基于周期啁啾光柵的太赫茲人工雙折射器件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于周期啁啾光柵的太赫茲人工雙折射器件。本發(fā)明利用在高阻硅片表面刻蝕亞毫米尺度的浮雕光柵結(jié)構(gòu)，形成人工雙折射效應(yīng)，以實現(xiàn)太赫茲波相移和偏振態(tài)轉(zhuǎn)換的功能。該器件采用特殊的周期啁啾結(jié)構(gòu)，既保留了光柵的周期性又引入了啁啾結(jié)構(gòu)，與普通周期光柵相比提高了器件的雙折射系數(shù)和雙折射帶寬，在太赫茲波段實現(xiàn)了大于0.35的高雙折射系數(shù)、寬帶的雙折射平坦和良好的線性相移特性，最大相移系數(shù)達(dá)到作為1/2波片時偏振轉(zhuǎn)化率超過99％。相比于金屬光柵和金屬超表面結(jié)構(gòu)，該器件采用全介質(zhì)材料，大大提高了器件的透過率，是一種低損耗、寬帶太赫茲人工高雙折射器件，可廣泛用于太赫茲波相位和偏振調(diào)控。
【專利說明】
基于周期啁啾光柵的太赫茲人工雙折射器件
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工 雙折射器件。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲波是指頻率在0.1-101'抱（11'抱=10121'抱，對應(yīng)的波長為3臟~3(^111)范圍的 電磁波，這一波段介于微波與光波之間，是電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域。由于其在電磁波譜 中所處的特殊位置，太赫茲波具有透視性、安全性、高信噪比等許多優(yōu)越特性，在光譜、成像 和通信等領(lǐng)域具有非常重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。這些太赫茲應(yīng)用系統(tǒng)離不開濾波、調(diào)制、相 移、偏振轉(zhuǎn)換等太赫茲功能元件的支撐。相位延遲和偏振轉(zhuǎn)換器件在旋光光譜測試、偏振成 像、偏振光通信等領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的光學(xué)相位延遲和偏振轉(zhuǎn)換器多依賴于 天然晶體的光學(xué)雙折射效應(yīng)，例如利用石英晶體的雙折射效應(yīng)，將石英沿一定晶向切成特 定厚度，可以制成1/4波片，實現(xiàn)從線偏振光到圓偏振光的轉(zhuǎn)變;制成1/2波片，實現(xiàn)兩個正 交偏振態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換。
[0003] 然而由于太赫茲波的波長遠(yuǎn)大于光波波長，人類目前能夠找到的現(xiàn)有晶體材料難 以制作出高性能的太赫茲相位延遲器，一是晶體的雙折射不足以達(dá)到實現(xiàn)特定偏振轉(zhuǎn)換的 相位差，二是由于天然晶體的聲子吸收對太赫茲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的損耗，三是高性能晶體材料 十分昂貴。因此，只有通過諸如表面等離子體、超材料、亞波長光柵等人工電磁微結(jié)構(gòu)通過 微納結(jié)構(gòu)設(shè)計在太赫茲波段引入人工雙折射，才能實現(xiàn)太赫茲波段的高雙折射、低損耗器 件，從而得到高性能的太赫茲相位延遲器和偏振轉(zhuǎn)換器。
[0004] 然而目前報道的人工雙折射多采用金屬表面等離子體結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以結(jié)構(gòu)的空間非 對稱性獲得高的各向異性，然而由于金屬對太赫茲波的歐姆損耗，使得器件多為反射式器 件，透射式器件的透過率很低【Opt. Lett. 37，P1820】；同時器件的加工難度很大，大多只能 停留在理論設(shè)計階段【Opt.Lett. 38，P513】。還有一些采用全介質(zhì)浮雕型亞波長光柵結(jié)構(gòu)的 器件，可以工作的可見或近紅外波段，但由于普通周期性光柵的雙折射不夠高，器件只能做 到1/4波片，很難將相位延遲達(dá)到Ji【〇pt. Exp. 20，P27966】。因此，急需在全介質(zhì)太赫茲波人 工微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開發(fā)一種新的器件結(jié)構(gòu)，既克服金屬等離子體結(jié)構(gòu)損耗大的缺點(diǎn)，又克 服普通亞波長光柵雙折射相移不足的劣勢，實現(xiàn)易加工、低損耗、高雙折射的相位延遲器和 偏振轉(zhuǎn)換器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，解決背 景技術(shù)中太赫茲相位延遲和偏振轉(zhuǎn)換器件雙折射系數(shù)小、色散大、工作帶寬窄、相位延遲呈 現(xiàn)非線性效應(yīng)、損耗高等關(guān)鍵技術(shù)問題。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：利用在高阻硅片表面深度刻蝕亞毫米尺度的浮雕光柵結(jié) 構(gòu)，在平行和垂直于光柵柵格方向上形成太赫茲波段的人工雙折射效應(yīng)，以實現(xiàn)太赫茲波 相移和偏振態(tài)轉(zhuǎn)換的功能。光柵采用特殊的周期啁嗽結(jié)構(gòu)，即一個光柵周期由多個漸變的 光柵常數(shù)的柵格組成，若干個這樣的啁嗽柵格組周期地排列組成一塊光柵。與普通亞波長 光柵相比，由于引入了啁嗽結(jié)構(gòu)，漸變的折射率調(diào)制大大提高了器件的雙折射系數(shù)和雙折 射帶寬。由于將周期性和啁嗽特性結(jié)合起來，消除了常見亞波長人工電磁微結(jié)構(gòu)的人工諧 振效應(yīng)，提高了器件在工作波段的透過率，同時避免了人工諧振所引起的雙折射相移的非 線性跳變，使器件具有線性相移特性，從而實現(xiàn)高性能太赫茲相移和偏振轉(zhuǎn)換的器件功能。
[0007] 基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件包括:高阻硅片基底（1)、硅基底上交 替排列的柵脊(2)和柵槽(3)，一對柵脊(2)和柵槽(3)組成一個柵格(4)，由一系列寬度漸變 的柵格依次排列組成一個啁嗽柵格組(5)，多個相同的啁嗽柵格組周期性排列組成太赫茲 周期啁嗽光柵。該光柵僅采用高阻硅一種介質(zhì)材料，而沒有其他介質(zhì)或金屬材料，結(jié)構(gòu)中的 柵脊(2)和柵槽(3)是在高阻硅片基底（1)上采用硅深度刻蝕技術(shù)獲得的浮雕光柵結(jié)構(gòu)，柵 槽(3)深度大于100μπι，柵脊(2)側(cè)壁垂直度不大于5°，所有柵脊(2)寬度均相同，一個啁嗽柵 格組(5)內(nèi)的柵槽(3)寬度按等差數(shù)列依次增大，為使器件工作在太赫茲波段，柵格寬度在 數(shù)十Μ量級，一個啁嗽柵格組(5)為mm量級，整個器件光柵幅面不小于lcmX lcm，厚度不超 過0·5mm〇
[0008] 基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件的工作方法是:該雙折射器件的主光 軸沿柵脊(2)方向，副光軸垂直于柵脊(2)方向，使用該器件時，太赫茲波垂直于光柵平面入 射器件，當(dāng)入射光偏振態(tài)分別平行于主光軸和副光軸時存在最大相位差，通過旋轉(zhuǎn)光柵主 軸與入射太赫茲波偏振態(tài)間的夾角，可以實現(xiàn)可控的人工雙折射和相位延遲的功能。作為 偏振轉(zhuǎn)換器時，該光柵的主光軸方向與入射光的偏振態(tài)成45°角，由于該光柵雙折射的相位 差超過I且是隨頻率線性相移，該光柵在低頻可實現(xiàn)1/4波片的功能，在高頻也可實現(xiàn)1/2 波片的功能。
[0009] 本發(fā)明的有益效果是：1.利用高阻硅這種常見低成本半導(dǎo)體晶圓材料，采用半導(dǎo) 體刻蝕技術(shù)構(gòu)成亞波長光柵，實現(xiàn)了對出射電磁波在兩個正交偏振方向上有效折射率的調(diào) 控，即人工雙折射，制備簡單、材料成本低廉、便于批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，解決在太赫茲波段 缺乏高性能天然雙折射晶體的問題;2.采用高阻硅一種材料形成全介質(zhì)光柵，避免金屬結(jié) 構(gòu)帶來的太赫茲波歐姆損耗;3.由于創(chuàng)新性地在光柵的周期性結(jié)構(gòu)中引入啁嗽柵格陣列， 通過對器件表面電磁場空間的梯度漸變調(diào)制，在實現(xiàn)類似普通亞波長浮雕介質(zhì)光柵高雙折 射的同時(雙折射系數(shù)高達(dá)〇. 35)，大大提高了器件的雙折射帶寬(0.35的雙折射帶寬達(dá)到 0.9THZ)，并實現(xiàn)了寬帶色散平坦和雙折射平坦(平坦帶寬達(dá)到0.4THz);4.由于將周期性和 啁嗽特性結(jié)合起來，消除了常見亞波長人工電磁微結(jié)構(gòu)的人工諧振效應(yīng)，提高了器件在工 作波段的透過率，同時避免了人工諧振所引起的雙折射相移的非線性跳變，器件在1.5THZ 范圍內(nèi)可以滿足良好的線性相移特性;5.由于器件的尚雙折射，最大相位差尚達(dá)1.6π，僅用 0.5mm的器件厚度就能實現(xiàn)1/4波片和1/2波片，偏振轉(zhuǎn)換率達(dá)到99%以上。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:該太赫茲人工雙折射器件可以實現(xiàn)寬帶、色散平坦的高雙折射 效應(yīng)(在0.6-1.5THz范圍內(nèi)的雙折射系數(shù)達(dá)到0.35，在0.6-lTHz范圍內(nèi)實現(xiàn)雙折射色散平 坦）、厚度薄(器件工作單元厚度僅百微米，實際厚度僅為0.5mm硅片厚度）、低損耗、在小于 1.5THz的寬帶范圍內(nèi)具有良好的線性相移特性，最大相位差達(dá)到1.6JT，能實現(xiàn)1/4波片和1/ 2波片，偏振轉(zhuǎn)換率達(dá)到99%以上。僅使用高阻硅一種材料，采用半導(dǎo)體刻蝕工藝加工，材料 成本低廉、加工技術(shù)成熟、便于批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可以大大降低成本。器件設(shè)計方法靈 活，通過不同的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計不同工作頻率、帶寬和雙折射大小的器件?？蓪崿F(xiàn)大幅面器 件，用于太赫茲光譜、成像、無線通信等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。
【附圖說明】
[0011] 圖1 (a)是基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件在多個周期內(nèi)的上視結(jié)構(gòu) 圖；
[0012] 圖1(b)是基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件在一個周期內(nèi)的上視結(jié)構(gòu) 圖；
[0013] 圖1(c)是基于周期啁嗽光柵局部放大的側(cè)視圖；
[0014] 圖2是周期啁嗽光柵性能測試示意圖；
[0015] 圖3(a)是周期啁嗽光柵在主光軸(Y方向）和副光軸(X方向）上的太赫茲波段折射 率；
[0016] 圖3(b)是普通光柵在主光軸(Y方向）和副光軸(X方向）上的太赫茲波段折射率；
[0017] 圖4是周期啁嗽光柵和普通光柵在太赫茲波段的雙折射相位差；
[0018] 圖5是周期啁嗽光柵和普通光柵在太赫茲波段兩正交偏振態(tài)的偏振轉(zhuǎn)化率；
[0019] 圖中：高阻硅基底1、柵脊2、柵槽3、柵格4、啁嗽柵格組5。
【具體實施方式】
[0020] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法做實例說明：
[0021] 器件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在0.5mm厚、10kQ · cm電阻率的高阻硅片上采用光刻、反 應(yīng)離子束刻蝕工藝制備如圖1(a)的浮雕型光柵結(jié)構(gòu)。離子束刻蝕得到交替排列的柵脊和柵 槽，如圖1(c)所示，柵槽的刻蝕深度為120μπι，柵脊側(cè)壁垂直度為2°，所有柵脊寬度均為30μ m，一對柵脊和柵槽組成一個柵格，10個寬度漸變的柵格依次排列組成一個啁嗽柵格組。如 圖1(b)所示，一個啁嗽柵格組內(nèi)的柵槽寬度從30μπι、40μπι、50μπι......按等差數(shù)列依次增 大，一個啁嗽柵格組為950μπι量級。10個相同的啁嗽柵格組周期性排列組成太赫茲周期啁嗽 光柵，整個器件光柵幅面不小于lcmX lcm。如圖2所示，沿著柵脊方向定義為該雙折射光柵 的主光軸，即圖中的Y方向，垂直于柵脊方向定義為副光軸，即圖中的X方向。
[0022]該器件的工作原理和工作方法如下：
[0023]對于一塊平面硅片是一個各向同性介質(zhì)，當(dāng)在它表面刻蝕產(chǎn)生柵狀的脊和槽后， 沿著柵脊和垂直于柵脊方向的對稱性被破壞，形成兩個不同的偏振模式TE和TM模，兩個模 式具有不同的等效折射率，這樣的光柵就具有了人工的雙折射效應(yīng)。對于普通光柵來說，其 光柵周期是固定的，這樣只有與光柵常數(shù)對應(yīng)的入射波長才能滿足光柵的波矢匹配條件， 從而在該波長下實現(xiàn)高雙折射。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于不同于普通的周期性柵格，在一個 大的周期下，每個柵格的寬度是漸變的，形成啁嗽光柵結(jié)構(gòu)，這使得在一個寬帶范圍內(nèi)所有 頻率的光都能找到滿足其波矢匹配條件的柵格，從而實現(xiàn)寬帶的高雙折射，并且由于梯度 漸變的折射率空間調(diào)制補(bǔ)償了頻率所帶來的色散效應(yīng)，使得雙折射表現(xiàn)出色散平坦特征。 如圖2所不建立一個偏振光檢測的實驗系統(tǒng)，太赫茲波正入射光柵表面，光柵前后各放置一 個金屬柵偏振片，別分起到起偏器和檢偏器的作用。首先讓它們的偏振方向都沿Y軸，光柵 主光軸沿著Y軸時可以用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測量光柵在主光軸方向的折射率，轉(zhuǎn)動光柵 轉(zhuǎn)過90°，可以測得光柵在副光軸方向的折射率，結(jié)果如圖3所示。比較兩個光柵的結(jié)果可以 看出，周期啁嗽光柵的雙折射帶寬明顯大于普通光柵，在0.6-1.5ΤΗζ范圍內(nèi)的雙折射系數(shù) 達(dá)到0.35，普通光柵僅在0.4ΤΗζ的窄帶范圍內(nèi)有0.3的雙折射;周期啁嗽光柵在0.6-ΙΤΗζ范 圍內(nèi)實現(xiàn)雙折射色散平坦，普通光柵不具備這一特征。
[0024] 由公式Δρ = 2;r/(叫-/ c可以計算出光柵的雙折射相位差，結(jié)果如圖4所示。 對于普通亞波長光柵來說，由于柵格周期性使得滿足波矢匹配條件的入射光波在整個光柵 表面形成導(dǎo)模共振效應(yīng)，從而在透射譜中出現(xiàn)諧振谷，在相位譜中出現(xiàn)相位跳變，從而引起 強(qiáng)損耗和非線性相移。而周期啁嗽光柵的啁嗽特性破壞了整個光束的相位匹配條件，使得 入射光在很寬的頻率范圍內(nèi)不發(fā)生明顯的亞波長光柵導(dǎo)模共振效應(yīng)，避免了強(qiáng)的諧振損 耗，也實現(xiàn)了線性相移。如圖4所示，周期啁嗽光柵在小于1.5ΤΗΖ的寬帶范圍內(nèi)具有良好的 線性相移特性，最大相位差達(dá)到1.6π，也就是說器件能實現(xiàn)1/4波片和1/2波片的功能。
[0025] 下面以該光柵作為1/2波片實現(xiàn)線偏振光的90°偏振旋轉(zhuǎn)為例進(jìn)行說明。如圖2所 示，將起偏器和檢偏器的偏振方向分別以與Υ軸成正、負(fù)45°放置，光柵主光軸沿Υ軸。當(dāng)太赫 茲波經(jīng)過起偏器后，入射波與主光軸成45°，經(jīng)過光柵后由于光柵作為1/2波片提供了π的相 位延遲，從而使得器件的偏振態(tài)轉(zhuǎn)過90°，剛好可以通過后面-45°的檢偏器。由這一方法可 以檢測該器件作為1/2波片時的偏振轉(zhuǎn)換率，結(jié)果如圖5所示，周期啁嗽光柵的偏振轉(zhuǎn)換率 達(dá)到99%以上。而普通光柵由于其雙折射相移量沒有達(dá)到π，故其不能實現(xiàn)偏振旋轉(zhuǎn)，只能 實現(xiàn)1/4波片的功能。
[0026]因此，通過原理分析和實驗對比，可以看到本發(fā)明基于周期啁嗽光柵的太赫茲人 工雙折射器件實現(xiàn)了寬帶、色散平坦的高雙折射效應(yīng)、厚度薄、低損耗、具有良好的線性相 移特性，最大相位差達(dá)到1.631，能實現(xiàn)1/4波片和1/2波片，偏振轉(zhuǎn)換率達(dá)到99%以上。僅使 用高阻硅一種材料，采用半導(dǎo)體刻蝕工藝加工，材料成本低廉、加工技術(shù)成熟、便于批量化、 標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可以大大降低成本。器件設(shè)計方法靈活，通過不同的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計不同工作頻 率、帶寬和雙折射大小的器件?？蓪崿F(xiàn)大幅面器件，用于太赫茲光譜、成像、無線通信等領(lǐng) 域，應(yīng)用前景廣泛。
【主權(quán)項】
1. 一種基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，其特征在于包括高阻硅片基底 (1)、娃基底上交替排列的柵脊(2)和柵槽(3)，一對柵脊(2)和柵槽(3)組成一個柵格(4)，由 不少于5個寬度漸變的柵格依次排列組成一個啁嗽柵格組(5)，不少于5個相同的啁嗽柵格 組周期性排列組成太赫茲周期啁嗽光柵。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，其特征在于該 光柵結(jié)構(gòu)中的柵脊(2)和柵槽(3)是在高阻硅片基底（1)上采用硅深度刻蝕技術(shù)獲得的浮雕 光柵結(jié)構(gòu)，柵槽(3)深度大于100μπι，柵脊(2)側(cè)壁垂直度不大于5°，所有柵脊(2)寬度均相 同，一個啁嗽柵格組(5)內(nèi)的柵槽(3)寬度按等差數(shù)列依次增大，為使器件工作在太赫茲波 段，柵格寬度在數(shù)十μπι量級。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，其特征在于構(gòu) 成光柵的材料僅采用一種介質(zhì)材料，即高阻硅，而沒有其他介質(zhì)或金屬材料。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，其特征在于該 雙折射器件的主光軸沿柵脊(2)方向，副光軸垂直于柵脊(2)方向，使用該器件時，太赫茲波 垂直于光柵平面入射器件，當(dāng)入射光偏振態(tài)分別平行于主光軸和副光軸時存在最大相位 差，其雙折射系數(shù)大于〇. 35，大于0.35雙折射帶寬不小于0.8ΤΗζ，并具有寬帶色散平坦和雙 折射平坦特性，帶寬大于0.4ΤΗζ。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，其特征在于其 在太赫茲波段的作為相移器時，在1.5ΤΗζ頻率范圍內(nèi)為線性相移，最大相移系數(shù)不小于π。6. -種使用權(quán)利1至5所述的基于周期啁嗽光柵的太赫茲人工雙折射器件，其特征在于 作為偏振轉(zhuǎn)換器時，器件主光軸方向與入射光的偏振態(tài)成45°角，器件可實現(xiàn)1/4波片功能， 將入射線偏振光變換為出射圓偏振光，也可實現(xiàn)1/2波片的功能，將入射線偏振光的偏振方 向轉(zhuǎn)過90°，偏振轉(zhuǎn)化率不小于95%。
【文檔編號】G02B5/18GK105974503SQ201610415842
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】范飛, 陳猛, 常勝江
【申請人】南開大學(xué)