CN114019589A - 光学衰减片 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光学衰减片，属于光学衰减器技术领域。该光学衰减片包括基底和多个超结构单元；其中，所述多个超结构单元设置于基底的表面，所述多个超结构单元以可密堆积图形构成；所述可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置分别设置有微纳结构；所述微纳结构的数量和结构由入射波长和目标吸收率决定。通过本申请实施例提供光学衰减片的微纳结构调控吸收率，实现了对目标波段的辐射衰减，降低了光学衰减器的元件复杂度和工艺复杂度，使光学衰减器可以通过半导体工艺进行集成。本申请实施例提供的光学衰减片通过级联实现了对任意吸收率的调控。
Description
技术领域
本申请涉及光学衰减器技术领域，具体而言，涉及一种光学衰减片。
背景技术
光学衰减器是光通信中用于降低光信号强度的重要器件，通过光衰减器可以将入射的光信号强度衰减到接收端的接收范围。
相关技术中光学衰减器分为光纤位移型光学衰减器、衰减片型光学衰减器、表面镀膜型光学衰减器和磁光效应型光学衰减器。光纤位移型光学衰减器通过控制光纤对接时的错位量，使光能量产生损失，达到控制光衰减的目的。衰减片型光学衰减是利用对特定波长的光有吸收作用的中性密度衰减片实现光衰减。表面镀膜型光学衰减器通过在玻璃衬底表面蒸镀具有吸收特性的金属薄膜实现光衰减。磁光效应型光学衰减器利用磁致旋光效应，通过电压改变旋光器的旋转角进而实现光的衰减。
相关技术中的位移型光学衰减器组件复杂不利于自动化生产且难以集成；衰减片型光学衰减器的材料成本高，且无法实现特定频率的吸收率；表面镀膜型光学衰减器只适用于单波长，无法实现宽谱的均一衰减；磁光效应型光学衰减器为有源器件，且元件复杂稳定性不足。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本申请实施例提供了一光学衰减器以解决相关技术中光学衰减器元件复杂、成本高以及无法实现宽谱衰减的问题，所述技术方案如下：
第一方面，本申请实施例提供了一种光学衰减器，包括：基底和多个超结构单元；
其中，所述多个超结构单元设置于所述基底的表面，所述多个超结构单元以可密堆积图形构成；所述可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置分别设置有微纳结构；
所述微纳结构的数量和结构由入射波长和目标吸收率决定。
可选地，所述微纳结构的数量与目标吸收率正相关。
可选地，所述基底的材质为所述目标波段辐射透明的材料。
可选地，所述多个超结构单元呈阵列状排列。
可选地，所述微纳结构包括偏振相关结构或偏振无关结构。
可选地，所述微纳结构的参考吸收率为50％。
可选地，任一所述超结构单元包含的所述微纳结构的形状和尺寸具有均一性。
可选地，任意两个所述超结构单元(200)的形状和尺寸相同。
可选地，所述光学衰减器包括至少一个上述的光学衰减片。
可选地，当所述光学衰减器的目标吸收率大于所述参考吸收率时，所述光学衰减器包括至少一个目标吸收率等于参考吸收率的光学衰减片和至少一个目标吸收率小于参考吸收率的光学衰减片。
可选地，所述至少一个目标吸收率等于参考吸收率的光学衰减片和所述至少一个目标吸收率小于参考吸收率的光学衰减片串联。
本申请实施例所述的技术方案取得的有益效果至少包括：
本申请实施例提供的光学衰减片，是一种无源光学衰减器，通过微纳结构对吸收率的调控，使该光学衰减片对入射辐射实现衰减。该光学衰减片的微纳结构采用半导体工艺加工，降低了光学衰减器的元件复杂度，提高了量产稳定性，实现了与半导体工艺加工的探测器进行集成；通过微纳结构的增减实现了吸收率的调控。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。
图1示出了本申请实施例所提供的光学衰减片的侧视示意图；
图2示出了本申请实施例所提供的光学衰减片的一种可选的示意图；
图3示出了本申请实施例所提供的光学衰减片的再一种可选的示意图；
图4示出了本申请实施例所提供的一种光学衰减片的又一种可选的示意图；
图5示出了本申请实施例所提供的一种光学衰减片的又一种可选的示意图；
图6示出了本申请实施例所提供的一种光学衰减片的又一种可选的示意图；
图7示出了本申请实施例所提供的一种光学衰减器的示意图；
图8示出了本申请实施例提供的圆柱型微纳结构在可见光波段的吸收率。
图中附图标记分别表示：
100-基底；200-超结构单元；201-微纳结构。
具体实施方式
在本申请实施例的描述中，所属技术领域的技术人员应当知道，为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。
一方面，本申请实施例提供了一种光学衰减片。图1和图2示出了本申请实施例所提供的光学衰减片的结构示意图。如图1和图2所示，该光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，图2是本申请实施例提供的光学衰减片的俯视示意图，如图2所示，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以可密堆积图形构成；可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置分别设置有微纳结构201。
微纳结构201的数量和结构由入射波长和目标吸收率决定。
应理解，在本申请实施例中，微纳结构201为亚波长结构，也就是说，微纳结构201的尺寸小于或等于本申请实施例提供的光学衰减片的工作波长，即目标波段。微纳结构201通过对入射辐射的相位进行调控达到对入射辐射吸收率的调控。
应理解，微纳结构201通过半导体工艺加工，例如在基底100上通过光刻工艺加工出微纳结构201。本申请实施例提供的光学衰减片可与同样使用半导体工艺加工的探测器进行集成，例如该光学衰减片可以进行晶圆级封装。
示例性地，微纳结构201包括偏振相关结构或偏振无关结构，例如圆柱型结构、环形结构或纳米鳍。示例性地，超结构单元200呈阵列状排列。例如，如图8所示，当给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为50％时，圆柱型结构的微纳结构201的吸收率满足参考吸收率，且具有均一性。图8中，横坐标为入射波的波长，纵坐标为吸收率。优选地，微纳结构201的形状相同，以使不同微纳结构201的吸收率满足均一性。微纳结构201的形状和尺寸具有均一性，使本申请实施例提供的光学衰减片按比例增减微纳结构201的数量时只改变对目标波段光的吸收率而不改变其他特性。
需要说明的是，微纳结构201的设计既要考虑对入射辐射的相位调控，又要考虑亚波长结构的加工难度。参考吸收率是为了便于设计微纳结构201的结构而选取的吸收率，参考吸收率可以大于目标吸收率，也可以小于或等于目标吸收率。
示例性地，基底100的材质为对目标波段辐射透明的材料，例如有机玻璃(PMMA，Polymethyl methacrylate)、石英玻璃或其他规格的玻璃。在本申请实施例中，可选地，超结构单元200的形状为可密堆积图形中的一种或多种，例如正三角形、正方形和/或正六边形。可选地，任意两个超结构单元200的形状和尺寸相同，以满足均一性。应当理解的是，本申请实施例提供的光学衰减片的目标波段包括红外光、可见光、紫外光或激光中的一种或多种。根据目标波段选择对相应辐射透明的材料实现对目标波段的衰减。
在一些实施例中，基底100的材料包括在目标波段光谱上具有至少大约20％、至少大约30％、至少大约40％、至少大约50％、至少大约60％、至少大约70％、至少大约80％、至少大约85％、至少大约90％或至少大约95％的透光率的材料。例如，硅、硅的氧化物(例如，SiO2)、二氧化钛以及其它合适的材料可以选自氧化物(诸如铝的氧化物(例如，Al2O3)、铪的氧化物(例如，HfC2)、锌的氧化物(例如，ZnO)、镁的氧化物(例如，MgO)，或钛的氧化物(例如，TiO2))、氮化物(诸如硅的氮化物(例如，Si3N4)、硼的氮化物(例如，BN)，或钨的氮化物(例如，WN))、硫化物和纯元素。可选地，微纳结构201的深宽比(例如，微纳结构201的高度与宽度的比率或者微纳结构201的高度与直径的比率)可以大于1、至少大约1.5:1、至少大约2:1、至少大约3:1、至少大约4:1、至少大约5:1、至少大约6:1，或至少大约10:1。可选地，微纳结构201的深宽比小于1。
具体地，如图2所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；正方形的中心位置设置有微纳结构201。微纳结构201为圆柱型结构，参考吸收率为50％。
在本申请实施例中，可选地，微纳结构201的数量与目标吸收率正相关。也就是说，根据目标吸收率的大小，随机增减微纳结构201的数量，以使本申请实施例提供的光学衰减片的吸收率满足目标吸收率。优选地，以满足参考吸收率的微纳结构201的数量为准，当目标吸收率小于参考吸收率时，微纳结构201的数量减少；当目标吸收率等于参考吸收率时，微纳结构201的数量不变；当目标吸收率大于参考吸收率时，微纳结构201的数量增加。
示例性地，当给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为50％时，圆柱型结构的微纳结构201的吸收率满足参考吸收率，且具有均一性。
如图2所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；正方形的中心位置设置有微纳结构201。微纳结构201为圆柱型结构；参考吸收率为50％。
如图2所示，该光学衰减片中，超结构单元200为阵列状排列的正方形，每个正方形的中心位置都设置有圆柱型结构的微纳结构201。
示例性地，给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为50％。当目标吸收率为40％时，在上述参考吸收率为50％的光学衰减片中按比例随机减少微纳结构201的数量，如图3所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；多个超结构单元200中一部分正方形的中心位置设置有微纳结构201，其余正方形的中心不设置微纳结构201。微纳结构201包括圆柱型结构，微纳结构201被配置为对可见光的吸收率为40％。
按比例增减微纳结构201数量的原理如下：
其中η为目标吸收率，N为对应的目标微纳结构数量。η0为参考吸收率，N0为参考吸收率对应的微纳结构201的数量。例如，η0等于50％，N0等于100。
示例性地，给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为50％。当目标吸收率为30％时，在上述参考吸收率为50％的光学衰减片中按比例随机减少微纳结构201的数量，如图4所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；多个超结构单元200中一部分正方形的中心位置设置有微纳结构201，其余正方形的中心不设置微纳结构201。微纳结构201包括圆柱型结构，微纳结构201被配置为对可见光的吸收率为30％。
示例性地，给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为50％。当目标吸收率为20％时，在上述参考吸收率为50％的光学衰减片中按比例随机减少微纳结构201的数量，如图5所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；多个超结构单元200中一部分正方形的中心位置设置有微纳结构201，其余正方形的中心不设置微纳结构201。微纳结构201包括圆柱型结构，微纳结构201被配置为对可见光的吸收率为20％。
示例性地，给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为50％。当目标吸收率为10％时，在上述参考吸收率为50％的光学衰减片中按比例随机减少微纳结构201的数量，如图6所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；多个超结构单元200中一部分正方形的中心位置设置有微纳结构201，其余正方形的中心不设置微纳结构201。微纳结构201包括圆柱型结构，微纳结构201被配置为对可见光的吸收率为10％。
示例性地，给定目标波段为可见光波段(380nm-760nm)、给定参考吸收率为20％。当目标吸收率为40％时，在参考吸收率为20％的光学衰减片中按比例随机增加微纳结构201的数量，如图5和图3所示，本申请实施例提供的光学衰减片包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以正方形构成；多个超结构单元200中一部分正方形的中心位置设置有微纳结构201，其余正方形的中心不设置微纳结构201。微纳结构201包括圆柱型结构，微纳结构201被配置为对可见光的吸收率为40％。
需要说明的是，参考吸收率为根据设计需求选定的吸收率。在本申请实施例提供的光学衰减片的设计中，首先以满足参考吸收率的微纳结构201作为基准结构，然后基于上述基准结构，按比例随机增减微纳结构201的数量以获得满足目标吸收率的光学衰减片。
在本申请实施例中，超结构单元200的形状以正方形为例，微纳结构201的形状以圆柱形结构为例，但本申请并不限于此。
本申请实施例提供的光学衰减片，是一种无源光学衰减器，通过微纳结构实现对入射辐射的吸收，使该光学衰减片的吸收率达到参考吸收率。该光学衰减片的微纳结构采用半导体工艺加工，提高了量产稳定性，实现了与半导体工艺加工的探测器进行集成；通过微纳结构的增减实现了吸收率的调控。
另一方面，如图7所示，在本申请实施例还提供了一种光学衰减器，该光学衰减器包括至少一个上述光学衰减片。
在本申请实施例中，可选地，当目标吸收率等于参考吸收率时，本申请实施例提供的光学衰减器包括一个光学衰减片，该光学衰减片包括包括基底100和多个超结构单元200。
其中，多个超结构单元200设置于基底100的表面，多个超结构单元200以可密堆积图形构成；可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置分别设置有微纳结构201。
微纳结构201被配置为对目标波段辐射的吸收率为参考吸收率。
在本申请实施例中，可选地，当目标吸收率大于参考吸收率时，本申请实施例提供的光学衰减器包括至少一个目标吸收率等于参考吸收率的光学衰减片和至少一个目标吸收率小于参考吸收率的光学衰减片。
示例性地，给定目标波段为可见光(380nm-760nm)，给定参考吸收率为50％。以上述图2-图6中所示的目标吸收率分别为50％、40％、30％、20％和10％的光学衰减片分别为基准片1-5。如表1所示，通过上述基本片1-5的级联可以得到吸收率大于50％的光学衰减器。表1示出了不同吸收率的基准片1-5通过级联获得目标吸收率的一种示例的级联方式，表中η表示吸收率。
表1目标吸收率与基准片的选择
示例性地，如表1所示，要实现的目标吸收率为60％，本申请实施例提供的光学衰减器包括一个基准片1和一个基准片4，沿着可见光入射的方向基准片1和基准片4依次串联；其中，基准片1为吸收率50％的光学衰减片，基准片4为吸收率20％的光学衰减片。
示例性地，如表1所示，要实现的目标吸收率为70％，本申请实施例提供的光学衰减器包括一个基准片1和一个基准片2，沿着可见光入射的方向基准片1和基准片2依次串联；其中，基准片1为吸收率50％的光学衰减片，基准片2为吸收率40％的光学衰减片。
示例性地，如表1所示，要实现的目标吸收率为80％，本申请实施例提供的光学衰减器包括两个基准片1和一个基准片4，沿着可见光入射的方向两个基准片1和一个基准片4依次串联；其中，基准片1为吸收率50％的光学衰减片，基准片2为吸收率20％的光学衰减片。
示例性地，如表1所示，要实现的目标吸收率为90％，本申请实施例提供的光学衰减器包括三个基准片1和一个基准片4，沿着可见光入射的方向三个基准片1和基准片2依次串联；其中，基准片1为吸收率50％的光学衰减片，基准片2为吸收率20％的光学衰减片。
可以理解的是，在本申请实施例中，优选由一个本申请实施例提供的光学衰减片组成的光学衰减器以简化本申请实施例提供的光学衰减器的元件复杂度和工艺复杂度。当单一光学衰减片的微纳结构的结构和数量不能满足目标吸收率时，通过多个不同吸收率的光学衰减片级联获得目标吸收率。
综上所述，本申请实施例提供的光学衰减片通过基底表面的微纳结构实现对目标波段辐射的吸收，通过调控微纳结构的数量实现对目标波段辐射的吸收率的调控。该光学衰减片采用微纳结构实现了半导体工艺加工，从而可以通过半导体工艺集成。本申请实施例提供的光学衰减器通过采用单片或多片本申请实施例提供的光学衰减片级联，不需外接驱动，且结构简单，实现了对任意吸收率的调控。
以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (11)
1.一种光学衰减片，其特征在于，所述光学衰减片包括：基底(100)和多个超结构单元(200)；
其中，所述多个超结构单元(200)设置于所述基底(100)的表面，所述多个超结构单元(200)以可密堆积图形构成；所述可密堆积图形的中心位置和/或顶点位置分别设置有微纳结构(201)；
所述微纳结构(201)的数量和结构由入射波长和目标吸收率决定。
2.如权利要求1所述的光学衰减片，其特征在于，所述微纳结构(201)的数量与目标吸收率正相关。
3.如权利要求1所述的光学衰减片，其特征在于，所述基底(100)的材质为所述目标波段辐射透明的材料。
4.如权利要求1所述的光学衰减片，其特征在于，所述多个超结构单元(200)呈阵列状排列。
5.如权利要求2所述的光学衰减片，其特征在于，所述微纳结构(201)包括偏振相关结构或偏振无关结构。
6.如权利要求1-5任一所述的光学衰减片，其特征在于，所述微纳结构(201)的参考吸收率为50％。
7.如权利要求1-5任一所述的光学衰减片，其特征在于，任一所述超结构单元(200)包含的所述微纳结构(201)的形状和尺寸均有均一性。
8.如权利要求1-5任一所述的光学衰减片，其特征在于，任意两个所述超结构单元(200)的形状和尺寸相同。
9.一种光学衰减器，其特征在于，所述光学衰减器包括至少一个如权利要求1-8任一所述的光学衰减片。
10.如权利要求9所述的光学衰减器，其特征在于，当所述光学衰减器的目标吸收率大于所述参考吸收率时，所述光学衰减器包括至少一个目标吸收率等于参考吸收率的光学衰减片和至少一个目标吸收率小于参考吸收率的光学衰减片。
11.如权利要求10所述的光学衰减器，其特征在于，所述至少一个目标吸收率等于参考吸收率的光学衰减片和所述至少一个目标吸收率小于参考吸收率的光学衰减片串联。
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