基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器及制备方法

摘要

本发明公开了基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器及制备方法，该圆偏振起偏器包括一基底、三反射式纳米砖阵列和一透射式纳米砖阵列；基底的一侧面的上部和下部分别有一反射式纳米砖阵列，与该一侧面相对的另一侧面的上部和中部分别有一透射式纳米砖阵列和一反射式纳米砖阵列；反射式纳米砖阵列由在基底上周期性排列的反射式纳米砖阵列单元构成；反射式纳米砖阵列单元由在基底上等间距排列成一行的若干方向角不同的电介质纳米砖构成；透射式纳米砖阵列由在基底上排列成阵列的电介质纳米砖构成。本发明可将一束随机偏振态的入射光，高效转换为两束旋向相同且传播方向不变的圆偏光；同时，本发明还具有低损耗、易制造、结构紧凑、宽带适用等优点。

说明书

技术领域

本发明属于信息光学技术领域，尤其涉及一种基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器及制备方法。

背景技术

圆偏振光在光测量、光传感和光通信等领域有着重要的应用。传统圆偏振起偏器由线起偏器、λ/4波片等分离元件组装而成，器件结构体积大，而且由于起偏器仅让振动方向沿着透光轴方向的光束透过，使得整个系统的损耗大大增加，易造成整个系统工作不稳定。另外，其适用的波长范围极为有限。而全光纤化的圆偏振起偏技术虽在降低插入损耗、保证系统工作稳定性方面有较大进步，但其结构复杂，制造工艺不够成熟。因此，圆偏振起偏技术亟待具有高效率、宽波段和结构紧凑的新技术的更新和突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器及制备方法。

本发明提供的基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器，包括一长方体形的基底、三反射式纳米砖阵列和一透射式纳米砖阵列；

所述基底的一侧面的上部和下部分别有一反射式纳米砖阵列，与该一侧面相对的另一侧面的上部和中部分别有一透射式纳米砖阵列和一反射式纳米砖阵列；

所述反射式纳米砖阵列由在基底上周期性排列的若干反射式纳米砖阵列单元构成；所述反射式纳米砖阵列单元由在基底上等间距排列成一行的若干尺寸一致但方向角不同的电介质纳米砖构成，其中，第n个电介质纳米砖的方位角为或N为反射式纳米砖阵列单元中电介质纳米砖数量，n＝1,2,......N；

所述透射式纳米砖阵列由在基底上排列成阵列的若干尺寸一致且方向角也一致的电介质纳米砖构成；所述各反射式纳米砖阵列和所述透射式纳米砖阵列中电介质纳米砖数量、以及阵列的行数、列数均相同；

所述电介质纳米砖为亚波长尺寸；所述方位角为电介质纳米砖长的方向和X轴方向的夹角，所述X轴方向为基底长的方向。

进一步的，所述反射式纳米砖阵列中，反射式纳米砖阵列单元在X轴方向的数量与周期长度P_x的乘积不小于入射光斑在X轴方向上的尺寸；同时，反射式纳米砖阵列单元在Y轴方向的数量与周期长度P_y的乘积不小于入射光斑在Y轴方向上的尺寸；所述Y轴方向为基底宽的方向；所述周期长度P_x为X轴方向上相邻的两反射式纳米砖阵列单元中第一个电介质纳米砖的距离；所述周期长度P_y为Y轴方向上相邻的两反射式纳米砖阵列单元中第一个电介质纳米砖的距离。

进一步的，所述透射式纳米砖阵列中，X轴方向上电介质纳米砖的数量和C的乘积不小于入射光斑在X轴方向上的尺寸；同时，Y轴方向上电介质纳米砖的数量和C的乘积不小于入射光斑在Y轴方向上的尺寸；所述Y轴方向为基底宽的方向；所述C即透射式纳米砖阵列在X轴方向上相邻电介质纳米砖中心的距离，也即透射式纳米砖阵列Y轴方向上相邻电介质纳米砖中心的距离。

作为优选，所述反射式纳米砖阵列单元中电介质纳米砖数量为2～6。

本发明提供的上述基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器的制备方法，包括步骤：

步骤1，优化反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数，所述几何参数包括电介质纳米砖的长、宽、高和细胞大小，所述细胞大小等于X轴方向上相邻电介质纳米砖中心的距离，也等于Y轴方向上相邻电介质纳米砖中心的距离；

本步骤具体为：

利用电磁仿真工具，仿真时，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直基底入射于第三反射式纳米砖阵列，以左旋圆偏光或右旋圆偏光的转化效率作为优化对象，寻找一组交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的几何参数；

步骤2，优化透射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数；

本步骤具体为：

利用电磁仿真工具，仿真时，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直基底入射于第三反射式纳米砖阵列，以透射光的转化效率为优化对象，寻找一组交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的几何参数；

步骤3，确定圆偏振起偏器的结构；

本步骤具体为：

根据随机偏振入射光的入射光斑尺寸，基于各反射式纳米砖阵列和透射式纳米砖阵列要覆盖住入射光斑的原则，确定反射式纳米砖阵列和透射式纳米砖阵列在X轴和Y轴方向的总长；基于反射式纳米砖阵列和透射式纳米砖阵列在X轴和Y轴方向的总长、以及反射式硅纳米砖阵列上反射光束的衍射角，确定基底的尺寸；

步骤4，确定反射式纳米砖阵列和透射式纳米砖阵列；

本步骤具体为：

将反射式纳米砖阵列看成闪耀光栅，确定反射式纳米砖阵列的周期长度P_x和P_y，从而确定反射式纳米砖阵列；

将透射式纳米砖阵列看成半波片，确定透射式纳米砖阵列；

步骤5，按照标准光刻工艺制作圆偏振起偏器。

本发明圆偏振起偏器可将一束随机偏振态的入射光，高效转换为两束旋向相同且传播方向不变的圆偏光；同时，本发明圆偏振起偏器还具有低损耗、制造简单、器件结构紧凑、宽带适用等突出优点。

和现有技术相比，本发明基于硅纳米砖超材料的圆偏振起偏器具有以下优点和积极效果：

(1)由单个元件组成，器件结构紧凑，体积极小，可用于多功能光子集成；

(2)损耗低，稳定性好。

附图说明

图1是具体实施方式中圆偏振起偏器的结构及原理示意图；

图2是具体实施方式中电介质纳米砖单元的结构示意图；

图3是具体实施方式中构成反射式纳米砖阵列的纳米砖单元阵列的结构示意图；

图4是图1所示圆偏振起偏器的左视图；

图5是图1所示圆偏振起偏器的右视图；

图6是反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图；

图7是透射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图；

图8是具体实施方式中反射式纳米砖阵列的排布示意图；

图9是具体实施方式中透射式纳米砖阵列的排布示意图。

图中，1-第一反射式纳米砖阵列，2-第二反射式纳米砖阵列，3-透射式纳米砖阵列，4-第三反射式纳米砖阵列，5-基底；6-随机偏振入射光；7-第一右旋圆偏出射光；8-第二右旋圆偏出射光；9-电介质纳米砖，10-基底单元。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

见图1、图4、图5所示的圆偏振起偏器，其可实现将一束随机偏振态的入射光转换为两束旋向相同的圆偏光。所述圆偏振起偏器包括一长方体形的基底5、三反射式纳米砖阵列和一透射式纳米砖阵列3，所述三反射式纳米砖阵列分别记为第一反射式纳米砖阵列1、第二反射式纳米砖阵列2和第三反射式纳米砖阵列4。所述基底5的入射光侧的上部和下部分别有第一反射式纳米砖阵列1和第二反射式纳米砖阵列2，入射光侧的中部不排布纳米砖阵列。所述基底5的出射光侧的上部和中部分别有透射式纳米砖阵列3和第三反射式纳米砖阵列4，基底5的透射光侧的下部不排布纳米砖阵列。所述透射式纳米砖阵列3和所述第一反射式纳米砖阵列1正好相对。所述入射光侧和所述出射光侧为所述基底的两相对侧面。本具体实施方式中，基底5采用二氧化硅基底。

当随机偏振入射光6从基底5入射光侧的中部垂直照射于第三反射式纳米砖阵列4上，被分解为两束旋向相反的圆偏光，记为左旋圆偏光和右旋圆偏光，左旋圆偏光、右旋圆偏光与第三反射式纳米砖阵列4法线的夹角相同，该夹角记为θ，即反射光束的衍射角。左旋圆偏光经第二反射式纳米砖阵列2后变换为与随机偏振入射光6平行的第二右旋圆偏出射光8。右旋圆偏光经第一反射式纳米砖阵列1后变换为与随机偏振入射光6平行的左旋圆偏光，再经透射式纳米砖阵列3改变旋向，成为第一右旋圆偏出射光7。

本发明中，所述基底用来提供所述反射式纳米砖阵列和所述透射式纳米砖阵列的附着点。所述反射式纳米砖阵列的功能相当于闪耀光栅，主要功能有：(1)对于垂直入射的随机偏振入射光，其将随机偏振入射光分解为两束圆偏光，即左旋圆偏光和右旋圆偏光；(2)对于具有特定入射角的圆偏光，其可使入射圆偏光转换为平行于随机偏振入射光的反向圆偏光。所述透射式纳米砖阵列的功能相当于一半波片，用于改变圆偏光的旋向，当圆偏光垂直入射时，出射光是与入射光旋向相反的圆偏光。

为便于理解，下面将分别阐述所述反射式纳米砖阵列和所述透射式纳米砖阵列的具体结构和工作原理。

一、反射式纳米砖阵列

本发明中，所述反射式纳米砖阵列由在基底上周期性排列成阵列的若干反射式纳米砖阵列单元构成，所述反射式纳米砖阵列单元由在基底上等间距排列成一行的若干尺寸一致但朝向不同的电介质纳米砖构成，所述电介质硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺寸。反射式纳米砖阵列中，电介质纳米砖在行和列上的间距均相等。本发明中，电介质纳米砖的距离均指电介质纳米砖中心的距离。本具体实施方式中，电介质纳米砖为硅纳米砖。

图2所示为电介质纳米砖单元的结构，该图示出了细胞大小为C的基底单元10、以及一长L、宽W、高H的电介质纳米砖9，电介质纳米砖9与基底单元10的中心在XOY平面的投影重合。本发明所采用的坐标系，以基底长和宽的方向分别为X轴和Y轴方向，以基底高的方向为Z轴方向，XOY平面即基底上表面所在平面。所述细胞大小C即基底单元10的边长，也即电介质纳米砖单元的大小，其等于反射式纳米砖阵列中X轴方向上相邻电介质纳米砖中心的距离，也等于Y轴方向上相邻电介质纳米砖中心的距离。

通过优化设计电介质纳米砖9的方位，使光波入射时光波在电介质纳米砖9的长轴和短轴方向产生相位延迟，且保持振幅一致。也就是说，每一个电介质纳米砖9可等效为一个微型的相位延迟器。更进一步地，如果这种相位延迟为π，则可实现半波片功能。半波片具有相位调控功能，其可通过公式推导证明。

已知半波片琼斯矩阵其中，α为电介质纳米砖长轴在纳米砖坐标系中的方向角，即电介质纳米砖的长与X轴的夹角，方向角α用来表示电介质纳米砖的朝向，见图2。当入射光是随机偏振态的入射光时，琼斯矢量可以用表示，其中，±代表旋向，i表示虚数单位。

因此，出射光波可以表示为：

从(1)式可看出，经过电介质纳米砖出射的光波变成旋向相反的圆偏光，且附加了一个±2α的相位延迟。因此，如果把超表面分化为若干个均匀的网格，每个网格由一个纳米砖组成，那么只需改变纳米砖的转角，就可以对入射光波实现连续的相位调制。这就是本发明基于纳米砖结构的衍射光学元件的相位调制原理。

所述反射式纳米砖阵列即基于上述相位调制原理设计，图3所示为本具体实施方式中反射式纳米砖阵列单元的结构示意图，图中前4个电介质纳米砖构成一反射式纳米砖阵列单元。所述反射式纳米砖阵列单元由若干沿X轴方向连续旋转的一行电介质纳米砖构成，反射式纳米砖阵列单元中电介质纳米砖的数量不少于2个，其数量具体根据反射式纳米砖阵列单元在X轴方向上的周期长度P_x确定。所述周期长度P_x即：X轴方向上相邻的两反射式纳米砖阵列单元中第一个电介质纳米砖的距离，本具体实施方式中，P_x＝4C。电介质纳米砖的方向角α由电介质纳米砖中心点在X轴上的位置x和周期长度P_x确定，即本具体实施方式中，反射式纳米砖阵列单元中第一个电介质纳米砖中心点的位置x记为0，第二个电介质纳米砖中心点的位置x记为C，第三个电介质纳米砖中心点的位置x记为2C，依次类推。周期长度P_x等于光栅常数。反射式纳米砖阵列单元在Y轴方向上的周期长度P_y＝C。

当反射式纳米砖阵列单元在X轴方向和Y轴方向上周期性排布时，就构成一反射式闪耀光栅，光栅常数d＝P_x。对于左旋圆偏光和右旋圆偏光，其闪耀角分别为和闪耀角即前文所述反射光束的衍射角。本具体实施方式中，反射式纳米砖阵列单元由4个电介质纳米砖构成。

对本发明圆偏振起偏器而言，反射式纳米砖阵列中，反射式纳米砖阵列单元在X轴方向的数量(即在X轴方向的周期数)与周期长度P_x的乘积应大于等于入射光斑在X轴方向上的尺寸；同时，反射式纳米砖阵列单元在Y轴方向的数量(即在Y轴方向的周期数)与周期长度P_y的乘积应大于等于入射光斑在Y轴方向上的尺寸。

二、透射式纳米砖阵列

所述透射式纳米砖阵列由在基底上周期性排布的若干尺寸一致且朝向相同的电介质纳米砖构成，所述透射式纳米砖阵列和所述反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖数量、以及阵列的行数、列数均相当。所述电介质硅纳米砖的长宽高均为亚波长尺寸。所述透射式纳米砖阵列在X轴和Y轴方向的电介质纳米砖数和基底单元边长C的乘积均应分别大于等于入射光斑在X轴和Y轴方向上的尺寸。本发明透射式纳米砖阵列中，单个电介质纳米砖的相位调制原理与反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的一致，其单元结构尺寸优化不同。

下面以实施例结合附图对本发明进一步说明。

本实施例为本发明圆偏振起偏器的制备过程。

选取的光通信波段，设定主波长λ＝1547.5nm。

第一步，优化反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数。

所述几何参数包括电介质纳米砖的长度L、宽度W、高度H、以及细胞大小C。本步骤利用现有的电磁仿真软件平台完成，例如CST MCW studio、Comsol等。仿真时，在工作波长下，以左旋圆偏光或右旋圆偏光垂直基底入射于第三反射式纳米砖阵列4，以左旋圆偏光或右旋圆偏光的转化效率作为优化对象。优化旨在寻找一组使得交叉偏振转化效率最高、同向偏振转化效率最低的几何参数。所述交叉偏振指左旋偏振光转化为右旋偏振光或右旋偏振光转化为左旋偏振光；所述同向偏振指左旋偏振光转化为左旋偏振光或右旋偏振光转化为右旋偏振光。

本实施例中，优化的几何参数为：L_R＝600nm，W_R＝280nm，H_R＝570nm，C_R＝900nm，这里，L_R、W_R、H_R、C_R分别指反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的长度、宽度、高度、以及细胞大小。该几何参数下，反射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图见图6。

第二步，优化透射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的几何参数。

和第一步中反射式纳米砖阵列不同，透射式纳米砖阵列的优化更关心透射光的转化效率。因此，透射式纳米砖阵列的优化以透射光的转化效率为优化对象。本实施例中，优化的几何参数为：L_T＝450nm，W_T＝190nm，H_T＝920nm，C_T＝620nm。这里，L_T、W_T、H_T、C_T分别指透射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的长度、宽度、高度、以及细胞大小。该几何参数下，透射式纳米砖阵列中电介质纳米砖的宽带响应和偏振转化效率曲线图见图7。

第三步，确定圆偏振起偏器的结构。

设随机偏振入射光的入射光斑半径R＝0.9mm，第一反射式纳米砖阵列1、第二反射式纳米砖阵列2、第三反射式纳米砖阵列4和透射式纳米砖阵列3在X轴和Y轴方向的总长要确保能覆盖入射光斑。本实施例中，取第一反射式纳米砖阵列1、第二反射式纳米砖阵列2、第三反射式纳米砖阵列4和透射式纳米砖阵列3在X轴和Y轴方向的总长均为2mm。设反射式硅纳米砖阵列上反射光束衍射角θ＝45°；基底5在X轴和Y轴方向的尺寸根据纳米砖阵列在X轴和Y轴方向的总长确定，基底5在Z轴方向的尺寸由反射式硅纳米砖阵列上反射光束的衍射角和纳米砖阵列在X轴方向的总长确定，综上，本实施例中基底5在X轴、Y轴、Z轴方向的长宽高分别取为6mm、2mm、5.2mm。

第四步，确定反射式纳米砖阵列和透射式纳米砖阵列的排布。

按照闪耀光栅的功能，确定反射式纳米砖阵列在Y轴方向的周期长度P_y＝C_R＝900nm，X轴方向的周期长度由公式P_x＝d和dsinθ＝mλ确定，其中，m为光栅衍射级次，本实施例中m取为1；λ为工作主波长；经计算得P_x＝3.6μm。本实施例所得反射式纳米砖阵列的排布见图8，该图仅画出2×8个反射式纳米砖阵列单元的周期排列。

按照半波片的功能，确定透射式纳米砖阵列的排布。本实施例所得透射式纳米砖阵列见图9所示，该图仅画出8×8个反射式纳米砖阵列单元结构。

第五步，按照标准光刻工艺制作圆偏振起偏器。

所述标准光刻工艺的具体步骤包括：

(1)沉积硅材料薄膜层获得基底；

(2)基底上涂镀光刻胶；

(3)采用电子束直写或光刻机曝光光刻胶；

(4)依次经显影、离子刻蚀，即在基底上获得反射式纳米砖阵列或透射式纳米砖阵列。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。