一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种太赫兹偏振片领域，具体涉及一种基于双层金属线栅结构的太赫 兹偏振片。
【背景技术】
[0002] 太赫兹波是指频率在0. 1太赫兹-10太赫兹之间，波长位于3毫米-30微米范围 内的电磁波。它能够穿透如衣物、橡胶、陶瓷、木头、塑料等，而且它的光子能量极低，能够广 泛应用于通信、雷达、成像、医学等领域。
[0003] 偏振片是光学信息处理、光学测量、光通信等系统中重要的光学元件，因此已广泛 应用于光纤通信、液晶显示、光学投影、光电检测等领域。其中消光比是衡量偏振器性能的 主要参数，定义为10X logio OVTte)，消光比越高，偏振器性能越优，其中Ttm和T TE分别表 示线栅偏振器TM和TE偏振波透射率。在太赫兹波段领域中最常见的偏振器可以分为三 种：第一种是液晶偏振片，第二种是布鲁斯特角偏振片，第三种是金属线栅偏振片。应用最 广泛的液晶偏振片具体良好的偏振性能，但是工作频率范围较窄，结构复杂，成本高，其应 用受到限制。布鲁斯特角偏振片也存在着适用波长窄，消光比不高的缺点。传统的太赫兹 波段偏振器是无支撑金属线栅偏振器，由于没有基底材料，损耗很低，被广泛应用于太赫兹 波段，但周期统一、间距均匀的弯曲金属线结构加工起来难度很大，而且结构脆弱、消光比 较低。2009年，Yamada等人利用微加工方法在硅基底上加工了周期为3 μπι的铝质金属线 栅偏振器，在0. 5~3. OTHz范围内消光比优于23dB，但高介电常数的硅基底材料造成的 菲涅尔反射，使其损耗较高。同年Yong Ma等人利用光刻工艺在高密度聚乙烯材料上加工 了太赫兹线栅偏振器，实现了较低的损耗，但是要提高消光比，就要制备周期更小的线栅结 构，这就需要采用成本更高、难度更大的纳米印刷和加工工艺，该工艺存在难以制备太赫兹 波段大尺寸线栅偏振器的缺点。2010年，LinSun等人理论上提出了利用双层线栅实现高消 光比的偏振器结构设计。2012年，Deng等人在硅基底上加工了双层金质线栅偏振器，相比 传统单层线栅偏振器，消光比得到了大幅度提高。但是以上几种线栅偏振器依然存在着结 构过于复杂、消光比不尽如人意的问题。有鉴于此，寻找一种制备工艺简单，消光比高的太 赫兹偏振片是本领域亟需解决的问题。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片。
[0005] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，包括硅基底1，硅基底上下表面的氮 化硅层2,将所述氮化硅层2加工成在同一平面相互平行呈周期性排列的凸起3,在凸起3 之间的硅基底上加工形成相互平行的凹槽4,在凸起3表面和凹槽4内部底面生成有线栅结 构的金属薄膜5。
[0007] 优选的，上下表面形成的凸起3之间和凹槽4之间对齐。
[0008] 优选的，所述娃基底1为500um~600um厚的双面抛光本征高阻娃片，所述氮化娃 层2厚度为200~300nm，所述凸起3厚度与氮化娃层一致，所述凹槽底宽2~3um，深1~ 3um，所述凹槽之间的间距为4um〇
[0009] 优选的，所述凸起3侧面呈梯形，这样可以防止凹槽侧壁被镀上金膜。
[0010] 优选的，所述凹槽4侧面加工成内弧形面或与地面形成锐角的平面。
[0011] 优选的，所述金属薄膜为铝、金、银、铜的材料所形成的薄膜中的一种。
[0012] 优选的，所述金属薄膜为金形成的薄膜，厚度为IOOnm~200nm。
[0013] 优选的，所述偏振片的适用范围在0. 5 - 2. 0太赫兹范围内，横电场波的透过率为 10 3- 10 4,横磁场波的透过率平均约为0. 46,消光比为60dB左右。
[0014] 本发明的有益效果在于：本发明公开的偏振片横磁场波具有较高的透过率，消光 比非常高，由于是双面对称结构，使用时没有方向区别。另外，本发明制作时上下刻蚀的凹 槽无需对齐，只需上下平行，因此本发明还具有加工工艺简单，加工周期较短等优点。
【附图说明】
[0015] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行 说明：
[0016] 图1为实施例1所制备的偏振片侧视剖面图；
[0017] 图2为实施例1所制备的偏振片宏观整体图；
[0018] 图3为实施例1所制备的偏振片的消光比与频率关系的曲线图；
[0019] 图4为实施例2所制备的偏振片侧视剖面图。
【具体实施方式】
[0020] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0021] 实施例1
[0022] 本实施例所制备的偏振片侧视剖面图如图1所示，本实施例的偏振片包括500um 厚的双面抛光本征高阻硅片（100) 1，硅片的电阻率大于10000 Ω，硅片表面利用PECVD法进 行氮化处理，氮化层的厚度约为200nm。
[0023] 然后利用光刻刻蚀技术，将其中一面表面氮化的氮化硅层2加工成在同一平面相 互平行呈周期性排列的凸起3,所述凸起3侧面呈上底小于下底的梯形，刻蚀气体选用SF6。 然后利用湿法腐蚀的方法在凸起3之间的硅基底上加工形成相互平行的凹槽4,保留表面 氮化硅的形状，凹槽底宽2um，深lum，所述凹槽之间的间距为4um，凹槽4侧面加工成内弧 形面，所用腐蚀液为HF = HNO3= 1:99(体积比），腐蚀时间约为2-3分钟。利用背面对准技 术，将另一面刻蚀出相应对称的具有凸起3和凹槽4的形状。然后利用蒸发镀膜将金蒸镀 在凸起3表面和凹槽4内部底面生成有线栅结构的金属薄膜5,膜厚lOOnm，形成图1结构， 图2为整体图。
[0024] 偏振片的质量可以用消光比来表示，
， 其中，1^31181]1；[1^31^61￥表示线偏振方向与金属条纹方向垂直的太赫兹光透过率， TransmittanceTE表示线偏振方向与金属条纹方向平行的太赫兹光透过率。实验验证，金属 光栅厚度越厚，刻蚀凹槽深度越深，偏振片消光比越大。本例中采用刻蚀深度lum，金属光栅 厚度IOOnm的参数，其在太赫兹波段消光比平均约为60dB，最高可达87dB，如图3所示。
[0025] 实施例2
[0026] 本实施例所制备的偏振片侧视剖面图如图4所示，本实施例的偏振片包括600um 厚的双面抛光本征高阻硅片（100) 1，硅片的电阻率大于10000 Ω，硅片表面利用PECVD法进 行氮化处理，氮化层的厚度约为300nm。
[0027] 然后利用光刻刻蚀技术，将其中一面表面氮化的氮化硅层2加工成在同一平面相 互平行呈周期性排列的凸起3,所述凸起3侧面呈上底大于下底的梯形，刻蚀气体选用SF6。 然后利用湿法腐蚀的方法在凸起3之间的硅基底上加工形成相互平行的凹槽4,保留表面 氮化硅的形状，凹槽底宽2um，深lum，所述凹槽之间的间距为4um，凹槽4侧面加工成与地面 形成锐角的平面，所用腐蚀液为HF: HNO3 = 1:99 (体积比），腐蚀时间约为2-3分钟。利用 背面对准技术，将另一面刻蚀出相应对称的具有凸起3和凹槽4的形状。然后利用蒸发镀 膜将金蒸镀在凸起3上面和凹槽4内部底面生成有线栅结构的金属薄膜5,膜厚200nm。
[0028] 由以上实施例可看出本发明的太赫兹偏振片，利用表面氮化的硅制作成如图所示 的结构，可让垂直于金属光栅方向的太赫兹波透过，反射平行于金属光栅方向的太赫兹波。 本发明制作成本低，工艺流程简单，且可以大型化制作，有很好的应用前景。
[0029] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
【主权项】
1. 一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，包括硅基底（I)，硅基底上下表面的 氮化硅层（2)，其特征在于，将所述氮化硅层（2)加工成在同一平面相互平行呈周期性排列 的凸起（3)，在凸起（3)之间的硅基底上加工形成相互平行的凹槽（4)，在凸起（3)表面和 凹槽（4)内部底面生成有线栅结构的金属薄膜（5)。2. 根据权利要求1所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于，上 下表面形成的凸起（3)之间和凹槽（4)之间对齐。3. 根据权利要求1所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于，所 述娃基底（1)为500um~600um厚的双面抛光本征高阻娃片，所述氮化娃层（2)厚度为 200~300nm，所述凸起（3)厚度与氮化娃层一致，所述凹槽底宽2~3um，深1~3um，所述 凹槽之间的间距为4um〇4. 根据权利要求1所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于，所 述凸起（3)侧面呈梯形。5. 根据权利要求1所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于，所 述凹槽（4)侧面加工成内弧形面或与地面形成锐角的平面。6. 根据权利要求1所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于，所 述金属薄膜为铝、金、银、铜的材料所形成的薄膜中的一种。7. 根据权利要求3所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于，所 述金属薄膜为金形成的薄膜，厚度为100~200nm。8. 根据权利要求1~7所述一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，其特征在于， 所述偏振片的适用范围在〇. 5 - 2. 0太赫兹范围内，横电场波的透过率为10 3-10 4,横磁场 波的透过率为0. 45~0. 47,消光比为60dB左右。
【专利摘要】本发明公开了一种基于双层金属线栅结构的太赫兹偏振片，包括硅基底1，硅基底上下表面的氮化硅层2，将所述氮化硅层2加工成在同一平面相互平行呈周期性排列的凸起3，在凸起3之间的硅基底上加工形成相互平行的凹槽4，在凸起3表面和凹槽4内部底面生成有线栅结构的金属薄膜5。本发明公开的偏振片横磁场波具有较高的透过率，消光比非常高，由于是双面对称结构，使用时没有方向区别，另外，本发明制作时上下刻蚀的凹槽无需对齐，只需上下平行，因此本发明还具有加工工艺简单，加工周期较短等优点。
【IPC分类】G02B5/30
【公开号】CN105158836
【申请号】CN201510646141
【发明人】王德强, 卢斌, 申钧, 彭晓昱, 夏良平, 张为国, 杜春雷
【申请人】中国科学院重庆绿色智能技术研究院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年10月8日