亞波長金屬偏振光柵設計與分析*

康 寧, 唐 軍, 李大林, 陳 萌, 楊江濤, 郭 浩, 劉 俊

(中北大學 電子測試技術國防重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

亞波長金屬偏振光柵設計與分析*

康 寧, 唐 軍, 李大林, 陳 萌, 楊江濤, 郭 浩, 劉 俊

(中北大學 電子測試技術國防重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

為解算大氣偏振態來實現精確導航,基于嚴格耦合波分析，設計了適用于復眼結構的亞波長金屬偏振器。針對不同周期、占空比和金屬層厚度的單層、雙層金屬光柵進行了仿真分析，結合實際工藝水平和加工成本，最后選定周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金屬層厚度100 nm的雙層金屬光柵作為復眼結構的檢偏器，設計的雙層金屬光柵在中心波段450 nm的藍光(400～500 nm)TM偏振光透射率為45 %，消光比達到450，達到用于偏振導航的要求。

亞波長金屬光柵； 嚴格耦合波分析； 周期； 占空比； 金屬厚度

0 引 言

太陽光在傳輸過程中因大氣的散射作用而產生偏振光,并形成的特定的偏振態分布[1]。這種大氣偏振模式以太陽子午線為中心線對稱線分布，包含了豐富的方位信息。許多生物就能感知到大氣偏振光分布的模式，并以此來精確導航定位[2,3]。基于偏振光在導航中的廣泛應用前景，國內外紛紛對光學偏振傳感器展開了研究。Lambrinos D[4]用偏振器件模仿生物復眼測量光的偏振,并且在移動機器人上構建的偏振羅盤獲得了成功應用。Ikeda S[5]等人通過電子束刻蝕在兩玻璃基底上分別制作了金屬偏振光柵，粘合2片玻璃基底后與光電二極管一起封裝制作了微型化的偏振光探測器。大連理工大學褚金奎教授[6]制作了可用于偏振導航的集成偏振光探測器，測量角度誤差小于±0.1°。

為了檢測天頂各方向的偏振信息，就需要設計多個子眼組成的復眼[7]結構，每個子眼就相當于一個偏振光探測器。要實現對大氣偏振光的精確的檢測，設計性能優越的偏振器是其中關鍵。由于傳統的偏振片體積過大不易于集成,而通過電子束光刻、干法刻蝕、納米壓印等MEMS工藝加工可得到具備亞波長結構的金屬偏振光柵具備體積小、利于集成和偏振性能好等優點，是作為子眼結構檢偏器的理想選擇。

本文以單層、雙層金屬光柵結構為基礎，針對于中心波段為450 nm的藍光(400～500 nm)。分析了不同周期、占空比、金屬層厚度的金屬偏振光柵在可見光波段的偏振特性，發現在周期200 nm左右時，單層金屬光柵的TM偏振光的透射率要比雙層金屬光柵要稍大，但是較雙層金屬光柵的消光比卻小了近1個數量級。通過對調節不同的參數，最終設計了周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金屬層厚度為100 nm的雙層金屬光柵作為偏振器。

1 亞波長金屬光柵的偏振特性

如圖1所示，將入射光分為TM偏振光(電場方向與柵線垂直)與TE偏振光(電場方向與柵線平行)，由于入射光的波長要小于光柵周期，TM偏振光入射時，沿柵線方向的電子振蕩受阻，這時光柵層對TM偏振光就如同介質層，TM偏振光可透射過去。而TE偏振光入射時，在柵條方向會激起電子自由振蕩，這時TE偏振光就會光柵層反射[8]。

圖1 金屬偏振光柵結構圖

光柵的周期與入射光波長之間的關系決定了光柵的衍射特性。光柵具有偏振性能說明只有零級衍射。亞波長光柵的光柵周期與入射光的波長的比值達到某一閾值時就能滿足零級衍射的條件[9]

Λ(nsinθm+nisinθi)=mλ.

(1)

其中，n為光柵基底折射率，m為衍射級次，θm為對應的衍射角，ni空氣折射率，θi為入射角。因為只有零級衍射，所以,m=1，θm=π/2，那么,入射角為0時，基底的折射率設定為1.5，λ=450 nm時，周期臨界值Λ為300 nm,即要設計的金屬偏振光柵的臨界周期為300 nm。

2 亞波長金屬光柵的仿真分析

常見的金屬偏振光柵有的單層、雙層金屬光柵。如圖2所示，單層和雙層金屬光柵的加工流程和結構有明顯的區別，單層金屬光柵就是基底上排列間距小于入射光波長的金屬線條，雙層金屬光柵是在亞波長介質光柵的槽底和頂部形成具有2層金屬線條的結構。為了分析兩者作為仿生復眼光學偏振器的偏振特性，利用嚴格耦合波分析(RCWA)針對不同的周期、占空比、和金屬層厚度的光柵進行了分析。

圖2 單層金屬光柵和雙層金屬光柵加工流程

2.1 不同光柵周期的金屬光柵

根據式(1)的分析，要得到可以在450 nm波段實現零級衍射，光柵周期必須小于300 nm，而實際上設計的金屬偏振器需要更小的周期結構才能在這個波段實現良好的偏振效果。結合實際工藝水平，將單層和雙層金屬光柵的金屬層的厚度設定為100 nm，雙層金屬光柵的介質光柵的深度定為200 nm，占空比為0.5，而兩種光柵的周期的變化范圍都是180～220 nm。仿真結果如圖3所示。

圖3 不同周期單層和雙層金屬光柵的偏振特性

可以看出:周期的變化對兩種光柵在450 nm波段處的TM偏振光的透光率影響不大。另外，同周期的單層金屬光柵的TM偏振光的透光率比雙層金屬光柵的大了近30 %，但是雙層金屬光柵的消光比單層的大了近1個數量級。而且，越大光柵周期對應著的消光比越小，光柵周期為180 nm雙層金屬光柵消光比達到了1 800。考慮到在實際加工中，越小的結構加工難度更大、成本更高。而且作為復眼結構的檢偏器件，需要制備大量的這種金屬偏振片。所以,周期200 nm的金屬光柵是一個較合適的選擇，后面的分析中，將周期都定為200 nm。

2.2 不同占空比的金屬光柵

占空比也是影響光柵偏振性能的一項關鍵參數，這里分析的占空比的變化范圍是0.3～0.7，對于單層光柵和雙層光柵金屬層的厚度都設定為100 nm，周期都是200 nm，雙層金屬光柵的介質光柵的深度定為200 nm。仿真結果如圖4所示，對于單層金屬光柵，雖然小的占空比可以得到更大的TM偏振光透射率，但是消光比卻很小，兩者的變化趨勢相反。在占空比為0.5時，單層金屬光柵在450 nm處透射率達到0.6，消光比只有73;而占空比為0.5時雙層金屬光柵在450 nm波段處有最大的透射率，并在波長為500 nm的消光比達到了2700,比同占空比的單層金屬光柵大了27倍。可以看出，占空比0.5是最優選擇。

圖4 不同占空比單層和雙層金屬光柵的偏振特性

2.3 不同金屬厚度的金屬光柵

金屬層的厚度直接關系到金屬偏振光柵的偏振性能。根據前面的分析結果對不同金屬厚度的光柵結構進行了分析。考慮到實際情況，對于單層金屬光柵，由于刻蝕金屬層的工藝難度較大，仿真中設置單層金屬光柵的金屬層的厚度變化范圍為0～120 nm。而雙層金屬光柵的金屬層是直接沉積在介質光柵上，不需要額外的刻蝕工藝，所以,設置的金屬層的厚度變化范圍為60～140 nm。兩種結構的周期都為200 nm，占空比設置為0.5。因為Al質的金屬光柵在可見光波段可以實現最優的偏振特性，所以,這里選用Al作為金屬層材料。仿真結果如圖5所示。對于單層金屬光柵，在入射光波長小于 550 nm之前,TM偏振光的透射率隨著金屬的變厚而變大，之后,則變小，越厚的金屬層對應越大的消光比。雙層金屬光柵的TM偏振光透射率峰值隨著金屬層的厚度增大發生了紅移，當金屬層厚度在100 nm時，在450 nm波段得到了最大的透射率。

圖5 不同金屬厚度單層和雙層金屬光柵的偏振特性

通過前面的分析，并考慮到單層和雙層金屬的加工復雜程度，周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金屬層厚度100 nm的亞波長雙層金屬光柵是作為復眼結構偏振器的最佳選擇。如圖6所示，設計的雙層金屬光柵在450 nm波段處的TM偏振光透射率為45 %，消光比達到了450。

圖6 設計的雙層金屬光柵的偏振特性

3 結束語

本文基于嚴格耦合波理論，分析了不同周期、占空比和金屬層厚度的單層和雙層的金屬光柵的偏振特性。分析發現，雙層金屬光柵的TM偏振光透射率雖然不如單層金屬光柵，但消光比卻比單層金屬光柵優越。考慮到加工單層金屬工藝更加復雜，不適合大量制備，所以，雙層金屬光柵更適合復眼結構的檢偏器。設計的雙層金屬光柵在450 nm波長處TM偏振光透射率為45 %，消光比達到450。結合現有的電子束光刻、刻蝕、納米壓印的等技術這種性能優越的雙層金屬光柵可廣泛應用于光電通信、液晶顯示等領域。

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[3] Wolf H,Wehner R.Desert ants compensate for navigation uncertainty[J].The Journal of Experimental Biology,2005,208:4223-4230.

[4] Lambrinos D,Moller R,Labhart T.A mobile robot employing insect strategies for navigation[J].Robotics and Autonomous System,2000,30(1) :39-64.

[5] Ikeda S,Higurashi E,Suga T,et al.Miniaturized polarization sensors integrated with wire-grid polarizers[C]∥2014 International Conference on Electronics Packaging (ICEP),Toyama:Japan Institute of Electronics Packaging,2014:376-379.

[6] Chu J,Wang Z,Guan L,et al.Integrated polarization dependent photodetector and its application for polarization navigation[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2014,26(5):469-472.

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[9] 康果果,譚嶠峰,陳偉力,等.亞波長金屬線柵的設計,制備及偏振成像實驗研究[J].物理學報,2011,60(1): 014218.

Design and analysis of sub-wavelength metal polarization grating*

KANG Ning, TANG Jun, LI Da-lin, CHEN Meng, YANG Jiang-tao, GUO Hao, LIU Jun

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,Key Laboratory of Instrumentation Science& Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to resolve atmospheric optics polarization pattern for accurate navigation,a sub-wavelength metallic polarizer is designed based on rigorous coupled-wave analysis(RCWA),which is suitable for structure of compound eye.Aiming at single and bi-layer metallic grating with different period,duty cycle and metal layer thickness are simultated and analyzed,actual technological level and cost into consideration,bi-layer metallic grating with period of 200 nm,duty cycle of 0.5 and metal layer thickness of 100 nm is chosen for polarizer of compound eye,TM polarized light transmittance of blue light in central band 450 nm of the designed bi-layer metallic grating achieve 45 %,and the extinction ratio achieve 450,satisfy requirements for polarization navigation.

sub-wavelength metal grating; rigorous coupled-wave analysis; period; duty cycle; metal thickness

2014—10—14*基金項目：國家自然科學基金資助項目(91123016)； 國家杰出青年基金資助項目(51225504,51105345); 國家“973”計劃前期項目(2012CB723404)

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0079—03

TN 16

A

1000—9787(2015)02—0079—03

康 寧(1989-)，男，湖南邵陽人，碩士研究生，主要研究方向為微納傳感與執行器件。