CN211293339U - 非对称传输结构以及半导体光学器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种非对称传输结构以及半导体光学器件。非对称传输结构包括:透明基底层以及设置于透明基底层一侧的光栅层;光栅层包括多个在平行于透明基底层的方向上周期性间隔排列的结构单元;结构单元包括第一底面和第二底面,结构单元的第二底面与透明基底层连接,第一底面的面积不大于第二底面的面积。本申请非对称传输结构的结构简单,制作工艺具有CMOS工艺兼容性,使得非对称传输结构易于集成和扩展,方便低成本制造。同时,结构单元的第一底面的面积不大于与透明基底层连接的第二底面的面积,使得非对称传输结构可以适应各种偏振光和非偏振光,可在可见光全波段正常工作,实现可见光的非对称传输。
Description
技术领域
本申请涉及光学器件技术领域,具体而言,本申请涉及一种非对称传输结构以及半导体光学器件。
背景技术
光的非对称传输(asymmetric light transmission,ALT)是指光从正向和反向通过入射器件结构时的透过率不同的现象。传统实现光的非对称传输的系统通常利用的是互易材料或器件制成的。
目前用于实现光的非对称传输器件的结构一般比较复杂,由于制造材料和结构上的限制,难以与半导体和显示面板制造工艺兼容,而且,非对称传输器件的结构微小,对加工精度要求高,进一步限制了其与半导体和显示面板制造工艺兼容。同时,现有非对称传输器件难以具有相当宽的宽带,在可见光波段工作的器件比较少。另外,多数非对称传输器件存在偏振依赖性。
实用新型内容
本申请针对现有方式的缺点,提出一种非对称传输结构以及半导体光学器件,用以解决现有技术中非对称传输器件难以与半导体和显示面板制造工艺兼容以及难以在可见光波段正常工作的技术问题。
第一个方面,本申请实施例提供了一种非对称传输结构,包括:
透明基底层以及设置于透明基底层一侧的光栅层;
光栅层包括多个在平行于透明基底层的方向上周期性间隔排列的结构单元;
结构单元包括第一底面和第二底面,结构单元的第二底面与透明基底层连接,第一底面的面积不大于第二底面的面积。
第二个方面,本申请实施例提供了一种半导体光学器件,包括本申请第一个方面所提供的非对称传输结构。
本申请实施例提供的技术方案带来的有益技术效果是:
本申请实施例的非对称传输结构,包括:透明基底层以及设置于透明基底层一侧的光栅层;光栅层包括多个在平行于透明基底层的方向上周期性间隔排列的结构单元;结构单元包括圆柱型结构单元和圆台型结构单元中的至少一种;结构单元包括第一底面和第二底面,结构单元的第二底面与透明基底层连接,第一底面的面积不大于第二底面的面积。本申请实施例的非对称传输结构的结构简单,非对称传输结构制作工艺与CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor,互补金属氧化物半导体)工艺兼容,使得非对称传输结构易于集成和扩展,方便低成本制造。
同时,结构单元的第一底面的面积不大于与透明基底层连接的第二底面的面积,使得非对称传输结构可以适应各种偏振光和非偏正光,可在可见光全波段正常工作,实现可见光的非对称传输。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出,这些将从下面的描述中变得明显,或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1为本申请实施例提供的一种非对称传输结构的结构示意图;
图2为本申请实施例提供的图1的非对称传输结构的俯视图;
图3为本申请实施例提供的另一种非对称传输结构的俯视图图;
图4为本申请实施例提供的图1的非对称传输结构的仿真结果分析图表。
【附图标记】
10-透明基底层;21-结构单元。
具体实施方式
下面详细描述本申请,本申请的实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的部件或具有相同或类似功能的部件。此外,如果已知技术的详细描述对于示出的本申请的特征是不必要的,则将其省略。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,仅用于解释本申请,而不能解释为对本申请的限制。
本技术领域技术人员可以理解,除非另外定义,这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语),具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是,诸如通用字典中定义的那些术语,应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义,并且除非像这里一样被特定定义,否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解,除非特意声明,这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是,本申请的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解,当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时,它可以直接连接或耦接到其他元件,或者也可以存在中间元件。此外,这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。
本申请的发明人发现,现有用于实现光的非对称传输的光学非互易器件能够在一个方向上传输任何光学模式,并在另一个方向阻止它们。但是,光学非互易器件对光本身的偏振性有要求,因而难以适用于可见光的非对称传输。同时,如基于磁光法拉第效应的光学非互易器件,其结构包括法拉第旋转器、棱镜、起偏器、检偏器等,结构复杂,且这些结构难以通过CMOS工艺集成在半导体基底上,加工和制造比较困难。
为了解决现有的非对称传输器件难以在与半导体和显示面板制造工艺兼容以及难以在可见光波段正常工作的技术问题,本申请的发明人创造性地提出一种非对称传输结构以及半导体光学器件。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。
如图1所示,为本申请实施例提供的一种非对称传输结构的结构示意图。非对称传输结构包括:透明基底层10以及设置于透明基底层10一侧的光栅层;光栅层包括多个在平行于透明基底层10的方向上周期性间隔排列的结构单元21;结构单元21包括第一底面和第二底面,结构单元21的第二底面与透明基底层10连接,第一底面的面积不大于第二底面的面积。
需要说明的是,此处定义,光从结构单元21所在的光栅层射入并经透明基底层10射出的方向为光的正向传输方向,光从透明基底层10射入并经结构单元21所在的光栅层射出的方向为光的反向传输方向。
本申请实施例的非对称传输结构,结构单元21包括圆柱型结构单元和圆台型结构单元中的至少一种;由于具有高对称结构的结构单元21,因此可以实现自然可见光的非对称传输,同时,其正向传输方向的透过率与反向传输方向的透过率的比值高,此比值称为正反向透过率对比度,因此,本申请实施例的非对称传输结构在可见光区全波段内均可实现光的非对称传输,且非对称传输的效率较高。
需要说明的是,此处高对称结构指的是,结构拥有的对称面越多,则其对称性越高,相较于对称面少的结构,可以称为高对称结构。由于圆柱型结构单元和圆台型结构单元均包含无数个对称面,因此本申请实施例的非对称传输结构的光栅结构单元21为高对称结构。同时,由于结构单元21为高对称结构,因此其可实现对于自然可见光(非偏振光)的非对称传输。
本申请实施例的非对称传输结构,包括:透明基底层以及设置于透明基底层一侧的光栅层;光栅层包括多个间隔排列的结构单元;结构单元包括第一底面和第二底面,结构单元的第二底面与透明基底层连接,第一底面的面积不大于第二底面的面积。本申请实施例的非对称传输结构的结构简单,非对称传输结构制作工艺与CMOS工艺兼容,使得非对称传输结构易于集成和扩展,方便低成本制造。
同时,结构单元包括圆柱型结构单元和圆台型结构单元中的至少一种,由于圆柱型结构单元和圆台型结构单元均包括多个对称面多个对称中心,均为高对称的结构单元,可以适应各种偏振光和非偏振光,可在可见光全波段正常工作,实现可见光的非对称传输。
在本申请的一个实施例中,如图2-3所示,多个结构单元21在平行于透明基底层10的方向上周期性排布于透明基底层10的一侧。
具体的,在图2所示的非对称传输结构中,多个结构单元21以二维简单正方布拉维点阵形式周期性的排布于透明基底层10的一侧;在图3所示的非对称传输结构中,多个结构单元21以二维简单六角布拉维点阵形式周期性的排布于透明基底层10的一侧。本领域技术人员理解的是,同一非对称传输结构中,结构单元21不限于二维简单正方布拉维点阵形式和二维简单六角布拉维点阵形式中的一种,可以采用两种布拉维点阵形式将多个结构单元21周期性排布于同一透明基底层10的一侧;同时,结构单元21也不限于图2-图3所示的两种排布方式,本领域技术人员可于根据实际需求确定结构单元21的具体排布方式。
需要说明的是,光栅层中的多个结构单元21周期性排布,使得光栅层具有更高的对称性,进而保证了非对称传输结构在可见光区全波段内的工作效率,保障了非对称传输结构在可见光区全波段内具有更高的正反向透过率对比度。同时,周期性排布的结构单元21使得非对称传输结构的结构简单,具有容易加工的特点,确保了非对称传输结构的加工成品率。
在本申请的一个实施例中,结构单元21的周期性排布周期P为300~1000nm(纳米)。排布周期P可以包括300nm以及1000nm的端值情况。此处需要说明的是,排布周期P指的是,结构单元21的第二底面的直径d2与相邻两个结构单元21之间的距离之和。
进一步的,由于自然中可见光的波长范围为380~780nm,为了进一步保障非对称传输结构在可见光区全波段内具有更高的正反向透过率对比度,在本申请的一个实施例中,排布周期P为500~700nm。排布周期P可以包括500nm以及700nm的端值情况。
需要说明是,相较于图2所示多个结构单元21以二维简单正方布拉维点阵形式周期性的排布的非对称传输结构,图3所示的多个结构单元21以二维简单六角布拉维点阵形式周期性的排布的非对称传输结构,其具有更高的正反向透过率对比度。这是因为,二维简单六角布拉维点阵形式排布的结构单元21,其任意相邻两个结构单元21之间的距离均相等,排布周期更加稳定,因此其光栅层具有更高的对称性。
在本申请的一个实施例中,非对称传输结构中的透明基底层10对于可见光是透明的,结构单元21对于可见光是不透明的。结构单元21采用金属材料制成,具体的,金属材料为金材料、银材料和铝材料中的任一种材料或两种以上材料的组合。
需要说明的是,当采用金属材料的结构单元21时,金属材质的结构单元21与透明基底层10之间会形成表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons),会使得光可以很好的通过光栅层,进而进入到透明基底层10,从而增强了非对称传输结构正向传输方向的透过率,进一步提高了正反向透过率对比度,确保了非对称传输结构在可见光区全波段内非对称传输的效率。
在本申请的一个实施例中,结构单元21为圆台型结构单元,结构单元21的第一底面的直径d1和第二底面的直径的d2均为0~800nm;第一底面的圆心和第二底面的圆心之间最短距离h为0~500nm。第一底面的直径d1和第二底面的直径的d2均可以包括800nm的端值情况;第一底面的圆心和第二底面的圆心之间最短距离h可以包括500nm的端值情况。
进一步的,结构单元21的第一底面的直径d1为100~300nm;光栅结构单元的第二底面的直径的d2为200~450nm;第一底面的圆心和第二底面的圆心之间最短距离h为100~200nm。第一底面的直径d1可以包括100nm以及300nm的端值情况,第二底面的直径的d2可以包括200nm以及450nm的端值情况;第一底面的圆心和第二底面的圆心之间最短距离h可以包括100nm以及200nm的端值情况。
需要说明的是,由于自然中可见光的波长范围为380~780nm,为了提高非对称传输结构在可见光区全波段内具有更高的正反向透过率对比度,需要限制结构单元21的高度,也就是限定第一底面的圆心和第二底面的圆心之间最短距离h在适宜范围内,防止因结构单元21的高度过高,影响非对称传输结构正向传输方向的透过率。
同时,需要限定结构单元21的第一底面的直径d1和第二底面的直径的d2在适宜范围内,以确保非对称传输结构在可见光区全波段可正常工作。
在本申请的一个实施例中,非对称传输结构的透明基底层10的折射率为1.4~2.0。透明基底层10可以采用常用的透明介质,如PC(Polycarbonate,聚碳酸酯)、PET(Polyethylene Terephthalate,聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(Polyimide,聚酰亚胺)以及玻璃等,只需确保其折射率为1.4~2.0即可。
下面以模型仿真的方式对本申请实施例提供的非对称传输结构,在可见光波段的正向和反向透过率进行了仿真。如图4所示为本申请实施例提供的图1的非对称传输结构的测试结果分析图表。
非对称传输结构的结构参数如下:
1)光栅层:d1=200nm,d2=300nm,h=125nm,结构单元21的材料为Al(铝)。
2)透明基底层:折射率为1.52的玻璃。
3)光源类型:平面波,光源区域尺寸:x=600nm,y=600nm。
4)仿真区域大小:x=600nm,y=600nm,z=2.5um。
5)结构单元21采用二维简单正方布拉维点阵形式。
图4中横坐标轴表示的是波长,单位是um(微米),纵坐标轴表示的是透过率,在波长0.38um至0.68um的区间中,位于上方的曲线为反向(平均)透过率曲线,位于下方的曲线为正向(平均)透过率曲线。从图4所示的测试结果分析图表中可以看出,在460nm~660nm的可见光波段宽带范围内,本申请实施例提供的非对称传输结构的正向平均透过率(Tforward)在70%以上,反向平均透过率(Tbackward)在20%以下,则根据公式(1)计算正反向透过率对比度(Contrast ratio)为:
CR(dB)=10*log10(Tforward/Tbackword)公式(1)
经计算,在460nm~660nm的可见光波段范围内,本申请实施例提供的非对称传输结构的正反向透过率对比度平均约为5.44dB(分贝)。
需要说明的是:
1)可见光分别在正向传输和反向传输时,衍射空间的背景介质和背景折射率不同。
正向传输时,衍射空间的背景介质为空气,空气的折射率为1.0,反向传输时,衍射空间的背景介质为玻璃电介质,玻璃的折射率为1.52。
正向传输时允许通过的衍射模式多,反向传输时,允许通过的衍射模式少。
同时,根据衍射效率的计算方法,由于衍射空间的背景介质的折射率的不同,正向传输的衍射效率比反向传输的衍射效率要大。
2)正向传输时,金属材质的结构单元21与玻璃材质的透明基底层10之间的界面形成的是SPP的传输模式,光线能很好的通过;反向传输时,金属材质的结构单元21与空气的界面激发的是消逝模式,光线在衍射空间中的衰减非常严重,而且传输距离很短,传输距离一般为几十纳米,所以反向传输时通过的光线少。因此,形成了提高了非对称的传输效果。
基于同一发明构思,本申请实施例提供一种半导体光学器件,包括本申请上述各实施例提供的非对称传输结构。
应用本申请实施例,至少能够实现如下有益效果:
本申请实施例的非对称传输结构,包括:透明基底层以及设置于透明基底层一侧的光栅层;光栅层包括多个间隔排列的结构单元;结构单元包括第一底面和第二底面,结构单元的第二底面与透明基底层连接,第一底面的面积不大于第二底面的面积。相较于现有的非对称传输器件,本申请实施例的非对称传输结构的结构简单,而且光栅层的材料制作材料能够适用于CMOS的制造工艺,非对称传输结构制作工艺具有与CMOS工艺兼容性,使得非对称传输结构易于集成和扩展,方便低成本制造。
同时,结构单元的第一底面的面积不大于与透明基底层连接的第二底面的面积,非对称传输结构可以适应各种偏振光和非偏振光,可在可见光全波段正常工作,实现可见光的非对称传输。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本申请和简化描述,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申请的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本申请的描述中,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,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,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中的具体含义。
在本说明书的描述中,具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅是本申请的部分实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种非对称传输结构,其特征在于,包括:
透明基底层以及设置于所述透明基底层一侧的光栅层;
所述光栅层包括多个在平行于所述透明基底层的方向上周期性间隔排列的结构单元;
所述结构单元包括第一底面和第二底面,所述结构单元的第二底面与所述透明基底层连接,所述第一底面的面积不大于所述第二底面的面积。
2.根据权利要求1所述非对称传输结构,其特征在于,所述结构单元包括圆柱型结构单元和圆台型结构单元中的至少一种。
3.根据权利要求1所述非对称传输结构,其特征在于,多个所述结构单元以二维简单正方布拉维点阵形式和二维简单六角布拉维点阵形式中的至少一种点阵形式,排布于所述透明基底层的一侧。
4.根据权利要求1-3任一项所述非对称传输结构,其特征在于,所述结构单元的排布周期为300~1000nm。
5.根据权利要求4所述非对称传输结构,其特征在于,所述排布周期为500~700nm。
6.根据权利要求1-3任一项所述非对称传输结构,其特征在于,所述结构单元采用金属材料制成;
所述金属材料为金材料、银材料和铝材料中的任一种材料或两种以上材料的组合。
7.根据权利要求1所述非对称传输结构,其特征在于,所述结构单元为圆台型结构单元,所述结构单元的第一底面的直径d1和第二底面的直径的d2均为0~800nm;
所述第一底面的圆心和所述第二底面的圆心之间最短距离h为0~500nm。
8.根据权利要求7所述非对称传输结构,其特征在于,所述结构单元的第一底面的直径d1为100~300nm;所述结构单元的第二底面的直径d2为200~450nm;
所述第一底面的圆心和所述第二底面的圆心之间最短距离h为100~200nm。
9.根据权利要求1所述非对称传输结构,其特征在于,所述透明基底层的折射率为1.4~2.0。
10.一种半导体光学器件,其特征在于,包括权利要求1-9任一项所述的非对称传输结构。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |