[发明专利]一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于光学系统中的亚波长光学器件，特别涉及一种三明治结构线栅宽带偏振器及其制备方法。

背景技术

偏振器是一种重要的光学器件，广泛应用于自由空间光开关网络、光纤光网络、读写磁光数据存储系统、基于偏振的成像系统等。传统的偏振器尺寸大，这大大限制了其应用。

近年来，纳米线栅偏振器因其小尺寸、高消光比、高透射率等特性引起了研究人员的广泛关注。到目前为止，在无线电波、微波和远红外领域，纳米线栅偏振器已经得到了许多应用。随着微加工技术的不断发展，制备出更小线条的偏振器，并将其应用到近红外、可见、甚至紫外光波段也已经成为可能。然而，对于很多光学和光电子学应用领域来说，无论对应于哪一波段，人们都希望得到一种线栅偏振器，在具有很高的消光比的同时，还具有很高的TM波透射率。

2005年，美国NanoOpto公司在玻璃基板上成功制备200nm周期的金属线栅偏振器，该偏振器的工作波长在1520-1570nm的通讯波段，TM波透射率达到97%且消光比超过40dB（参见High-performance nanowire-grid polarizers，Opt.Lett.，vol.30，pp.195，2005）。然而，该偏振器需要很高的深宽比（约9:1）且引入了多层抗反射膜，增加了工艺复杂程度，不利于大规模商业应用。2007年，美国内布拉斯加大学林肯分校和华中科技大学研究人员设计了一种双层金属纳米线栅偏振器，其工作波长在300-5000nm，平均消光比可达70dB（参见Broadband nanowire-grid polarizers in ultraviolet-visible-near-infrared regions，Opt.Express，vol.15，pp.9510，2007）。但是，该偏振器的平均TM波透射率仅有64%，而且该偏振器的周期和线宽分别为80nm、40nm，受限于目前的微加工技术，还无法制备该偏振器。2011年，美国德克萨斯大学阿林顿分校提出了一种新型线栅偏振器，其工作波长在1486nm-1690nm的通讯波段，TM波透射率达到96%，且在1550nm处消光比超过40dB（参见Resonant wideband polarizer with single silicon layer，Appl.Phys.Lett.，vol.98,pp.211112，2011）。不过，该偏振器的消光比对加工误差非常敏感，实验上的最大消光比出现在1563nm处，为28dB。这些最新的研究成果表明，尽管关于线栅偏振器的研究取得了很大进展，但是要得到同时具有很高的TM波透射率和消光比，且工艺简单、加工误差容忍度好的线栅偏振器，依然是一个难题。

发明内容

本发明提出一种三明治结构线栅宽带偏振器，同时提供其制备方法，目的在于在较宽的通讯波段内具有高TM波透射率和消光比，且工艺简单、加工误差容忍度好。

本发明采用的技术方案为：

一种三明治结构线栅宽带偏振器，由基板上的Al-SiO₂-Al三明治结构纳米线栅构成，所述基板为石英玻璃、氧化镁、氟化钙或氧化铝；所述Al-SiO₂-Al三明治结构纳米线栅的结构参数为：线栅周期350-400纳米，线栅占空比60%-50%，线栅总厚度300-400纳米，其中，第一层金属铝的厚度为80-170nm，SiO₂的厚度为50-120nm，第二层金属铝的厚度为80-210nm。

上述三明治结构线栅宽带偏振器的制备方法，包括下述步骤：

（1）首先对基板进行清洗、干燥；

（2）在基板表面旋涂一层600-800nm的SU8胶并紫外光固化；

（3）在SU8胶上面旋涂一层60-70nm的含Si的紫外压印胶；

（4）采用纳米结构制备技术，在含Si的紫外压印胶表面形成纳米线栅结构；

（5）采用CHF₃反应离子刻蚀工艺刻蚀残余层，暴露纳米线栅结构下的SU8胶；

（6）以含Si的紫外压印胶为掩模，采用O₂反应离子刻蚀工艺刻蚀SU8胶至基板；

（7）用电子束蒸发设备先后沉积三层薄膜，分别为Al、SiO₂、Al，三层薄膜的总厚度为300-400纳米；

（8）最后在SU8去胶液中进行超声举离，在基板上形成Al-SiO₂-Al三明治结构纳米线栅，即得到三明治结构线栅宽带偏振器。