單片集成在高折射率襯底的亞波長金屬光柵偏振片的制作方法
【技術領域】
[0001]本專利屬于偏振光學元件，具體涉及一種單片集成在高折射率襯底的亞波長金屬光柵偏振片。
【背景技術】
[0002]光柵作為一種常用的光學元件，其功能主要包括:偏振、色散、分束和相位匹配。亞波長金屬光柵結構因其具有結構緊湊、易集成、偏振特性好、光譜較寬、透射率和消光比高等特點，可以減少光路原件，增加光學系統設計的靈活性，具有改進和取代傳統光學元器件的潛力。隨著微電子加工工藝的快速發展和光柵理論的不斷深入，人們漸漸發現當光柵周期小于入射光波長時，表現出強烈的偏振特性。一維亞波長金屬光柵具有顯著的偏振特性即所謂的雙折射效應:對于電場矢量方向垂直于柵條的TM波，光柵可近似等效為電介質，具有高透射；對于電場方向平行于柵條的TE波，相當于金屬膜，具有高反射。電場的偏振方向會影響到光的衍射，使得金屬光柵在透射或反射光譜方面表現出不同于一般衍射光學元件的性質，因此在亞波長光學方面具有較大的應用潛力。亞波長金屬光柵已被應用于光邏輯功能器件，傳感器，濾波片，光探測器，偏振分束器等領域。
[0003]中國臺灣清華大學制作出小于15nm寬，高寬比大于16的納米線光柵，方法采用納米壓印以及等離子修剪，最后得到消光比12000:1，透過率85%的偏振片，見Nanotechnology, 24 (2013) 265301:1_7。上海光學精密機械研宄所吳軍等對近紅外波段l_3nm理論設計了寬波段金屬線柵偏振分束器，TM波的透過率和TE波的反射率都大于95%，消光比為 25dB，見 Optics&LaserTechnology, 47 (2013): 166 - 170。路易斯華盛頓大學 TimothyYork等人針對可見波段在(XD相機單片集成Al納米線光柵，周期為140nm,占空比0.5，一個重復單元里包括4個方向光柵偏振方向，其中像素1000 X 1000，像距7 μ m，幀頻40，消光比 30(460nm), 47(515nm), 58(625nm),視場角 ±10。，信噪比 40dB，見 APPLIED OPTICS, 2012,Vol.51, N0.22:5392-5400。
[0004]但是，這些亞波長金屬光柵都是生長在低折射率襯底上的，且大部分用于可見波段。與他們相比，本專利主要基于折射率高的襯底，滿足在紅外波段特定襯底性質的要求。

【發明內容】

[0005]本專利的目的是提供一種集成在高折射率襯底的亞波長金屬光柵偏振片。
[0006]本專利亞波長金屬光柵偏振片結構為:從襯底3自下而上依次是低折射率介質層2、亞波長金屬光柵層I。
[0007]所述低折射率介質層2的折射率在1.3至2.5之間，厚度H是50-1000納米。低折射率介質材料選自Si02、Si3N4和ZnS的一種。
[0008]所述亞波長金屬光柵I的周期P是100-400納米，厚度h是80-200納米，占空比(w/p)是0.4-0.6。金屬材料選自金、銷、銀和銅的一種。
[0009]本專利的有益效果在于:
[0010]本專利通過在高折射率襯底和亞波長金屬光柵之間插入一層低折射率介質層，能有效提高偏振片在紅外波段的TM波透過率和消光比。具有結構緊湊、易集成、偏振特性好、光譜較寬、透射率和消光比高等特點，可以減少光路原件，增加光學系統設計的靈活性，具有改進和取代傳統光學元器件的潛力。
【附圖說明】
[0011]圖1為本專利的結構示意圖。I是亞波長金屬光柵層，2是低折射率介質層，3是高折射率襯底。
[0012]圖2為本專利實施例一中亞波長金屬光柵偏振片的TM光透過率與入射波長關系圖。
[0013]圖3為本專利實施例一中亞波長金屬光柵偏振片的消光比與入射波長關系圖。
[0014]圖4為本專利實施例二中亞波長金屬光柵偏振片的TM光透過率與入射波長關系圖。
[0015]圖5為本專利實施例二中亞波長金屬光柵偏振片的消光比與入射波長關系圖。
[0016]圖6為本專利實施例三中亞波長金屬光柵偏振片的TM光透過率與入射波長關系圖。
[0017]圖7為本專利實施例三中亞波長金屬光柵偏振片的消光比與入射波長關系圖。
【具體實施方式】
[0018]結合附圖和實施例，對本專利應用于高折射率襯底是InP的情況進行詳細描述。以下實施例僅用于說明本專利，但不限制本專利的范圍。
[0019]如圖1所示，所述亞波長金屬光柵偏振片結構為:從襯底3自下而上依次是低折射率介質層2、亞波長金屬光柵層I。圖中亞波長金屬光柵周期P，柵條寬度W，占空比定義為w/p，低折射率介質層2的厚度是H，亞波長金屬光柵層I的厚度是h。
[0020]實施例一:
[0021]參見圖1，作為InGaAs紅外偏振探測器的起偏器，高折射率襯底3是InP，入射光1-1.7微米，入射角O度。低折射率介質層2是S12，其厚度h是120納米。金屬偏振光柵材料是金，周期P是100納米，厚度100納米，占空比0.4。
[0022]在此條件下，TM光透過率與入射波長關系如圖2所示，消光比與入射波長關系如圖3所示，在1.6 μ m波長下，TM透過率90 %，消光比270。
[0023]實施例二:
[0024]參見圖1，作為InGaAs紅外偏振探測器的起偏器，高折射率襯底3是InP，入射光1-1.7微米，入射角O度。低折射率介質層2是Si3N4，其厚度h是500納米。金屬偏振光柵材料是鋁，周期P是300納米，厚度150納米，占空比0.5。
[0025]在此條件下，TM光透過率與入射波長關系如圖4所示，消光比與入射波長關系如圖5所示，在1.6μπι波長下，TM透過率90%，消光比1300。
[0026]實施例三:
[0027]參見圖1，作為InGaAs紅外偏振探測器的起偏器，高折射率襯底3是InP，入射光1-1.7微米，入射角O度。低折射率介質層2是ZnS，其厚度h是800納米。金屬偏振光柵材料是銀，周期P是400納米，厚度200納米，占空比0.6。在此條件下，TM光透過率與入射波長關系如圖6所示，消光比與入射波長關系如圖7所示，在1.6 μπι波長下，TM透過率50%，消光比900。
【主權項】
1.一種單片集成在高折射率襯底的亞波長金屬光柵偏振片，由襯底(3)、低折射率介質層(2)和亞波長金屬光柵層(I)構成，其特征在于: 所述的亞波長金屬光柵偏振片結構為:從襯底(3)自下而上依次是低折射率介質層(2)、亞波長金屬光柵層(I); 所述的低折射率介質層(2)的折射率在1.3至2.5之間，厚度H是50-1000納米； 所述的亞波長金屬光柵(I)的周期P是100-400納米，厚度h是80-200納米，占空比w/p 是 0.4-0.6。
【專利摘要】本專利公開了一種單片集成在高折射率襯底的亞波長金屬光柵偏振片，從上至下依次是亞波長金屬光柵層，低折射率介質層和高折射率襯底。所述高折射率襯底的折射率在2.9至3.6之間，低折射率介質層的折射率在1.3至2.5之間，金屬光柵周期100-400納米。通過在高折射率襯底和亞波長金屬光柵之間插入一層低折射率介質層，能有效提高偏振片在紅外波段的TM波透過率和消光比。亞波長金屬光柵偏振片結構因其具有結構緊湊、易集成、偏振特性好、光譜較寬、透射率和消光比高等特點,可以減少光路原件,增加光學系統設計的靈活性,具有改進和取代傳統光學元器件的潛力。
【IPC分類】G02B5/30
【公開號】CN204679671
【申請號】CN201520372295
【發明人】王瑞, 李淘, 邵秀梅, 曹高奇, 李雪, 龔海梅
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年6月2日