一种透射式硅纳米阵列光分束器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种透射式硅纳米阵列光分束器，属于微纳光学领域。
【背景技术】
[0002] 光分束器（beam splitter)是一种常见的光无源器件，可用于将入射的激光分为 等强度、或者特定强度分配比例的MXN束（M，N分别为光分束器出射光束的横向和纵向 的光束数，M，N均为整数，可均匀排布，也可任意排布），广泛应用于光纤通信、激光加工、 激光美容、手势识别传感、全息投影等领域。光分束器可用微光学技术中的衍射光学元件 (Diffractive Optical Element, DOE)来实现。DOE的不同像元具有不同的台阶深度，通过 面型优化设计可实现对输出光位相的精密调控，进而实现有效的分光。但DOE的衍射效率 和均匀性受到衍射器件制造的台阶数的影响。一般来说，台阶数越多，衍射效率和均匀性指 标越好；但所需的工艺步骤越复杂，成本上升，成品率下降，且各种误差累计反而消弱了台 阶数增加所带来的性能提升。因此传统台阶浮雕型DOE遭遇了难以逾越的技术瓶颈，亟待 新技术的更新和突破。 【实用新型内容】
[0003] 针对现有技术的缺点，本实用新型的目的是通过一种设计灵活的纳米棒阵列排 布，实现一种高效、新型的光分束器。
[0004] 为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：
[0005] 一种透射式硅纳米阵列光分束器，包括晶体硅衬底和在晶体硅衬底上刻蚀出的若 干个周期分布的娃纳米棒阵列；所述每个周期分布的娃纳米棒阵列包含若干个均勾分布的 朝向不同的长方体硅纳米棒。
[0006] 所述长方体硅纳米棒的长、宽、高均为亚波长。
[0007] 所述长方体娃纳米棒的相位由G-S算法计算得到。
[0008] 所述娃纳米棒阵列的横向或纵向周期长度满足以下公式dx= λ ^/Δ θ x，dy= λ。/ Δ 0y，其中dx为横向周期长度，dy为纵向周期长度，△ θ χ为横向出射光相邻光束之间的夹 角，Λ θχ*纵向出射光相邻光束之间的夹角。
[0009] 所述硅纳米棒阵列的纵向周期数与纵向周期长度的乘积大于等于纵向上入射光 斑的尺寸；所述硅纳米棒阵列的纵向周期数与纵向周期长度的乘积大于等于纵向上入射光 斑的尺寸。
[0010] 所述透射式娃纳米阵列光分束器的工作波长范围为1460nm至1620nm。
[0011] 分束器件的衍射工作面采用周期排布，每个周期包含若干不同朝向排布的纳米棒 阵列，周期的大小取决于出射光相邻光束之间的夹角，周期的数量取决于入射光斑的大小。
[0012] 在衬底娃材料表面直接刻蚀纳米棒阵列，构成透射式全娃光分束器。
[0013] 纳米棒为长方体结构，长宽高均为亚波长尺度。在纳米棒层上建立xoy坐标系后， 其中，χ轴为透射式娃纳米阵列光分束器的横向方向，y轴为透射式娃纳米阵列光分束器的 纵向方向。纳米棒的长边方向代表长轴，短边方向代表短轴，长轴与X轴的夹角Φ用于调 节位相，入射在某纳米棒的左旋或者右旋圆偏光束，透射之后将经历2 Φ的位相延迟；
[0014] 纳米棒阵列可采用标准光刻工艺制造：1)涂镀光刻胶；2)电子束直写或者光刻机 曝光；3)显影；4)离子刻蚀。
[0015] 纳米棒位相调节原理：纳米棒工作时可等效为半波片，以琼斯矩阵计算，入射的左 /右旋圆偏光的琼斯矢量分别为[Α]，已知半波片的琼斯矩阵为
【主权项】
1. 一种透射式硅纳米阵列光分束器，其特征在于：包括晶体硅衬底和在晶体硅衬底上 刻蚀出的若干个周期分布的娃纳米棒阵列；所述每个周期分布的娃纳米棒阵列包含若干个 均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米棒。
2. 根据权利要求1所述一种透射式硅纳米阵列光分束器，其特征在于：所述长方体硅 纳米棒的长、宽、高均为亚波长。
3. 根据权利要求1或2所述一种透射式硅纳米阵列光分束器，其特征在于：所述长方 体娃纳米棒的相位由G-S算法计算得到。
4. 根据权利要求1或2所述一种透射式硅纳米阵列光分束器，其特征在于：所述硅纳 米棒阵列的横向或纵向周期长度满足以下公式Clx=Itl/A 0x，Cly=IcZA 0y，其中4为横向周 期长度，dy为纵向周期长度，A 0 横向出射光相邻光束之间的夹角，A 0 x为纵向出射光 相邻光束之间的夹角。
5. 根据权利要求3所述一种透射式硅纳米阵列光分束器，其特征在于：所述硅纳米棒 阵列的纵向周期数与纵向周期长度的乘积大于等于纵向上入射光斑的尺寸；所述硅纳米棒 阵列的纵向周期数与纵向周期长度的乘积大于等于纵向上入射光斑的尺寸。
6. 根据权利要求1或2或5所述一种透射式硅纳米阵列光分束器，其特征在于：所述 透射式娃纳米阵列光分束器的工作波长范围为1460nm至1620nm。
【专利摘要】本实用新型公开了一种透射式硅纳米阵列光分束器，属于微纳光学领域。一种透射式硅纳米阵列光分束器，包括晶体硅衬底和在晶体硅衬底上刻蚀出的若干个周期分布的硅纳米棒阵列；所述每个周期分布的硅纳米棒阵列包含若干个均匀分布的朝向不同的长方体硅纳米棒。其优点是：全硅纳米棒光分束器只需要在工作面上转动方向即可实现(0-360)°范围的位相调制，可等效于任意面型位相调制器件，且只需要传统二台阶浮雕DOE的工艺步骤；而纳米棒光分束器对加工误差的容忍度远超过传统DOE；全硅器件不仅减少了一道镀膜工艺，而且进一步地提高了器件的稳定性和可靠性。
【IPC分类】G02B6-125
【公开号】CN204422813
【申请号】CN201520096254
【发明人】李子乐, 郑国兴, 何平安, 李松, 张霜
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月11日