專利名稱：一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)系統(tǒng)中的亞波長(zhǎng)光學(xué)器件，特別涉及一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器及其制備方法。
背景技術(shù)：
偏振器是一種重要的光學(xué)器件，廣泛應(yīng)用于自由空間光開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、光纖光網(wǎng)絡(luò)、讀寫磁光數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、基于偏振的成像系統(tǒng)等。傳統(tǒng)的偏振器尺寸大，這大大限制了其應(yīng)用。近年來(lái)，納米線柵偏振器因其小尺寸、高消光比、高透射率等特性引起了研究人員的廣泛關(guān)注。到目前為止，在無(wú)線電波、微波和遠(yuǎn)紅外領(lǐng)域，納米線柵偏振器已經(jīng)得到了許多應(yīng)用。隨著微加工技術(shù)的不斷發(fā)展，制備出更小線條的偏振器，并將其應(yīng)用到近紅外、可見、甚至紫外光波段也已經(jīng)成為可能。然而，對(duì)于很多光學(xué)和光電子學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，無(wú)論對(duì)應(yīng)于哪一波段，人們都希望得到一種線柵偏振器，在具有很高的消光比的同時(shí)，還具有很高的TM波透射率。2005年,美國(guó)NanoOpto公司在玻璃基板上成功制備200nm周期的金屬線柵偏振器，該偏振器的工作波長(zhǎng)在1520-1570nm的通訊波段，TM波透射率達(dá)到97%且消光比超過(guò)40dB (參見 High-performance nanowire-grid polarizers, Opt.Lett., vol.30, pp.195,2005)。然而，該偏振器需要很高的深寬比(約9:1)且引入了多層抗反射膜，增加了工藝復(fù)雜程度，不利于大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。2007年，美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校和華中科技大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)了一種雙層金屬納米線柵偏振器，其工作波長(zhǎng)在300-5000nm，平均消光比可達(dá) 70dB (參見 Broadband nanowire-grid polarizers in ultravio I et-vi sib I e-near-1nfrared regions, Opt.Express, vol.15, pp.9510, 2007)。但是，該偏振器的平均 TM 波透射率僅有64%，而且該偏振器的周期和線寬分別為80nm、40nm，受限于目前的微加工技術(shù)，還無(wú)法制備該偏振器。2011年，美國(guó)德克薩斯大學(xué)阿林頓分校提出了一種新型線柵偏振器，其工作波長(zhǎng)在1486nm-1690nm的通訊波段，TM波透射率達(dá)到96%，且在1550nm處消光比超 40dB (參見 Resonant wideband polarizer with single silicon layer, Appl.Phys.Lett.，vol.98，pp.211112,2011)。不過(guò)，該偏振器的消光比對(duì)加工誤差非常敏感，實(shí)驗(yàn)上的最大消光比出現(xiàn)在1563nm處，為28dB。這些最新的研究成果表明，盡管關(guān)于線柵偏振器的研究取得了很大進(jìn)展，但是要得到同時(shí)具有很高的TM波透射率和消光比，且工藝簡(jiǎn)單、力口工誤差容忍度好的線柵偏振器，依然是一個(gè)難題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器，同時(shí)提供其制備方法，目的在于在較寬的通訊波段內(nèi)具有高TM波透射率和消光比，且工藝簡(jiǎn)單、加工誤差容忍度好。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器，由基板上的Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵構(gòu)成，所述基板為石英玻璃、氧化鎂、氟化鈣或氧化鋁；所述Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:線柵周期350-400納米，線柵占空比60%-50%，線柵總厚度300-400納米，其中，第一層金屬鋁的厚度為80-170nm，SiO2的厚度為50_120nm，第二層金屬鋁的厚度為80_210nm。上述三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器的制備方法，包括下述步驟:
(O首先對(duì)基板進(jìn)行清洗、干燥；
(2)在基板表面旋涂一層600-800nm的SU8膠并紫外光固化；
(3)在SU8膠上面旋涂一層60-70nm的含Si的紫外壓印膠；
(4)采用納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，在含Si的紫外壓印膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)；
(5)采用CHF3反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕殘余層，暴露納米線柵結(jié)構(gòu)下的SU8膠；
(6)以含Si的紫外壓印膠為掩模，采用O2反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕SU8膠至基板；
(7)用電子束蒸發(fā)設(shè)備先后沉積三層薄膜，分別為Al、Si02、Al，三層薄膜的總厚度為300-400 納米；
(8)最后在SU8去膠液中進(jìn)行超聲舉離，在基板上形成Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵，即得到三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器。在含Si的紫外壓印膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)時(shí)，采用軟模板納米壓印技術(shù)。在本發(fā)明整個(gè)工藝過(guò)程中，關(guān)鍵是如何在含Si的納米壓印膠表面得到大面積納米線柵結(jié)構(gòu)。2008年11月，南京大學(xué)一研究小組提出高分辨率軟模板納米壓印技術(shù)(參見中國(guó)專利200810195525.X)。該方法不僅簡(jiǎn)單、可靠，而且能大大減少因含Si的紫外壓印膠表面起伏而引起的缺陷。利用該方法，可得到IOOnm以下分辨率的納米圖案。另外，可以采用光刻等其他技術(shù)制備納米線柵結(jié)構(gòu)，適用于工業(yè)批量生產(chǎn)。本發(fā)明的偏振器，通過(guò)調(diào)整和優(yōu)化三明治結(jié)構(gòu)納米線柵的參數(shù)(如線柵周期、占空t匕、各層薄膜的厚度等)，能夠在1300-2000nm的波段范圍內(nèi)工作，帶寬達(dá)到700nm。偏振器的TM波透射率可達(dá)到84%-94%，消光比可達(dá)到49-55dB，特別地，在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM波透射率超過(guò)92%且消光比超過(guò)52dB。因此，該偏振器同時(shí)具有很高的TM波透射率和消光比。此外，本發(fā)明的偏振器工藝簡(jiǎn)單且具有良好的加工誤差容忍度，非常有利于規(guī)模化商業(yè)應(yīng)用。


圖1為本發(fā)明的三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器結(jié)構(gòu)示意 圖2為RCWA算法模擬的不同偏振態(tài)的光經(jīng)過(guò)圖1結(jié)構(gòu)的偏振器時(shí)的場(chǎng)分布 圖3 Ca)為本發(fā)明的實(shí)施例1的光學(xué)特性曲線，(b)和(C)為兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，存在加工誤差時(shí)偏振器的光學(xué)特性曲線；
圖4 Ca)為本發(fā)明的實(shí)施例2的光學(xué)特性曲線，(b)和(C)為兩種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下，存在加工誤差時(shí)偏振器的光學(xué)特性曲線；
圖5為本發(fā)明的制備方法工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式對(duì)三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和光學(xué)性能的分析，采用嚴(yán)格耦合波(RCWA)算法來(lái)完成。圖1所示為本發(fā)明的三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的基板為石英玻璃、氧化鎂、氟化鈣或氧化鋁。在線柵材料的選擇上采用了具有高消光系數(shù)的鋁和高透射率的SiO2。圖中標(biāo)記為:偏振器基板1，第一層金屬鋁2，二氧化硅3，第二層金屬鋁4，線柵周期Λ，線柵寬度W，占空比D=w/ A，第一層金屬鋁2膜厚度為Ii1，二氧化硅3厚度為h2，第二層金屬鋁4膜厚度為h3。圖2所示為RCWA算法模擬的不同偏振態(tài)的光經(jīng)過(guò)圖1結(jié)構(gòu)的偏振器時(shí)的場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)TM波入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁局域共振透射增強(qiáng)現(xiàn)象，而當(dāng)TE波入射時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象，從而使得該結(jié)構(gòu)具有偏振功能。調(diào)節(jié)圖1結(jié)構(gòu)的參數(shù)，可以調(diào)整TM波的磁局域共振透射增強(qiáng)現(xiàn)象的強(qiáng)弱，進(jìn)而得到不同TM波透光率和消光比。實(shí)施例1
圖3 (a)所示為以石英玻璃為基板的三明治結(jié)構(gòu)線柵偏振器的光學(xué)特性曲線。偏振器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ =350nm, D=60%, Ii1=IOOnm, h2=100nm, h3=100nm。圖中，黑實(shí)框連成的曲線表示器件的TM波透射率，白方框連成的曲線表示器件的消光比。從圖中可以看出，偏振器的工作波長(zhǎng)在1300-2000nm，帶寬達(dá)到700nm，不僅TM波透射率為84%_93%，而且消光比達(dá)到50-55dB。特別地，在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM透射率為92%，消光比為53dB。一般來(lái)說(shuō)，加工誤差會(huì)對(duì)偏振器性能產(chǎn)生一定影響。圖3 (b)和圖3 (c)均為當(dāng)實(shí)際膜厚偏離理論設(shè)計(jì)值時(shí)偏振器的光學(xué)特性曲線，以研究偏振器的加工誤差容忍度問(wèn)題。圖3 (b)所對(duì)應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=350nm, D=60%, Ii1=IOOnm, h2=90nm, h3=110nm。從圖中可以看出，在1300-2000nm處，TM波透射率為83%_93%，消光比為51_56dB。在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM透射率為91%，消光比為54dB。圖3 (c)所對(duì)應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ =350nm，D=60%，Ii1=IOOnnuh2=I 10nm，h3=90nm。從圖中可以看出，在 1300_2000nm處，TM波透射率為 85%_94%，消光比為49-55dB。在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM透射率為93%，消光比為52dB。因此，該偏振器具有良好的加工誤差容忍度。實(shí)施例2
圖4 (a)所示為以石英玻璃為基板的三明治結(jié)構(gòu)線柵偏振器的光學(xué)特性曲線。偏振器的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=400nm, D=50%, Ii1=ISOnm, h2=70nm, h3=180nm。圖中，黑實(shí)框連成的曲線表示器件的TM波透射率，白方框連成的曲線表示器件的消光比。從圖中可以看出，偏振器的工作波長(zhǎng)在1300-2000nm，帶寬達(dá)到700nm，不僅TM波透射率為85%_94%，而且消光比達(dá)到49-55dB。特別地，在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM透射率為94%，消光比為52dB。一般來(lái)說(shuō)，加工誤差會(huì)對(duì)偏振器性能產(chǎn)生一定影響。圖4 (b)和圖4 (c)均為當(dāng)實(shí)際膜厚偏離理論設(shè)計(jì)值時(shí)偏振器的光學(xué)特性曲線，以研究偏振器的加工誤差容忍度問(wèn)題。圖4 (b)所對(duì)應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=400nm, D=50%, Ii1=ISOnm, h2=60nm, h3=190nm。從圖中可以看出，在1300-2000nm處，TM波透射率為85%_93%，消光比為49_55dB。在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM透射率為93%，消光比為52dB。圖4 (c)所對(duì)應(yīng)的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)為Λ =400nm，D=50%，4=150.，h2=80nm，h3=170nm。從圖中可以看出，在 1300_2000nm處，TM波透射率為 84%_94%，消光比為48-54dB。在常用通信波長(zhǎng)1550nm處，TM透射率為94%，消光比為51dB。因此，該偏振器具有良好的加工誤差容忍度。圖5為本發(fā)明的制備方法工藝流程圖。圖中正斜線層表示基板，黑色層表示SU8膠，反斜線層表示含Si的紫外壓印膠，白色層表示鋁膜，網(wǎng)格層表示SiO2膜。(I)首先對(duì)基板進(jìn)行清洗、干燥；(2)在基板表面旋涂一層600-800nm的SU8膠并紫外光固化；(3)在SU8膠上面旋涂一層60-70nm的含Si的紫外壓印膠；(4)采用專利ZL200810195525.X的軟模板納米壓印技術(shù)，在含Si的紫外壓印膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)；(5)采用CHF3反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕殘余層，暴露納米線柵結(jié)構(gòu)下的SU8膠；(6)以含Si的紫外壓印膠為掩模，采用O2反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕SU8膠至基板；(7)用電子束蒸發(fā)設(shè)備先后沉積三層薄膜，分別為Al、SiO2, Al，薄膜的總厚度為300-400納米；(8)最后在SU8去膠液中進(jìn)行超聲舉離，在基板上形成Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵，即得到三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器。上述實(shí)施例僅示例性說(shuō)明本發(fā)明的原理及功效，而非限制本發(fā)明，任何不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實(shí)質(zhì)性替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器，由基板上的Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵構(gòu)成，其特征在于:所述基板為在通訊波段透明的光學(xué)材料；所述Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:線柵周期350-400納米，線柵占空比60%-50%，線柵總厚度300-400納米。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器，其特征在于，所述Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)中，第一層金屬鋁的厚度為80-170nm，SiO2的厚度為50-120nm，第二層金屬鋁的厚度為80-210nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器，其特征在于，所述基板為石英玻璃、氧化鎂、氟化鈣或氧化鋁。
4.如權(quán)利要求1所述的一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器的制備方法，包括下述步驟: (O首先對(duì)基板進(jìn)行清洗、干燥； (2)在基板表面旋涂一層600-800nm的SU8膠并紫外光固化； (3)在SU8膠上面旋涂一層60-70nm的含Si的紫外壓印膠； (4)采用納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)，在含Si的紫外壓印膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)； (5)采用CHF3反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕殘余層，暴露納米線柵結(jié)構(gòu)下的SU8膠； (6)以含Si的紫外壓印膠為掩模，采用O2反應(yīng)離子刻蝕工藝刻蝕SU8膠至基板； (7)用電子束蒸發(fā)設(shè)備先后沉積三層薄膜，分別為Al、Si02、Al，三層薄膜的總厚度為300-400 納米； (8)最后在SU8去膠液中進(jìn)行超聲舉離，在基板上形成Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵，即得到三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中，采用軟模板納米壓印技術(shù)形成納米線柵結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三明治結(jié)構(gòu)線柵寬帶偏振器及其制備方法。本發(fā)明的偏振器，由基板上的Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵構(gòu)成，基板為在通訊波段透明的光學(xué)材料；Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)為線柵周期350-400納米，線柵占空比60%-50%，線柵總厚度300-400納米，第一層金屬鋁的厚度為80-170nm，SiO2的厚度為50-120nm，第二層金屬鋁的厚度為80-210nm。本發(fā)明方法步驟為清洗基板、基板表面旋涂SU8膠、旋涂含Si的紫外壓印膠、在含Si的紫外壓印膠表面形成納米線柵結(jié)構(gòu)、刻蝕殘余層、在SU8膠上刻出納米線柵結(jié)構(gòu)、沉積薄膜(Al、SiO2、Al)、超聲舉離，形成Al-SiO2-Al三明治結(jié)構(gòu)納米線柵。本發(fā)明寬帶偏振器在1300-2000nm波段范圍內(nèi)不僅具有很高的TM波透射率，而且具有很高的消光比，且工藝簡(jiǎn)單、加工誤差容忍度好。
文檔編號(hào)G02B5/30GK103197368SQ20131015861
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者盧明輝, 宋寶生, 林亮, 徐葉龍, 葛海雄, 陳延峰 申請(qǐng)人:南京大學(xué)