光通信波段内渔网结构低折射率材料及其制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种光通信波段内渔网结构低折射率材料及其制造方法，涉及光学材料领域，该材料包括若干沿x、y方向周期分布的单元，单个单元的横截面呈十字形，每个单元由13层介质构成，第1、3、5……、13层为银层，每个银层厚55nm，第2、4、6……12层为氟化镁层，每个氟化镁层厚40nm；每个银层沿x方向长300nm，沿y方向长300nm，沿x方向宽102nm，沿y方向宽70nm；每个氟化镁层沿x方向的长度与每个银层沿x方向的长度相等，每个氟化镁层沿x方向的宽度与每个银层沿x方向的宽度相等。本发明中的材料在波长780nm处的折射率为0.041，在波长1550nm处的等效折射率为0.039，该材料在波长780nm处有高色散和低损耗的特点。
【专利说明】光通信波段内渔网结构低折射率材料及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学材料领域，特别是涉及一种光通信波段内渔网结构低折射率材料及其制造方法。
【背景技术】
[0002]1996年,J. B. Pendry提出了利用周期排列的金属棒（Rod)阵列结构来控制物质等效介电常数的方法；紧接着他又提出的：利用SRR (Split Ring Resonator,开环谐振器)阵列来控制物质等效磁导率的方法。这一新的发现引起了人们极大的兴趣，对物质参数的调节方法的研究也随之成为热潮。2000年，D. R. Smith将Pendry提出的Rod阵列（负介电常数）和SRR阵列（负磁导率）两种结构结合起来，印制在电路板上，成功制作了微波频段的一维异向介质，这也是世界上首块折射率为负的人工介质。这一成果首次将理论变为实验结果.
[0003]随着研究的不断深入，人工介质的实验工作也逐渐由微波频段向太赫兹、红外及光频段发展。2005年S. Zhang和V. M. Shalae各自利用不同的结构在近红外波段设计出了具有负折射率的人工介质，并通过测量介质的传输与反射特性，提取了这种材料的电磁参数。与此同时，这一【技术领域】还进行着从一维到二维和三维的发展。上面的结果中都是利用亚波长的人工结构材料来调整整块材料的等效折射率，即等效介电常数和等效磁导率这两个物质参数，进而实现自然界中不存在的物质参数。然而目前这一方向主要关注的是材料的负折射率的实现和研究，还没有关注过用这一方法来实现材料的低折射率特性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服上述【背景技术】的不足，提供一种光通信波段内渔网结构低折射率材料及其制造方法，通过亚波长电磁波调制实现自然界中现有材料不存在的低折射率电磁响应特性，其在波长780nm处的折射率为0.041，同时该材料在波长780nm处有高色散和低损耗的特点，适用于光通信和激光控制等领域。
[0005]本发明提供一种光通信波段内渔网结构低折射率材料，包括若干分别沿X方向和y方向周期分布的周期单元，单个周期单元的横截面呈十字形，每个周期单元由13层介质构成，其中第1、3、5……、13层为金属银层，每个金属银层的厚度t=55nm，第2、4、6……12层为电介质氟化镁层，每个电介质氟化镁层的厚度s=40nm;每个金属银层沿X方向的长度ax=300nm,沿y方向的长度ay=300nm,沿x方向的宽度wx=102nm,沿y方向的宽度wy=70nm ；每个电介质氟化镁层沿X方向的长度与每个金属银层沿X方向的长度相等，每个电介质氟化镁层沿X方向的宽度与每个金属银层沿X方向的宽度相等；该材料在波长780nm处的等效折射率为0.041，在波长1550nm处的等效折射率为0.039。
[0006]本发明还提供上述光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，包括以下步骤：
[0007]A、在基底上进行光刻胶涂胶、匀胶，利用纳米压印光刻技术在光刻胶上制作所设计结构的渔网结构图形：首先纳米压印，然后曝光显影，生成所需要的光刻图形掩膜；
[0008]B、依次在纳米压印后的光刻胶基底上，沉积厚度为55nm的金属银层，然后在金属银层上沉积厚度为40nm的电介质氟化镁层，再在电介质氟化镁层上面沉积厚度为55nm的金属银层，之后继续在金属银层上沉积厚度为40nm的电介质氟化镁层，这样依次交替沉积金属银层和电介质氟化镁层，直至有7层金属银层、6层电介质氟化镁层,形成13层的复合层结构；
[0009]C、以上述13层的复合层结构为周期单元，分别沿X方向和y方向进行周期分布，然后分别沿X方向和I方向加工周期分布的方孔，使得每个周期单元的几何结构参数满足以下要求：每个周期单元沿X方向的长度ax=300nm,沿y方向的长度ay=300nm,沿x方向的宽度wx=102nm,沿y方向的宽度wy=70nm ；
[0010]D、采用剥离工艺，将沉积好的材料进行去胶。
[0011]在上述技术方案的基础上，所述材料的等效折射率的计算过程如下：将波长分别为780nm、1550nm的光波垂直于该材料表面入射，同时保证电磁波的电磁强度方向和磁场强度方向分别平行于该材料的周期单元结构的X方向和y方向，利用该材料在电磁场中的透射波和反射波，采用S参数反演法计算该材料的等效折射率：根据菲涅尔公式可知，厚度为d、折射率为η的均匀介质板的透射系数S21和反射系数Sll分别为：
【权利要求】
1.一种光通信波段内渔网结构低折射率材料，包括若干分别沿X方向和I方向周期分布的周期单元，其特征在于：单个周期单元的横截面呈十字形，每个周期单元由13层介质构成，其中第1、3、5……、13层为金属银层，每个金属银层的厚度t=55nm，第2、4、6……12层为电介质氟化镁层，每个电介质氟化镁层的厚度s=40nm ;每个金属银层沿x方向的长度ax=300nm,沿y方向的长度ay=300nm,沿x方向的宽度wx=102nm,沿y方向的宽度wy=70nm ；每个电介质氟化镁层沿X方向的长度与每个金属银层沿X方向的长度相等，每个电介质氟化镁层沿X方向的宽度与每个金属银层沿X方向的宽度相等；该材料在波长780nm处的等效折射率为0.041，在波长1550nm处的等效折射率为0.039。
2.权利要求1所述的光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于，包括以下步骤： A、在基底上进行光刻胶涂胶、匀胶，利用纳米压印光刻技术在光刻胶上制作所设计结构的渔网结构图形：首先纳米压印，然后曝光显影，生成所需要的光刻图形掩膜； B、依次在纳米压印后的光刻胶基底上，沉积厚度为55nm的金属银层，然后在金属银层上沉积厚度为40nm的电介质氟化镁层,再在电介质氟化镁层上面沉积厚度为55nm的金属银层，之后继续在金属银层上沉积厚度为40nm的电介质氟化镁层，这样依次交替沉积金属银层和电介质氟化镁层，直至有7层金属银层、6层电介质氟化镁层，形成13层的复合层结构； C、以上述13层的复合层结构为周期单元，分别沿X方向和y方向进行周期分布，然后分别沿X方向和I方向加工周期分布的方孔，使得每个周期单元的几何结构参数满足以下要求：每个周期单元沿X方向的长度ax=300nm,沿y方向的长度ay=300nm,沿x方向的宽度wx=102nm,沿y方向的宽度wy=70nm ； D、采用剥离工 艺，将沉积好的材料进行去胶。
3.如权利要求2所述的光 通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于：所述材料的等效折射率的计算过程如下：将波长分别为780nm、1550nm的光波垂直于该材料表面入射，同时保证电磁波的电磁强度方向和磁场强度方向分别平行于该材料的周期单元结构的X方向和y方向，利用该材料在电磁场中的透射波和反射波，采用S参数反演法计算该材料的等效折射率：根据菲涅尔公式可知，厚度为d、折射率为η的均匀介 质板的透射系数S21和反射系数Sll分别为：S , = Cos(^iZ)-- z+- sin(/;^) ， z是材料的阻抗，λ是光波的波长，由上述公式计算得到该材料的等效折射率公式：/7(w) = ± —cos 1~^7\) +"z~^7，其中：η (ω)是折射率η随着自变量光波角 频率ω改变的一个函数，m是整数，该公式中的折射率是一个复数，折射率的虚部大于零，m的选取必须使不同层数的人工结构材料的等效折射率的实部基本相等；最终得到该材料在波长780nm处的折射率实部和虚部均为0.041，在波长1550nm处的折射率实部为0.039，虚部为0.032，故该材料在波长780nm处的等效折射率为0.041，在波长1550nm处的等效折射率为0.039。
4.如权利要求2所述的光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于：步骤A中所述光刻胶的厚度大于要制作的材料厚度。
5.如权利要求2所述的光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于：所述金属银层通过电子束蒸发工艺制作。
6.如权利要求2至5中任一项所述的光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于：步骤C中所述周期分布的方孔采用光刻整体打孔工艺加工。
7.如权利要求2至5中任一项所述的光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于：步骤C中所述周期分布的方孔采用纳米压印加剥离工艺加工。
8.如权利要求2至5中任一项所述的光通信波段内渔网结构低折射率材料的制造方法，其特征在于：步骤C中所述周期分布的方孔采用电子束直写工艺加工。
【文档编号】G02B5/00GK103487856SQ201310424813
【公开日】2014年1月1日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】李淼峰, 谢德权, 杨奇, 余少华, 蔡鸣 申请人:武汉邮电科学研究院