施例二中具有不同铝层厚度的偏振器件在8.0～13.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图25为实施例二中具有不同占空比的偏振器件的TMT；
图26为实施例二中具有不同占空比的偏振器件在3.0～5.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图27为实施例二中具有不同占空比的偏振器件在5.0～8.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图28为实施例二中具有不同占空比的偏振器件在8.0～13.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图29为实施例一和实施例二中偏振器件的TMT；
图30为实施例一和实施例二中偏振器件在3.0～5.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图31为实施例一和实施例二中偏振器件在5.0～8.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图32为实施例一和实施例二中偏振器件在8.0～13.0μm波段中的双腔金属光栅线性偏振器的性能ER；
图33为实施例二中偏振器件的制备流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，如有术语“上”、“下”、“顶”、“底”、等指示的方位或者位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例中，未特殊说明的话，ER指消光比。TMT指TM Transmission，即TM光的透过率。金属纳米光栅允许TM光通过(即高TM传输，TMT)，而TE光被反射(即低TE传输，TET)，消光比ER＝10log(TMT/TET)
本发明实施例提供了一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件，偏振器件包括基底10和薄膜结构20；基底10上具有光栅11，薄膜结构20设置在光栅11的顶部和底部；薄膜结构20包括至少两层金属层21和至少一层介质层22，其中，每层介质层22均位于两个金属层21之间。
本发明实施例的偏振器件是基于等效介质理论和时域有限差分的数值计算方法以及FP腔理论(法布里-铂罗腔理论，即Fabry-perot腔理论)设计而成。如图1所示，图1中空心箭头指向为平面光入射方向。其中，22采用腔结构材料，如介质层22的材质为BaF2。薄膜结构可以设置一层介质层22以形成单腔结构的器件，也可以设置为两层以上的介质层22以形成多腔光栅结构器件。引入腔型光栅后由于共振腔效应，可大大提高TM透过率(特别在短波部分)和偏振消光比。同时通过改变腔长可调控TM透过率峰值位置。而且，本发明实施例的偏振器件工作波段为0.2-15μm，并且在该波段能够获得大于95dB的消光比和平均大于85％的TM透过率。
优选地，基底10材料为ZnSe、SiO2、Y2O3、液晶、ZnS或Ge。进一步优选地，金属层21的材质为铝、金、银或铬。更进一步优选地，基底10材料为ZnSe、CaF2，MgF2，YF3，SrF2。
在本发明一些优选实施例中，光栅的周期为30nm以上，占空比为0.3～0.7，光栅的高度为30nm以上，金属层的高度为5nm以上；薄膜结构包括上下设置的两层介质层，其中，位于底层的介质层的厚度为20nm以上，位于顶层的介质层厚度也为20nm以上。
下面结合具体实施例对本发明的偏振器件做进一步说明，可以理解的是，本发明并不限于以下实施例。
实施例一
如图2所示，在ZnSe基底10上刻蚀光栅11，然后在光栅11的顶部和底部形成薄膜结构。进一步地，本发明实施例中的薄膜结构包括一层介质层22。具体地，在光栅11的顶部依次蒸镀铝层、BaF2层和铝层。其中，周期P＝250nm，占空比DC＝0.5，光栅高度H1＝150nm，金属层21高度H2＝30nm，介质层22厚度用H3表示。本实施例中，由于只有一层介质层22，所以光栅11中的各介质层22的厚度H3均相等。
利用数值有限差分时域(FDTD)方法，可以计算和优化单腔亚波长光栅线偏振器件的TMT和ER。在计算建模中，X方向使用周期边界条件，Z方向使用完美匹配层条件。TM波和TE波分别沿Z轴的正方向从ZnSe衬底底部垂直入射，波长范围根据需要设置，优化过程是尽可能提高纳米光栅的TMT和ER，即最大化TM和最小化TE。
优化结果为图3至图6，其中，虚线是没有腔结构(腔结构亦指介质层22)仅仅是双层金属光栅做的一个对比。可以看出没有腔结构的光栅在短波的部分，TM透过率相对较低，十分影响器件超宽波段的使用，并且在3-5μm和8-12μm两个重要大气窗口波段的消光比并不高，也就是说，这个偏振器达不到设计的要求。
但当引入图2的腔结构后，各项性能都发生了很大的改善，TM透过率在前面的短波部分增益非常明显，当腔长(亦指介质层的厚度)逐渐变长的时候，TM透过率增益的峰值逐渐往长波方向移动，可以改变腔长从而改变TM透过率的峰值的位置。并且通过ZnSe和BaF2高低折射率的配合达到了增加TM透过率的效果。消光比也因为腔结构的作用得到提高。消光比的大大提高可以从偏振消光比的选择机理来理解，当一束光入射到金属纳米光栅上时，对于沿光栅方向的偏振分量，传导电子沿金属线方向运动，这与金属薄膜的情况完全相同。对于垂直于光栅方向的偏振分量，电子运动由于空气层的存在，无法形成电场和金属薄膜，从而导致该偏振分量的高传输。本发明实施例提出的结构相当于多套光栅的耦合，金属膜的效应更加的明显。
但其TM透过率的峰较窄，消光比仍有提高空间。所以在单层腔体结构光栅的基础上，提出了双层腔体结构光栅，看是否各腔之间具有耦合作用，能够拓宽TM透过率峰值的宽度，并进一步提高消光比。探讨了其他参数比如：金属光栅厚度、占空比、介质光栅高度、腔体高度对腔结构光栅性能的具体影响。
综上所述，引入腔结构的介质层后，由于共振腔效应和两套光栅的耦合作用，可大大提高TM透过率(特别在短波部分)和偏振消光比。同时通过改变腔长可调控TM透过率峰值位置。
实施例二
如图7所示，在ZnSe基底10上刻蚀光栅11，然后在光栅11的形成薄膜结构。薄膜结构包括在光栅11顶部和底部依次堆叠的两侧介质层22。两层介质层22形成双腔结构。具体地，在光栅11的底部依次蒸镀铝层、BaF2层和铝层。然后再光栅11的顶部再次蒸镀BaF2层和铝层。其中新形成的BaF2层位于底部的铝层之上。
参加图33，本实施例的偏振器件的制备过程大致为：
(1)用丙酮、无水乙醇各十分钟对ZnSe基底10进行超声清洗(图33a)；(2)将基底10放在光刻胶旋涂机上，设置转速为4000r/s，旋转30s，得到厚度约为300nm的光刻胶涂层30。将涂好光刻胶的片子，放在加热板上，设置温度为180℃烘烤一分钟，放置冷却一段时间(图33b)；(3)把烘好光刻胶的基底10，放入紫外双光束干涉曝光光路中，进行大约两分钟的曝光，然后放入显影液中进行显影，获得光刻胶掩模板(图33c)；(4)将光刻胶掩模板放入感应耦合等离子体刻蚀机中，刻蚀大约8分钟，可以得到槽形较好和深度约500nm的介质光栅(图33d)；(5)用电子束蒸发镀膜在光栅表面依次垂直蒸镀20nm厚的铝，300nm厚的BaF2，20nm厚的铝(图33e)。(6)清理电子束蒸发镀膜机，继续蒸镀300nm厚的BaF2和20nm厚的铝(图33f，亦指图7所示的偏振器件)。就可得到所需偏振器件。
下面对图7所示的偏振器件的各参数进行优化。本实施例中，优化的参数包括：光栅11高度H1、位于底层的BaF2层厚度H2、位于顶层的BaF2层厚度用H3表示，金属层21厚度用H4表示，各层金属层21的厚度相等。参加图7，空比用DC(DC＝W/P，其中P是周期，W是光栅宽度)表示。
具体地，光栅的结构周期选为250nm，通常，金属光栅的周期越短(与工作波长相比)，偏振越强。由于本发明实施例的偏振器件目标工作波段为3～13μm，因此，任何周期小于波长的金属光栅都会表现出偏振效应。当然，周期越小，偏振越强。在本发明实施例的偏振器件结构中，选择250nm的周期是基于以下考虑：(1)与工作波长相比，250nm的周期已经足够小了，在0.2-15μm的波长范围内，250nm的周期可以获得很高的消光比(>95dB)。(2)实验制作的可行性。利用双光束紫外干涉，可以相对容易地在大面积、高效率的条件下制作出周期约为250nm的光栅。考虑到性能和实验制作的因素，选择了250nm的周期，对其他的结构参数进行模拟优化。
接着进行介质光栅高度H1的优化研究，图8至图11是图3至图6所示光栅的TMT和ER，介质光栅高度H1不同。其它结构参数为：P＝250nm，DC＝0.5，H2＝300nm，H3＝300nm，H4＝20nm。
从图8至图11可以看出。随着介质光栅高度H1的增加，TM透过率变化并不是很大，特别注意到，H1＝300nm对应的线条表示的TM透过率明显低于其他光栅高度H1对应的线条表示的TM透过率，算一下高度不难发现，此时两个腔体的金属层略有粘连，当两个腔体的金属层完全粘连的时候，也就是H1＝600nm时，TM透过率为0，这是符合预期的。消光比随着腔长的增加而略有增加，长波部分的消光比大于短波部分，符合我们对亚波长金属光栅偏振特性的理解。综合考虑性能以及后续实验的可行性，选择H1＝500nm，在整个0.2-15μm的波长范围内，TMT大于85％，ER大于95dB。
随后对位于光栅底部BaF2厚度H2的优化研究。图12至图15是图3至图6所示光栅的TMT和ER，底层BaF2厚度H2不同。其它结构参数为：P＝250nm，占DC＝0.5，H1＝500nm，H3＝300nm，H4＝20nm。
从图12至图15可以看出。随着底层BaF2厚度H2的增加，TM透过率变化较大，特别注意到，H2＝300nm对应的线条表示的TM透过率明显低于其他底层BaF2厚度H2对应的线条表示的TM透过率，算一下高度不难发现，此时两个腔体的金属层略有粘连，导致整体的透过率下降，当两个腔体的金属层完全粘连的时候，也就是H1＝200nm时，TM透过率为0，这是符合预期的。双腔的耦合作用达到了我们的需要，即拓宽TM透过率峰值宽度。对于消光比的影响并不是很大。综合考虑性能以及后续实验的可行性，选择H2＝300nm，在整个3-13μm的波长范围内，TMT大于85％，ER大于95dB。
光栅顶部BaF2厚度H2的优化研究如下；图16至图20是图3至图6所示光栅的TMT和ER。顶层BaF2厚度H3不同，其它结构参数为：P＝250nm，DC＝0.5，H1＝500nm，H2＝300nm，H4＝20nm。
从图16可以看出。随着顶层BaF2厚度H3的增加，TM透过率变化较大，H3＝150nm对应的线条图中没有显示是因为此时金属层出现粘连，TM透过率为0，为了便于观察TM透过率的最优解，TM透过率的坐标最小值是从0.7开始，所以看不到H3＝150nm对应的线条。H3＝200nm对应的线条表示的TM透过率明显低于其他顶层BaF2厚度H3对应的线条表示的TM透过率，算一下高度不难发现，此时两个腔体的金属层略有粘连，导致整体的透过率下降。双腔的耦合作用达到了我们的需要的拓宽TM透过率峰值宽度的预期。从图17可以看出，当H3的腔长进一步扩大时，我们观察到TM透过率的两个峰值明显发生了分离，前面3μm处的峰值没有漂移，应该是底层腔结构的高度已经固定，上层的腔结构高度发生改变导致后面波段的TM透过率峰值发生漂移，进一步证明了关于双腔耦合拓宽峰值宽度的猜想，并且这样的思路可以用在其他的波段，比如拓宽可见光波段的TM透过率峰值宽度，只需用较短的双腔进行耦合，就可以拓宽可见光波段的TM透过率峰值宽度。腔长对于消光比的影响并不是很大。综合考虑器件性能以及后续实验的可行性，选择H3＝300nm，在整个0.2-15μm的波长范围内，TMT大于85％，ER大于95dB。
金属层厚度H4的优化研究中，图21至24是图3至图6所示光栅的TMT和ER，金属层厚度H4不同。其它结构参数为：P＝250nm，DC＝0.5，H1＝500nm，H2＝300nm，H3＝300nm。
从图21至24可以看出。铝层的厚度对TM透过率的影响不大是因为模拟的铝层参数都较小，当达到一定的厚度，铝层对TM透过率的消极影响才会显现。但是铝层的厚度对消光比的影响十分的明显，随着铝层厚度的增加，消光比随之显著增加，但达到95dB以上已经完全达到设计要求，过大的消光比已经不是很有意义。综合考虑性能以及后续实验的可行性，最后选择H4＝20nm，在整个0.2-15μm的波长范围内，TMT大于85％，ER大于95dB。
占空比DC对TMT和ER的影响如图25至图28所示。结构参数为P＝250nm，H1＝500nm，H2＝300nm，H3＝300nm，H4＝20nm。可以看出，占空比对光栅消光比的影响很小，这与单层光栅结构有很大的区别，因为传统单层金属光栅中的偏振性能直接受到金属光栅宽度的影响，而在本文的双层金属光栅中，金属光栅的总宽度保持相对不变。
本发明实施例选择的DC是0.5，但从模拟结果来看，是DC＝0.7性能最好，我们选择DC＝0.5作为实验参数出于一下考量：从图25至28可以看出，当DC从0.5变为0.7时，TMT在3μm处的变化最大，从0.925变为0.95，而ER基本没有变化，这意味着DC，特别是在0.5左右，不会对本文的双层结构的性能产生实质性影响。更重要的是，在我们的制备中，利用紫外干涉光刻技术进行了多层纳米光栅结构的实验制作，具有大面积、高效率的优点。众所周知，紫外干涉图样的典型占空比约为0.5。因此，考虑到制造工艺的因素(并且器件的TMT和ER性能几乎没有受到影响)，选择了0.5的占空比。
将实施例一、实施例二所得偏振器件以及双层金属光栅没有腔结构做的偏振器件三者进行对比。金属层的总厚度都是60nm，各结构其余的参数相同，并已在上文给出。从图29至图32可以看出，双腔耦合相比于单腔光栅，能够使TM透过率的峰值宽度发生了拓展，在短波波段的性能明显改善，长波波段也有提高。由于多套光栅的耦合效果，消光比也有了显著的提高，达到了高精度偏振片的设计要求。在整个0.2-15μm的宽带中获得了大于95dB的消光比和平均大于85％的TM透过率。
综上所述，本发明实施例的偏振器件引入腔型光栅后由于共振腔效应，可大大提高TM透过率(特别在短波部分)和偏振消光比。同时通过改变腔长可调控TM透过率峰值位置。本发明实施例的偏振器件为多腔光栅结构。利用250nm周期的多腔光栅结构，在整个0.2-15μm的宽带中获得了大于95dB的消光比和平均大于85％的TM透过率。基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件为实现制备超带宽，性能优异的偏振器件提供了一个新的思路。
根据本发明实施例的偏振器件的其他结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于多腔亚波长光栅结构的偏振器件，其特征在于，所述偏振器件包括基底和薄膜结构；所述基底上具有光栅，所述薄膜结构设置在所述光栅的顶部和底部；所述薄膜结构包括至少两层金属层和至少一层介质层，其中，每层所述介质层均位于两个所述金属层之间。
2.根据权利要求1所述的偏振器件，其特征在于，所述基底材料为ZnSe、SiO2、Y2O3、液晶、ZnS或Ge。
3.根据权利要求1所述的偏振器件，其特征在于，所述金属层的材质为铝、金、银或铬。
4.根据权利要求1所述的偏振器件，其特征在于，所述介质层材料为腔结构材料。
5.根据权利要求1至4任一项所述的偏振器件，其特征在于，所述介质层的材质为BaF2、CaF2，MgF2，YF3，SrF2。
6.根据权利要求1所述的偏振器件，其特征在于，所述光栅的周期为30nm以上，占空比为0.3～0.7，所述光栅的高度为30nm以上，所述金属层的高度为5nm以上；所述薄膜结构包括上下设置的两层所述介质层，其中，位于底层的所述介质层的厚度为20nm以上，位于顶层的所述介质层厚度也为20nm以上。
7.根据权利要求1所述的偏振器件，其特征在于，所述偏振器件的工作波段为0.2-15μm。
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