CN205749968U - 全介质超薄二维圆偏振二色性器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件，能够实现直接产生圆偏振光和区分左右旋圆偏振光的作用。该结构包括基底与覆盖于基底之上刻蚀在介质层中的Z型通孔；本实用新型的起偏器在1.50μm ‑1.61μm波段圆二色性平均在70%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%，并具波段较宽，结构简单，易于制作的特点，在以后的光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学元件制备技术，具体涉及一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件。
背景技术
在成像技术中，由于偏振成像技术可以在恶劣的环境下进行远距离的图像获取操作，在抑制背景噪声、提高探测距离、细节特征获取以及目标伪装识别等方面具有绝对优势。因此，其具有非常广泛的应用，例如：可探测隐藏或伪装的目标；可实现海面以及水下目标的探测和识别；可实现烟雾气候环境条件下的导航；有效区分金属和绝缘体或是从引诱物中区分真实目标；可进行癌症、烧伤等医学诊断；可对物体特征（如指纹等）进行识别；可实现星载或机载遥感；还可与其它技术相结合，如多光谱偏振红外成像、超光谱偏振红外成像等。在偏振光成像技术中，圆偏振成像因其在大颗粒散射介质中的独特优势受到广泛重视。如在水底、烟雾、云层以及生物组织中圆偏振光的成像质量要优于线偏振光。
在光学成像技术中区分圆偏振左旋右旋极为重要。传统区分左右旋圆偏振光的方法一般是用四分之一波片把圆偏振转化成不同偏振方向的线偏振光，然后再根据所需要的偏振方向选用检偏器过滤。然而这种方法适用的波段受限于波片的带宽而且不利于元件的小型化与集成化。近年来，含表面等离子波的亚波长结构器件与技术作为一个新兴的学科，在许多领域有着很多潜在的应用，因而越来越受到人们的关注。目前，许多课题组在利用纳米微结构区分左右旋圆偏振光方面做了大量的研究工作。在三维空间结构方面，2009年，Justyna K. Gansel 等人提出并制作了一种宽带的圆偏振光检偏器，即在介质基底上周期性的放置螺旋上升金属金线，通过控制螺旋线的旋转方向，可实现对左旋和右旋圆偏振光的选择性透过。他们先在玻璃基底上沉积一层极薄（25nm）的铟锡氧化物（ITO）作为电化学沉积的阴极，然后涂上正性光刻胶，通过3D激光直写系统将螺旋空气线刻出，再放入含金的电解液中使用电化学沉积的方法将金填充到空隙中，最后除去光刻胶，得到在4um-8um圆二色性平均为70%的宽带圆偏振片。这种结构工艺复杂，难于制作。2014年，Wenshan Cai等人设计并制作了双层弧形金属(Ag)结构，他们在高低不同的台阶上分别设置圆弧形金属线结构，并实验上在1.4um处得到最大圆二色性为35%。2014年，E.-B. Kley等人，制作了2-D和3-D海星形金属（Au）结构，其中三维结构在660nm处得到40%的圆二色性。然而现有三维空间结构工艺复杂制作难度较大，不能与传统光刻技术兼容。2009年，Qiwen Zhan 等人提出了一种检测左旋和右旋圆偏振光的设计方法，即利用带有亚波长线宽的螺旋金属狭缝，对左右旋圆偏振光在结构的出射面外，形成不同的聚焦光斑（亮斑，暗斑）来进行区分左右旋圆偏振光。然而这种结构只能在模式上进行区分左右旋圆偏振光，在透过率能量上区分度极小。现有技术存在结构区分度低，作用波段窄，并且与传统半导体工艺不兼容等缺点。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件的设计与制作方法，能够实现对左右旋圆偏振光的区分，并具波段较宽，结构简单，易于制作的特点。
为达到上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案是：一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件，由结构单元阵列组成；所述结构单元包括透光基底与覆盖于基底上的介质层；所述介质层设有Z型通孔；所述Z型通孔贯穿介质层的上表面与下表面；所述Z型通孔的纵向臂长为0.18μm～0.24μm，横向臂长为0.48μm～0.54μm，缝宽为0.30μm～0.33μm；所述介质层的厚度为0.20μm～0.26μm；所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.97μm～1.00μm。
上述技术方案中，所述透光基底包括二氧化硅透光基底材料，介质层为硅、锗、砷化镓等半导体材料；优选的，介质层为硅，透光基底为二氧化硅。制作工艺较为成熟，而且价格便宜、容易获取。
本发明还公开了一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件，由结构单元阵列组成；所述结构单元为绝缘体硅片；所述绝缘体硅片的顶层硅层设有Z型通孔；所述Z型通孔贯穿绝缘体硅片的顶层硅层的上表面与下表面；所述Z型通孔的纵向臂长为0.18μm～0.24μm，横向臂长为0.48μm～0.54μm，缝宽为0.30μm～0.33μm；所述绝缘体硅片的顶层硅层的厚度为0.20μm～0.26μm；所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.97μm～1.00μm。绝缘体硅片为Si层+SiO2中间层+Si基底的组合，根据位置关系，Si层为顶层硅层，较薄。
上述技术方案中，位置关系为实际应用时的状态，介质层在透光基底上方，Z型通孔刻蚀在半导体介质层中，在刻蚀的过程中Z型通孔刻穿介质层，Z型通孔贯穿介质层上下表面，因此为通孔，所述Z型通孔上，任意两条边的距离都小于每个结构单元的周期，即Z型通孔尺寸小于结构单元周期，通孔不到介质层边缘。Z型通孔为二维手性结构，手形结构是指自身的镜像不能够与自身重合，Z型通孔能够对入射的左右旋圆偏振光有着不同的吸收、反射和透射作用，即圆二色性。由于介质对于入射光的吸收远远小于金属，因此全介质手性结构能够达到较高的圆二色性，其圆二色性在1.50μm -1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%。优选的，所述Z型通孔的纵向臂长为0.2μm，横向臂长为0.5μm，缝宽为0.32μm，介质层（顶层硅层）的厚度为0.25μm；所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.98μm。
本实用新型公开的全介质超薄二维圆偏振二色性器件具有很强的圆二色性，从而实现圆偏振态区分的功能，可以在圆偏振成像中应用，其对应的工作波段为通讯波段，并且所述工作波段可根据结构参数的选取进行调制。
本实用新型的全介质超薄二维圆偏振二色性器件制备方法有二，方法一：首先，使用化学气相沉积法在基片上生长出一层半导体介质层。然后涂上一层光刻胶，利用电子束曝光显影技术刻出光刻胶结构，再使用反应离子束工艺刻蚀半导体介质层，接着去除残余光刻胶得到全介质超薄二维圆偏振二色性器件。方法二：在采用化学气相沉积法生长出半导体介质层之后，直接采用聚焦离子束刻蚀工艺得到圆偏振起偏器。利用聚焦离子束直写工艺或者光刻工艺在绝缘体硅片的顶层硅层上制备Z型通孔，即得到全介质超薄二维圆偏振二色性器件。采用电子束直写曝光并显影；用反应离子束刻蚀光刻胶；利用丙酮去除残余光刻胶。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点:
1．本实用新型首次公开了全介质超薄二维圆偏振二色性器件，具有很强的圆二色性，从而实现圆偏振态区分的功能，其圆二色性在1.50μm -1.61μm波段平均在70%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%，取得了意想不到的技术效果。
2．本实用新型所公开的全介质超薄二维圆偏振二色性器件结构合理、易于制作，Z型通孔的尺寸参数可调，制备方法与现有的半导体制作工艺完全兼容；克服了现有技术需要繁琐的制备过程才能得到检偏器的缺陷。
3．本实用新型公开的全介质超薄二维圆偏振二色性器件原料来源广、制备简易，相比现有技术财力、时间成本更低；并且性能优异，在光学传感系统、先进的纳米光子器件以及集成光学系统中，具有很大的应用价值。
附图说明
图1为本实用新型实施例一偏振二色性器件和结构单元示意图；
其中：1、透明基底； 2、介质层；3、Z型通孔；
图2为实施例一的全介质超薄二维圆偏振二色性器件结构单元主视结构示意图；
图3为实施例一的全介质超薄二维圆偏振二色性器件结构单元俯视结构示意图；
图4为实施例一中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；
图5为实施例一中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图；
图6为实施例二中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；
图7为实施例二中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图；
图8为实施例三中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；
图9为实施例三中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图；
图10为实施例四中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；
图11为实施例四中左右旋圆偏振光由基底入射通过全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述:
参见附图1所示，本实用新型的全介质超薄二维圆偏振二色性器件由结构单元阵列组成；所述结构单元包括透光基底1与覆盖于基底上的介质层2；所述介质层设有Z型通孔3；多个结构单元阵列组合即得到全介质超薄二维圆偏振二色性器件。
实施例一
参见附图2，为全介质超薄二维圆偏振二色性器件结构单元主视结构示意图，其中半导体介质层硅的厚度H为0.25μm；参见附图3，为全介质超薄二维圆偏振二色性器件俯视结构示意图，其中刻蚀在介质层中的Z型通孔的纵向臂长L1为0.2μm，横向臂长L2为0.5μm，缝宽W为0.32μm，每个结构单元的周期为0.98μm。
附图4为左右旋圆偏振光由二氧化硅基底入射通过上述全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；附图5为全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图。参见图4所示，在1.50μm -1.61μm波段结构对左右旋圆偏振光的透过率高低存在差异。参见图5所示，在1.50μm -1.61μm波段圆二色性平均在70%以上。
上述全介质超薄二维圆偏振二色性器件的制作方法，包括如下步骤：
（1）使用化学气相沉积法在二氧化硅基片上生长出一层硅半导体介质层；
（2）涂上一层光刻胶，利用电子束曝光技术刻出“Z”光刻胶结构；
（3）使用反应离子束工艺刻蚀半导体介质层；
（4）丙酮去除残余光刻胶得到全介质超薄二维圆偏振二色性器件。
实施例二
本实施例中基片为二氧化硅，半导体介质层为硅；半导体介质层的厚度为H=0.23μm，Z型通孔的纵向臂长L1为0.2μm，横向臂长L2为0.5μm，缝宽为0.32μm，每个结构单元的周期为0.98μm。在采用化学气相沉积法生长出半导体介质层之后，直接采用聚焦离子束刻蚀工艺得到圆偏振起偏器。
附图6为左右旋圆偏振光由二氧化硅基底入射通过上述全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；附图7为全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图。参见图6所示，在1.48μm -1.54μm波段结构对左右旋圆偏振光的透过率高低存在较大差异。参见图7所示，在1.48μm -1.54μm波段圆二色性平均在80%以上，在1.53μm处圆二色性最高可达到98.3%。
实施例三
本实施例的制备工艺与实施例一一致，其中基片为二氧化硅，半导体介质层为砷化镓；Z型通孔的纵向臂长L1为0.2μm，横向臂长L2为0.5μm，缝宽为0.32μm，介质层的厚度H为：0.25μm。每个结构单元的周期为0.98μm。
附图8为左右旋圆偏振光由二氧化硅基底入射通过上述全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；附图9为全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图。参见图8所示，在1.46μm -1.56μm波段结构对左右旋圆偏振光的透过率存在较大差异。参见图9所示，在1.46μm -1.56μm波段圆二色性平均在70%以上。
实施例四
本实施例制备选用商用的绝缘体硅片，顶层硅厚度为0.22μm，中间层二氧化硅厚度为3.0μm，底层硅度为675μm。Z型通孔刻蚀在顶层硅中，Z型通孔的纵向臂长L1为0.2μm，横向臂长L2为0.5μm，缝宽为0.32μm，介质层的厚度H为：0.22μm。每个结构单元的周期为0.98μm。
附图10为左右旋圆偏振光由硅基底入射通过上述全介质超薄二维圆偏振二色性器件的透过率曲线图；附图11为全介质超薄二维圆偏振二色性器件的圆二色性曲线图。参见图10所示，在1.45μm -1.51μm波段结构对左右旋圆偏振光的透过率存在较大差异。参见图11所示，在1.45μm -1.51μm波段圆二色性平均在70%以上。
Claims (10)
1.一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件由结构单元阵列组成；所述结构单元包括透光基底与覆盖于透光基底上的介质层；所述介质层设有Z型通孔；所述Z型通孔贯穿介质层的上表面与下表面；所述Z型通孔的纵向臂长为0.18μm～0.24μm，横向臂长为0.48μm～0.54μm，缝宽为0.30μm～0.33μm；所述介质层的厚度为0.23μm～0.26μm；所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.97μm～1.00μm。
2.根据权利要求1所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述透光基底为二氧化硅基底；所述介质层为半导体介质层。
3.根据权利要求1所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述Z型通孔上，任意两条边的距离都小于每个结构单元的周期。
4.根据权利要求1所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述Z型通孔的纵向臂长为0.2μm，横向臂长为0.5μm，缝宽为0.32μm。
5.根据权利要求1所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述介质层的厚度为0.25μm。
6.根据权利要求1所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.98μm。
7.一种全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件由结构单元阵列组成；所述结构单元为绝缘体硅片；所述绝缘体硅片的顶层硅层设有Z型通孔；所述Z型通孔贯穿顶层硅层的上表面与下表面；所述Z型通孔的纵向臂长为0.18μm～0.24μm，横向臂长为0.48μm～0.54μm，缝宽为0.30μm～0.33μm；所述顶层硅层的厚度为0.20μm～0.26μm；所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.97μm～1.00μm。
8.根据权利要求7所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述Z型通孔上，任意两条边的距离都小于每个结构单元的周期。
9.根据权利要求7所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述Z型通孔的纵向臂长为0.2μm，横向臂长为0.5μm，缝宽为0.32μm；所述顶层硅层的厚度为0.25μm。
10.根据权利要求7所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件，其特征在于：所述全介质超薄二维圆偏振二色性器件中，每个结构单元的周期为0.98μm。
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