[實(shí)用新型]單片集成在高折射率襯底的亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201520372295.5
• 申請(qǐng)日: 2015-06-02
• 公開（公告）號(hào): CN204679671U
• 公開（公告）日: 2015-09-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王瑞;李淘;邵秀梅;曹高奇;李雪;龔海梅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號(hào): G02B5/30
• 分類號(hào): G02B5/30
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 郭英

技術(shù)領(lǐng)域

本專利屬于偏振光學(xué)元件，具體涉及一種單片集成在高折射率襯底的亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片。

背景技術(shù)

光柵作為一種常用的光學(xué)元件,其功能主要包括:偏振、色散、分束和相位匹配。亞波長(zhǎng)金屬光柵結(jié)構(gòu)因其具有結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、偏振特性好、光譜較寬、透射率和消光比高等特點(diǎn),可以減少光路原件,增加光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性,具有改進(jìn)和取代傳統(tǒng)光學(xué)元器件的潛力。隨著微電子加工工藝的快速發(fā)展和光柵理論的不斷深入,人們漸漸發(fā)現(xiàn)當(dāng)光柵周期小于入射光波長(zhǎng)時(shí),表現(xiàn)出強(qiáng)烈的偏振特性。一維亞波長(zhǎng)金屬光柵具有顯著的偏振特性即所謂的雙折射效應(yīng):對(duì)于電場(chǎng)矢量方向垂直于柵條的TM波,光柵可近似等效為電介質(zhì),具有高透射；對(duì)于電場(chǎng)方向平行于柵條的TE波,相當(dāng)于金屬膜,具有高反射。電場(chǎng)的偏振方向會(huì)影響到光的衍射,使得金屬光柵在透射或反射光譜方面表現(xiàn)出不同于一般衍射光學(xué)元件的性質(zhì),因此在亞波長(zhǎng)光學(xué)方面具有較大的應(yīng)用潛力。亞波長(zhǎng)金屬光柵已被應(yīng)用于光邏輯功能器件,傳感器,濾波片,光探測(cè)器,偏振分束器等領(lǐng)域。

中國(guó)臺(tái)灣清華大學(xué)制作出小于15nm寬，高寬比大于16的納米線光柵，方法采用納米壓印以及等離子修剪,最后得到消光比12000:1，透過(guò)率85％的偏振片,見(jiàn)Nanotechnology,24(2013)265301:1-7。上海光學(xué)精密機(jī)械研究所吳軍等對(duì)近紅外波段1-3nm理論設(shè)計(jì)了寬波段金屬線柵偏振分束器，TM波的透過(guò)率和TE波的反射率都大于95％，消光比為25dB，見(jiàn)Optics&LaserTechnology,?47(2013):166–170。路易斯華盛頓大學(xué)Timothy?York等人針對(duì)可見(jiàn)波段在CCD相機(jī)單片集成Al納米線光柵，周期為140nm,占空比0.5，一個(gè)重復(fù)單元里包括4個(gè)方向光柵偏振方向，其中像素1000×1000，像距7μm,幀頻40，消光比30(460nm),47(515nm),58(625nm),視場(chǎng)角±10°，信噪比40dB，見(jiàn)APPLIED?OPTICS,2012,Vol.51,No.22:5392-5400。

但是，這些亞波長(zhǎng)金屬光柵都是生長(zhǎng)在低折射率襯底上的，且大部分用于可見(jiàn)波段。與他們相比，本專利主要基于折射率高的襯底，滿足在紅外波段特定襯底性質(zhì)的要求。

發(fā)明內(nèi)容

本專利的目的是提供一種集成在高折射率襯底的亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片。

本專利亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片結(jié)構(gòu)為：從襯底3自下而上依次是低折射率介質(zhì)層2、亞波長(zhǎng)金屬光柵層1。

所述低折射率介質(zhì)層2的折射率在1.3至2.5之間,厚度H是50-1000納米。低折射率介質(zhì)材料選自SiO₂、Si₃N₄和ZnS的一種。

所述亞波長(zhǎng)金屬光柵1的周期p是100-400納米，厚度h是80-200納米，占空比(w/p)是0.4-0.6。金屬材料選自金、鋁、銀和銅的一種。

本專利的有益效果在于：

本專利通過(guò)在高折射率襯底和亞波長(zhǎng)金屬光柵之間插入一層低折射率介質(zhì)層，能有效提高偏振片在紅外波段的TM波透過(guò)率和消光比。具有結(jié)構(gòu)緊湊、易集成、偏振特性好、光譜較寬、透射率和消光比高等特點(diǎn),可以減少光路原件,增加光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性,具有改進(jìn)和取代傳統(tǒng)光學(xué)元器件的潛力。

附圖說(shuō)明

圖1為本專利的結(jié)構(gòu)示意圖。1是亞波長(zhǎng)金屬光柵層，2是低折射率介質(zhì)層，3是高折射率襯底。

圖2為本專利實(shí)施例一中亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的TM光透過(guò)率與入射波長(zhǎng)關(guān)系圖。

圖3為本專利實(shí)施例一中亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的消光比與入射波長(zhǎng)關(guān)系圖。

圖4為本專利實(shí)施例二中亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的TM光透過(guò)率與入射波長(zhǎng)關(guān)系圖。

圖5為本專利實(shí)施例二中亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的消光比與入射波長(zhǎng)關(guān)系圖。

圖6為本專利實(shí)施例三中亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的TM光透過(guò)率與入射波長(zhǎng)關(guān)系圖。

圖7為本專利實(shí)施例三中亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片的消光比與入射波長(zhǎng)關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本專利應(yīng)用于高折射率襯底是InP的情況進(jìn)行詳細(xì)描述。以下實(shí)施例僅用于說(shuō)明本專利，但不限制本專利的范圍。

如圖1所示，所述亞波長(zhǎng)金屬光柵偏振片結(jié)構(gòu)為：從襯底3自下而上依次是低折射率介質(zhì)層2、亞波長(zhǎng)金屬光柵層1。圖中亞波長(zhǎng)金屬光柵周期p，柵條寬度w，占空比定義為w/p，低折射率介質(zhì)層2的厚度是H,亞波長(zhǎng)金屬光柵層1的厚度是h。

實(shí)施例一：