CN216696917U

CN216696917U - 一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器

Info

Publication number: CN216696917U
Application number: CN202123373065.5U
Authority: CN
Inventors: 不公告发明人
Original assignee: Quantaeye Beijing Technology Co ltd
Current assignee: Quantaeye Beijing Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-06-07
Anticipated expiration: 2031-12-29

Abstract

本申请属于光谱调制器领域，特别涉及一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器。包括：半导体基板，所述半导体基板上设置有调制区域，所述调制区域内设置有多个复式晶格单元，所述复式晶格单元至少包括两种不同形状或尺寸的孔洞，所述孔洞的尺寸等于或小于目标光谱的波长，多个所述复式晶格单元中每种形状或尺寸的孔洞均呈周期排列。本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，通过在半导体基板设置至少包括两种不同结构的孔洞的复式晶格单元，形成光子的复式晶格势，从而调制出射光谱在不同波段的能量分布，复式晶格比简单晶格的自由度更高，因而能对光谱做出更复杂的调制，增加了光谱调整的可能性。

Description

一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器

技术领域

本申请属于光谱调制器领域，特别涉及一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器。

背景技术

亚波长结构是指结构的特征尺寸与工作波长相当或更小的周期(或非周期)结构。亚波长结构的特征尺寸与工作波长相当或小于波长，它的反射率、透射率、偏振特性和光谱特性等都显示出与常规衍射光学元件截然不同的特征，因而具有更大的应用潜力。

现有技术中，亚波长级光谱调制器一般采用简单晶格实现对光谱的调制，由于自由度较低，无法做出更复杂的调制，无法实现宽波段同时调制，不能满足试验以及应用的需求。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

实用新型内容

本申请的目的是提供了一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，以解决现有技术存在的至少一个问题。

本申请的技术方案是：

一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，包括：

半导体基板，所述半导体基板上设置有调制区域，所述调制区域内设置有多个复式晶格单元，所述复式晶格单元至少包括两种不同形状或尺寸的孔洞，所述孔洞的尺寸等于或小于目标光谱的波长，多个所述复式晶格单元中每种形状或尺寸的孔洞均呈周期排列。

可选地，所述复式晶格单元通过光刻或电子束衍射的方式刻蚀在所述半导体基板上。

可选地，所述调制区域内复式晶格单元的数量设置为少于15个。

可选地，所述调制区域内复式晶格单元的数量设置为3～5个。

可选地，所述目标光谱为可见光时，所述孔洞的尺寸为100nm～400nm。

可选地，所述孔洞为圆形、椭圆形或多边形。

可选地，所述半导体基板上设置有多个所述调制区域，每个所述调制区域上设置有不同于其他调制区域的复式晶格单元。

可选地，所述半导体基板包括第一板面以及与所述第一板面相对设置的第二板面，所述第一板面以及所述第二板面上均设置有所述调制区域。

可选地，所述第一板面以及所述第二板面上的调制区域内的孔洞相对应。

实用新型至少存在以下有益技术效果：

本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，通过在半导体基板设置至少包括两种不同结构的孔洞的复式晶格单元，形成光子的复式晶格势，从而调制出射光谱在不同波段的能量分布，复式晶格比简单晶格的自由度更高，因而能对光谱做出更复杂的调制，增加了光谱调整的可能性。

附图说明

图1是本申请一个实施方式的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器的复式晶格单元示意图；

图2是由包括图1复式晶格单元的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器调制出的透射谱；

图3是本申请另一个实施方式的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器的复式晶格单元示意图；

图4是由包括图3复式晶格单元的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器调制出的透射谱；

图5是本申请第三个实施方式的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器的复式晶格单元布置示意图；

图6是本申请第四个实施方式的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器的复式晶格单元布置示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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保护范围的限制。

下面结合附图1至图6对本申请做进一步详细说明。

本申请提供了一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，包括半导体基板。

具体的，半导体基板上设置有调制区域，调制区域内设置有多个复式晶格单元，每个复式晶格单元至少包括两种不同形状或尺寸的孔洞，孔洞的尺寸等于或小于目标光谱的波长，多个复式晶格单元中每种形状或尺寸的孔洞均呈周期排列，从而形成复式周期亚波长孔洞阵列。

本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，通过光刻或电子束衍射的方式在半导体基板上刻蚀出多个复式晶格单元，形成周期排布的亚波长孔洞阵列，每个复式晶格单元包括至少两种不同形状或尺寸的孔洞。

本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，半导体基板的调制区域内的复式晶格单元的数量一般设置在15个以内，优选3～5个。

本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，通过在半导体基板上刻蚀复式晶格单元，从而形成光子的复式晶格势，当入射的目标光谱为可见光时，孔洞的尺寸可以设置为100nm～400nm，根据Fano共振理论，当入射光子的能量与晶格势的束缚能级相匹配的时候，晶格势会对入射光子束产生共振吸收，从而调制出射光谱在不同波段的能量分布。

可以理解的是，复式晶格单元中的孔洞的形状可以是圆形、椭圆形以及方形、矩形、三角形、菱形等任意适当的多边形形式。

在本申请的一个具体实施例中，半导体基板的厚度为100nm，材料为Si。在半导体基板的调制区域内设置有多个复式晶格单元，如图1所示，每个复式晶格单元包括四种不同的孔洞结构，第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞以及第四孔洞，四种孔洞的形状或尺寸不相同，第一孔洞呈方形，第二孔洞呈三角形、第三孔洞呈圆形，第四晶格呈矩形。本实施例中，单个复式晶格单元呈边长为1um的方形，以该复式晶格单元的中心为原点建立直角坐标系，各个孔洞结构的位置坐标参见表1-4，其中，第一孔洞的边长a₁＝250nm，第二孔洞的边长a₂＝300nm，第三孔洞的直径D＝250nm，第四孔洞的边长a₄＝300nm，b₄＝200nm。

表1第一孔洞坐标

Xmin(um)	-0.375
		Xmax(um)	-0.125
Ymin(um)	0.125
		Ymax(um)	0.375

表2第二孔洞坐标

X(um)	Y(um)
		0.25	0.07
0.405885	0.34
		0.094115	0.34

表3第三孔洞坐标

X(um)	-0.25
		Y(um)	-0.25

表4第四孔洞坐标

Xmin(um)	0.1
		Xmax(um)	0.4
Ymin(um)	-0.35
		Ymax(um)	-0.15

当入射光源波长范围为200-1000nm时，通过本实施例调制出的透射谱如图2所示。

在本申请的另一个具体实施例中，半导体基板的厚度为100nm，材料为Si。在半导体基板的调制区域内设置有多个复式晶格单元，如图3所示，每个复式晶格单元包括四种半径不同的圆形孔洞结构，第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞以及第四孔洞。本实施例中，单个复式晶格单元呈边长为1um的方形，以该复式晶格单元的中心为原点建立直角坐标系，各个孔洞结构的圆心位置坐标参见表5-8，其中，第一孔洞的直径D₁＝400nm，第二孔洞的直径D₂＝350nm，第三孔洞的直径D₃＝250nm，第四孔洞的直径D₄＝300nm。

表5第一孔洞坐标

X(um)	-0.25
		Y(um)	0.25

表6第二孔洞坐标

X(um)	0.25
		Y(um)	0.25

表7第三孔洞坐标

X(um)	-0.25
		Y(um)	-0.25

表8第四孔洞坐标

X(um)	0.25
		Y(um)	-0.25

当入射光源波长范围为200-1000nm平面波时，通过本实施例调制出的透射谱如图4所示。

有利的是，在本申请的优选实施例中，一块半导体基板上可以设置有多个调制区域，每个调制区域上可以设置有不同于其他调制区域的复式晶格单元。通过在半导体基板上的不同调制区域刻蚀复式周期亚波长孔洞阵列，实现多种调制功能的集成。在本申请的第三个具体实施例中，在半导体基板上设置两个调制区域，第一调制区域以及第二调制区域，其中，第一调制区域的复式晶格单元布局形式如图5所示，包括呈圆形及方形的两种孔洞阵列，第二调制区域的复式晶格单元布局形式如图6所示，包括呈圆形及三角形的两种孔洞阵列，孔洞的尺寸可以根据需求来设置。

可以理解是，本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，不仅可以在半导体基板的一个板面上设置调制区域，还可以同时在一个半导体基板的两个板面上设置调制区域。其中，两个板面的调制区域上的复式晶格单元的孔洞结构可以相同或不同，两者的位置也可以对应或不对应。两个板面均设置复式晶格单元的调制器的光谱调制效果等于两个单个板面设置对应复式晶格单元的调制器的光谱调制效果的乘积。

在本申请的第四个具体实施例中，在半导体基板的第一板面上设置有第一调制区域，与第一板面相对设置的第二板面上设置第二调制区域，其中，第一调制区域的复式晶格单元以及第二调制区域的复式晶格单元均设置为如图5所示的布局形式，孔洞相对应。

在本申请的第五个具体实施例中，在半导体基板的第一板面上设置有第一调制区域，第二板面上设置第二调制区域，其中，第一调制区域的复式晶格单元的布局形式如图5所示，第二调制区域的复式晶格单元的布局形式如图6所示。

进一步，本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，还可以同时在半导体基板的第一板面以及第二板面上均设置多个调制区域，第一板面上的多个调制区域与第二板面上的多个调制区域可以相互对应或不对应，第一板面及第二板面上的每个调制区域上可以设置有不同于其他调制区域的复式晶格单元，两个板面上的不同调制区域刻蚀复式周期亚波长孔洞阵列，提高光谱调制的复杂度。

本申请的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，通过在半导体基板上刻蚀具有至少两种孔洞结构的复式晶格单元，增加了光谱调制的可能性，可以根据需要设计对应的复式晶格结构实现光谱调制，自由度高、体积小、重量轻，便于集成到光谱仪等设备中。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述复式晶格单元通过光刻或电子束衍射的方式刻蚀在所述半导体基板上。

3.根据权利要求2所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述调制区域内复式晶格单元的数量设置为少于15个。

4.根据权利要求3所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述调制区域内复式晶格单元的数量设置为3～5个。

5.根据权利要求1所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述目标光谱为可见光时，所述孔洞的尺寸为100nm～400nm。

6.根据权利要求1所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述孔洞为圆形、椭圆形或多边形。

7.根据权利要求1所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述半导体基板上设置有多个所述调制区域，每个所述调制区域上设置有不同于其他调制区域的复式晶格单元。

8.根据权利要求7所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述半导体基板包括第一板面以及与所述第一板面相对设置的第二板面，所述第一板面以及所述第二板面上均设置有所述调制区域。

9.根据权利要求8所述的复式周期亚波长孔洞阵列光谱调制器，其特征在于，所述第一板面以及所述第二板面上的调制区域内的孔洞相对应。