全介質超薄二維圓偏振二色性器件及其制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種全介質超薄二維圓偏振二色性器件及其制備方法，能夠實現直接產生圓偏振光和區分左右旋圓偏振光的作用。該結構包括基底與覆蓋于基底之上刻蝕在介質層中的Z型通孔；本發明的起偏器在1.50μm?1.61μm波段圓二色性平均在70%以上，在1.53μm處圓二色性最高可達到98.3%，并具波段較寬，結構簡單，易于制作的特點，在以后的光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。
【專利說明】
全介質超薄二維圓偏振二色性器件及其制備方法
技術領域
[0001]本發明涉及光學元件制備技術，具體涉及一種全介質超薄二維圓偏振二色性器件的設計及其制備方法。
【背景技術】
[0002]在成像技術中，由于偏振成像技術可以在惡劣的環境下進行遠距離的圖像獲取操作，在抑制背景噪聲、提高探測距離、細節特征獲取以及目標偽裝識別等方面具有絕對優勢。因此，其具有非常廣泛的應用，例如:可探測隱藏或偽裝的目標;可實現海面以及水下目標的探測和識別；可實現煙霧氣候環境條件下的導航;有效區分金屬和絕緣體或是從引誘物中區分真實目標;可進行癌癥、燒傷等醫學診斷；可對物體特征(如指紋等)進行識別；可實現星載或機載遙感;還可與其它技術相結合，如多光譜偏振紅外成像、超光譜偏振紅外成像等。在偏振光成像技術中，圓偏振成像因其在大顆粒散射介質中的獨特優勢受到廣泛重視。如在水底、煙霧、云層以及生物組織中圓偏振光的成像質量要優于線偏振光。
[0003]在光學成像技術中區分圓偏振左旋右旋極為重要。傳統區分左右旋圓偏振光的方法一般是用四分之一波片把圓偏振轉化成不同偏振方向的線偏振光，然后再根據所需要的偏振方向選用檢偏器過濾。然而這種方法適用的波段受限于波片的帶寬而且不利于元件的小型化與集成化。近年來，含表面等離子波的亞波長結構器件與技術作為一個新興的學科，在許多領域有著很多潛在的應用，因而越來越受到人們的關注。目前，許多課題組在利用納米微結構區分左右旋圓偏振光方面做了大量的研究工作。在三維空間結構方面，2009年，Justyna K.Gansel等人提出并制作了一種寬帶的圓偏振光檢偏器，即在介質基底上周期性的放置螺旋上升金屬金線，通過控制螺旋線的旋轉方向，可實現對左旋和右旋圓偏振光的選擇性透過。他們先在玻璃基底上沉積一層極薄(25nm)的銦錫氧化物(ITO)作為電化學沉積的陰極，然后涂上正性光刻膠，通過3D激光直寫系統將螺旋空氣線刻出，再放入含金的電解液中使用電化學沉積的方法將金填充到空隙中，最后除去光刻膠，得到在4um-8um圓二色性平均為70%的寬帶圓偏振片。這種結構工藝復雜，難于制作。2014年，Wenshan Cai等人設計并制作了雙層弧形金屬(Ag)結構，他們在高低不同的臺階上分別設置圓弧形金屬線結構，并實驗上在1.4um處得到最大圓二色性為35%。2014年，E.-B.Kley等人，制作了2-D和3-D海星形金屬(Au)結構，其中三維結構在660nm處得到40%的圓二色性。然而現有三維空間結構工藝復雜制作難度較大，不能與傳統光刻技術兼容。2009年，Qiwen Zhan等人提出了一種檢測左旋和右旋圓偏振光的設計方法，即利用帶有亞波長線寬的螺旋金屬狹縫，對左右旋圓偏振光在結構的出射面外，形成不同的聚焦光斑(亮斑，暗斑)來進行區分左右旋圓偏振光。然而這種結構只能在模式上進行區分左右旋圓偏振光，在透過率能量上區分度極小。現有技術存在結構區分度低，作用波段窄，并且與傳統半導體工藝不兼容等缺點。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種全介質超薄二維圓偏振二色性器件的設計與制作方法，能夠實現對左右旋圓偏振光的區分，并具波段較寬，結構簡單，易于制作的特點。
[0005]為達到上述發明目的，本發明采用的技術方案是:一種全介質超薄二維圓偏振二色性器件，由結構單元陣列組成;所述結構單元包括透光基底與覆蓋于基底上的介質層;所述介質層設有Z型通孔;所述Z型通孔貫穿介質層的上表面與下表面;所述Z型通孔的縱向臂長為0.18μηι?0.24μηι，橫向臂長為0.48μηι?0.54μηι，縫寬為0.30μηι?0.33μηι;所述介質層的厚度為0.20μπι?0.26μπι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.97ym?1.ΟΟμπι。
[0006]上述技術方案中，所述透光基底包括二氧化娃透光基底材料，介質層為娃、鍺、砷化鎵等半導體材料;優選的，介質層為硅，透光基底為二氧化硅。制作工藝較為成熟，而且價格便宜、容易獲取。
[0007]本發明還公開了一種全介質超薄二維圓偏振二色性器件，由結構單元陣列組成；所述結構單元為絕緣體硅片;所述絕緣體硅片的絕緣體硅片的頂層硅層設有Z型通孔;所述Z型通孔貫穿絕緣體硅片的頂層硅層的上表面與下表面;所述Z型通孔的縱向臂長為0.18μπι?0.24μηι，橫向臂長為0.48μηι?0.54μηι，縫寬為0.30μηι?0.33μηι;所述頂層娃層的厚度為
0.20μηι?0.26μηι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.97μm?1.ΟΟμπι。絕緣體硅片為Si層+Si02中間層+Si基底的組合，根據位置關系，Si層為頂層硅層，較薄。
[0008]上述技術方案中，位置關系為實際應用時的狀態，介質層在透光基底上方，Z型通孔刻蝕在半導體介質層中，在刻蝕的過程中Z型通孔刻穿介質層，Z型通孔貫穿介質層上下表面，因此為通孔，所述Z型通孔上，任意兩條邊的距離都小于每個結構單元的周期，S卩Z型通孔尺寸小于結構單元周期，通孔不到介質層邊緣。Z型通孔為二維手性結構，手形結構是指自身的鏡像不能夠與自身重合，Z型通孔能夠對入射的左右旋圓偏振光有著不同的吸收、反射和透射作用，即圓二色性。優選的，所述Z型通孔的縱向臂長為0.2μπι，橫向臂長為0.5μm，縫寬為0.32μηι，介質層(頂層娃層)的厚度為0.25μηι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.98μπι。由于介質對于入射光的吸收遠遠小于金屬，因此全介質手性結構能夠達到較高的圓二色性，其圓二色性在1.50μπι -1.61μπι波段平均在70%以上，在1.53μπι處圓二色性最高可達到98.3%。
[0009]本發明公開的全介質超薄二維圓偏振二色性器件具有很強的圓二色性，從而實現圓偏振態區分的功能；因此本發明還公開了上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件在檢測圓偏振光中的應用。其對應的工作波段為通訊波段，并且所述工作波段可根據結構參數的選取進行調制。
[0010]本發明進一步公開了上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件制備方法，方法一:首先，使用化學氣相沉積法在基片上生長出一層半導體介質層;然后利用光刻工藝，比如涂上一層光刻膠，利用電子束曝光顯影技術刻出光刻膠結構，再使用反應離子束工藝刻蝕半導體介質層，接著去除殘余光刻膠得到全介質超薄二維圓偏振二色性器件。方法二:在采用化學氣相沉積法生長出半導體介質層之后，直接采用聚焦離子束刻蝕工藝得到圓偏振起偏器。也可以利用聚焦離子束直寫工藝或者光刻工藝在絕緣體硅片的頂層硅層上制備Z型通孔，即得到全介質超薄二維圓偏振二色性器件。采用電子束直寫曝光并顯影;用反應離子束刻蝕光刻膠;利用丙酮去除殘余光刻膠。
[0011]由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點:
1.本發明首次公開了全介質超薄二維圓偏振二色性器件，具有很強的圓二色性，從而實現圓偏振態區分的功能，其圓二色性在1.50μ?? -1.61μπι波段平均在70%以上，在1.53μπι處圓二色性最高可達到98.3%，取得了意想不到的技術效果。
[0012]2.本發明所公開的全介質超薄二維圓偏振二色性器件結構合理、易于制作，Z型通孔的尺寸參數可調，制備方法與現有的半導體制作工藝完全兼容;克服了現有技術需要繁瑣的制備過程才能得到檢偏器的缺陷。
[0013]3.本發明公開的全介質超薄二維圓偏振二色性器件原料來源廣、制備簡易，相比現有技術財力、時間成本更低;并且性能優異，在光學傳感系統、先進的納米光子器件以及集成光學系統中，具有很大的應用價值。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明全介質超薄二維圓偏振二色性器件和結構單元示意圖；
其中:1、透明基底；2、介質層;3、Ζ型通孔；
圖2為實施例一的全介質超薄二維圓偏振二色性器件結構單元主視結構示意圖；
圖3為實施例一的全介質超薄二維圓偏振二色性器件結構單元俯視結構示意圖；
圖4為實施例一中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；
圖5為實施例一中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖；
圖6為實施例二中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；
圖7為實施例二中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖；
圖8為實施例三中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；
圖9為實施例三中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖；
圖10為實施例四中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；
圖11為實施例四中左右旋圓偏振光由基底入射通過全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。
【具體實施方式】
[0015]下面結合實施例、附圖對本發明作進一步描述:
參見附圖1所示，本發明的全介質超薄二維圓偏振二色性器件由結構單元陣列組成;所述結構單元包括透光基底I與覆蓋于基底上的介質層2;所述介質層設有Z型通孔3;多個結構單元陣列組合即得到全介質超薄二維圓偏振二色性器件。
[0016]實施例一參見附圖2，為全介質超薄二維圓偏振二色性器件結構單元主視結構示意圖，其中半導體介質層硅的厚度H為0.25μπι;參見附圖3，為全介質超薄二維圓偏振二色性器件俯視結構示意圖，其中刻蝕在介質層中的Z型通孔的縱向臂長LI為0.2μπι，橫向臂長L2為0.5μπι，縫寬W為0.32μηι，每個結構單元的周期P為0.98μηι。
[0017]附圖4為左右旋圓偏振光由二氧化硅基底入射通過上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖5為全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖4所示，在1.50μπι -1.61μπι波段結構對左右旋圓偏振光的透過率高低存在差異。參見圖5所示，在1.50μπι -1.61μπι波段圓二色性平均在70%以上。
[0018]上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的制作方法，包括如下步驟:
(1)使用化學氣相沉積法在二氧化硅基片上生長出一層硅半導體介質層；
(2)涂上一層光刻膠，利用電子束曝光技術刻出“Ζ”光刻膠結構；
(3)使用反應離子束工藝刻蝕半導體介質層；
(4)丙酮去除殘余光刻膠得到全介質超薄二維圓偏振二色性器件。
[0019]實施例二
本實施例中基片為二氧化娃，半導體介質層為娃;半導體介質層的厚度為H=0.23μηι，Z型通孔的縱向臂長LI為0.2μηι，橫向臂長L2為0.5μηι，縫寬為0.3 2μηι，每個結構單元的周期為
0.98μπι。在采用化學氣相沉積法生長出半導體介質層之后，直接采用聚焦離子束刻蝕工藝得到圓偏振起偏器。
[0020]附圖6為左右旋圓偏振光由二氧化硅基底入射通過上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖7為全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖6所示，在1.48μπι -1.54μπι波段結構對左右旋圓偏振光的透過率高低存在較大差異。參見圖7所示，在1.48μπι -1.54μπι波段圓二色性平均在80%以上，在1.53μπι處圓二色性最高可達到98.3%。
[0021 ] 實施例三
本實施例的制備工藝與實施例一一致，其中基片為二氧化硅，半導體介質層為砷化鎵；Z型通孔的縱向臂長LI為0.2μπι，橫向臂長L2為0.5μπι，縫寬為0.32μπι，介質層的厚度H為:
0.25μηι。每個結構單元的周期為0.98μηι。
[0022]附圖8為左右旋圓偏振光由二氧化硅基底入射通過上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖9為全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖8所示，在1.46μπι -1.56μπι波段結構對左右旋圓偏振光的透過率存在較大差異。參見圖9所示，在I.46μπι -1.56μπι波段圓二色性平均在70%以上。
[0023]實施例四
本實施例制備選用商用的絕緣體硅片，頂層硅厚度為0.22μηι，中間層二氧化硅厚度為3.0μηι，底層娃度為675口111。2型通孔刻蝕在頂層娃中，Ζ型通孔的縱向臂長LI為0.2μηι，橫向臂長L2為0.5μπι，縫寬為0.32μπι，介質層的厚度H為:0.22μπι。每個結構單元的周期為0.98μπι。
[0024]附圖10為左右旋圓偏振光由硅基底入射通過上述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的透過率曲線圖；附圖11為全介質超薄二維圓偏振二色性器件的圓二色性曲線圖。參見圖10所示，在1.45μπι -1.51μπι波段結構對左右旋圓偏振光的透過率存在較大差異。參見圖11所示，在1.45μπι -1.51μπι波段圓二色性平均在70%以上。
【主權項】
1.一種全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件由結構單元陣列組成;所述結構單元包括透光基底與覆蓋于透光基底上的介質層;所述介質層設有Z型通孔;所述Z型通孔貫穿介質層的上表面與下表面;所述Z型通孔的縱向臂長為0.18μηι?0.24μηι，橫向臂長為0.48μηι?0.54μηι，縫寬為0.30μηι?0.33μηι;所述介質層的厚度為0.23μηι?0.26μηι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.97μπι?Ι.ΟΟμπι。2.根據權利要求1所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述透光基底包括二氧化硅基底;所述介質層為半導體介質層。3.根據權利要求2所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述半導體介質層包括娃介質層、砷化銦介質層或者砷化鎵介質層。4.根據權利要求1所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述Z型通孔上，任意兩條邊的距離都小于每個結構單元的周期。5.根據權利要求1所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述Z型通孔的縱向臂長為0.2μηι，橫向臂長為0.5μηι，縫寬為0.32μηι，介質層的厚度為0.25μηι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.98μπι。6.—種全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件由結構單元陣列組成;所述結構單元為絕緣體硅片；所述絕緣體硅片的頂層硅層設有Z型通孔;所述Z型通孔貫穿絕緣體硅片的頂層硅層的上表面與下表面;所述Z型通孔的縱向臂長為0.18μηι?0.24μηι，橫向臂長為0.48μηι?0.54μηι，縫寬為0.30μηι?0.33μηι;所述絕緣體硅片的頂層硅層的厚度為0.20μπι?0.26μπι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.97μηι?1.ΟΟμπι。7.根據權利要求6所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件，其特征在于:所述Z型通孔的縱向臂長為0.2μηι，橫向臂長為0.5μηι，縫寬為0.32μηι，頂層娃層的厚度為0.25μηι;所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件中，每個結構單元的周期為0.98μπι。8.權利要求1或者6所述全介質超薄二維圓偏振起偏器在檢測圓偏振光中的應用。9.權利要求1所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:首先使用化學氣相沉積法在透光基底上長出半導體介質層;然后利用聚焦離子束直寫工藝或者光刻工藝在介質層上制備Z型通孔，即得到全介質超薄二維圓偏振二色性器件。10.權利要求6所述全介質超薄二維圓偏振二色性器件的制備方法，其特征在于:利用聚焦離子束直寫工藝或者光刻工藝在絕緣體硅片的頂層硅層上制備Z型通孔，即得到全介質超薄二維圓偏振二色性器件。
【文檔編號】G02B5/30GK105954826SQ201610469385
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月25日
【發明人】胡敬佩, 王欽華, 趙效楠, 朱愛嬌, 林雨, 曹冰
【申請人】蘇州大學