一种单片集成在高折射率衬底的亚波长金属光栅偏振片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于偏振光学元件，具体涉及一种单片集成在高折射率衬底的亚波长金属光栅偏振片。
【背景技术】
[0002]光栅作为一种常用的光学元件，其功能主要包括:偏振、色散、分束和相位匹配。亚波长金属光栅结构因其具有结构紧凑、易集成、偏振特性好、光谱较宽、透射率和消光比高等特点，可以减少光路原件，增加光学系统设计的灵活性，具有改进和取代传统光学元器件的潜力。随着微电子加工工艺的快速发展和光栅理论的不断深入，人们渐渐发现当光栅周期小于入射光波长时，表现出强烈的偏振特性。一维亚波长金属光栅具有显著的偏振特性即所谓的双折射效应:对于电场矢量方向垂直于栅条的TM波，光栅可近似等效为电介质，具有高透射；对于电场方向平行于栅条的TE波，相当于金属膜，具有高反射。电场的偏振方向会影响到光的衍射，使得金属光栅在透射或反射光谱方面表现出不同于一般衍射光学元件的性质，因此在亚波长光学方面具有较大的应用潜力。亚波长金属光栅已被应用于光逻辑功能器件，传感器，滤波片，光探测器，偏振分束器等领域。
[0003]中国台湾清华大学制作出小于15nm宽，高宽比大于16的纳米线光栅，方法采用纳米压印以及等离子修剪，最后得到消光比12000:1，透过率85%的偏振片，见Nanotechnology, 24 (2013) 265301:1_7。上海光学精密机械研宄所吴军等对近红外波段l_3nm理论设计了宽波段金属线栅偏振分束器，TM波的透过率和TE波的反射率都大于95%，消光比为 25dB，见 Optics&LaserTechnology, 47 (2013): 166 - 170。路易斯华盛顿大学 TimothyYork等人针对可见波段在(XD相机单片集成Al纳米线光栅，周期为140nm,占空比0.5，一个重复单元里包括4个方向光栅偏振方向，其中像素1000 X 1000，像距7 μ m，帧频40，消光比 30(460nm), 47(515nm), 58(625nm),视场角 ±10。，信噪比 40dB，见 APPLIEDOPTICS, 2012, Vol.51, N0.22:5392-5400。
[0004]但是，这些亚波长金属光栅都是生长在低折射率衬底上的，且大部分用于可见波段。与他们相比，本发明主要基于折射率高的衬底，满足在红外波段特定衬底性质的要求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种集成在高折射率衬底的亚波长金属光栅偏振片。
[0006]本发明亚波长金属光栅偏振片结构为:从衬底3自下而上依次是低折射率介质层
2、亚波长金属光栅层I。
[0007]所述低折射率介质层2的折射率在1.3至2.5之间，厚度H是50-1000纳米。低折射率介质材料选自Si02、Si3N4和ZnS的一种。
[0008]所述亚波长金属光栅I的周期P是100-400纳米，厚度h是80-200纳米，占空比(w/p)是0.4-0.6。金属材料选自金、销、银和铜的一种。
[0009]本发明的有益效果在于:
[0010]本发明通过在高折射率衬底和亚波长金属光栅之间插入一层低折射率介质层，能有效提高偏振片在红外波段的TM波透过率和消光比。具有结构紧凑、易集成、偏振特性好、光谱较宽、透射率和消光比高等特点，可以减少光路原件，增加光学系统设计的灵活性，具有改进和取代传统光学元器件的潜力。
【附图说明】
[0011 ] 图1为本发明的结构示意图。I是亚波长金属光栅层，2是低折射率介质层，3是高折射率衬底。
[0012]图2为本发明实施例一中亚波长金属光栅偏振片的TM光透过率与入射波长关系图。
[0013]图3为本发明实施例一中亚波长金属光栅偏振片的消光比与入射波长关系图。
[0014]图4为本发明实施例二中亚波长金属光栅偏振片的TM光透过率与入射波长关系图。
[0015]图5为本发明实施例二中亚波长金属光栅偏振片的消光比与入射波长关系图。
[0016]图6为本发明实施例三中亚波长金属光栅偏振片的TM光透过率与入射波长关系图。
[0017]图7为本发明实施例三中亚波长金属光栅偏振片的消光比与入射波长关系图。
【具体实施方式】
[0018]结合附图和实施例，对本发明应用于高折射率衬底是InP的情况进行详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不限制本发明的范围。
[0019]如图1所示，所述亚波长金属光栅偏振片结构为:从衬底3自下而上依次是低折射率介质层2、亚波长金属光栅层I。图中亚波长金属光栅周期P，栅条宽度W，占空比定义为w/p，低折射率介质层2的厚度是H，亚波长金属光栅层I的厚度是h。
[0020]实施例一:
[0021]参见图1，作为InGaAs红外偏振探测器的起偏器，高折射率衬底3是InP，入射光1-1.7微米，入射角O度。低折射率介质层2是S12，其厚度h是120纳米。金属偏振光栅材料是金，周期P是100纳米，厚度100纳米，占空比0.4。
[0022]在此条件下，TM光透过率与入射波长关系如图2所示，消光比与入射波长关系如图3所示，在1.6 μ m波长下，TM透过率90 %，消光比270。
[0023]实施例二:
[0024]参见图1，作为InGaAs红外偏振探测器的起偏器，高折射率衬底3是InP，入射光1-1.7微米，入射角O度。低折射率介质层2是Si3N4，其厚度h是500纳米。金属偏振光栅材料是铝，周期P是300纳米，厚度150纳米，占空比0.5。
[0025]在此条件下，TM光透过率与入射波长关系如图4所示，消光比与入射波长关系如图5所示，在1.6μπι波长下，TM透过率90%，消光比1300。
[0026]实施例三:
[0027]参见图1，作为InGaAs红外偏振探测器的起偏器，高折射率衬底3是InP，入射光1-1.7微米，入射角O度。低折射率介质层2是ZnS，其厚度h是800纳米。金属偏振光栅材料是银，周期P是400纳米，厚度200纳米，占空比0.6。在此条件下，TM光透过率与入射波长关系如图6所示，消光比与入射波长关系如图7所示，在1.6 μπι波长下，TM透过率50%，消光比900。
【主权项】
1.一种单片集成在高折射率衬底的亚波长金属光栅偏振片，由衬底(3)、低折射率介质层(2)和亚波长金属光栅层(I)构成，其特征在于: 所述的亚波长金属光栅偏振片结构为:从衬底(3)自下而上依次是低折射率介质层(2)、亚波长金属光栅层(I); 所述的低折射率介质层(2)的折射率在1.3至2.5之间，厚度H是50-1000纳米，低折射率介质层⑵的材料采用Si02、Si3N4或ZnS ； 所述的亚波长金属光栅(I)的周期P是100-400纳米，厚度h是80-200纳米，占空比w/p是0.4-0.6，材料采用金、销、银或铜。
【专利摘要】本发明公开了一种单片集成在高折射率衬底的亚波长金属光栅偏振片，从上至下依次是亚波长金属光栅层，低折射率介质层和高折射率衬底。所述高折射率衬底的折射率在2.9至3.6之间，低折射率介质层的折射率在1.3至2.5之间，金属光栅周期100-400纳米。通过在高折射率衬底和亚波长金属光栅之间插入一层低折射率介质层，能有效提高偏振片在红外波段的TM波透过率和消光比。亚波长金属光栅偏振片结构因其具有结构紧凑、易集成、偏振特性好、光谱较宽、透射率和消光比高等特点,可以减少光路原件,增加光学系统设计的灵活性,具有改进和取代传统光学元器件的潜力。
【IPC分类】G02B5/30
【公开号】CN104880755
【申请号】CN201510295974
【发明人】王瑞, 李淘, 邵秀梅, 曹高奇, 李雪, 龚海梅
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月2日