专利名称：一种微纳结构偏振滤光复合功能器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种亚波长结构光学器件，具体涉及一种兼有滤光和偏振复合输出特 征的亚波长结构器件。
背景技术：
在平板显示领域，液晶面板(IXD)是整个光电显示的核心，而偏振片和彩色滤光 片又是面板的核心，研究超薄型轻量化、低耗电、高光利用率、以及高精细度和高画质是下 一代平板显示的目标，各国均在投入巨资进行研发，我国也列入了中长期科技发展规划。目 前美、日等国的专利产品均采用几个独立的偏振片和彩色滤光片器件，每个器件的功能是 独立的，其缺点是，光能损耗和体积均较大，滤光片颜色带宽较大，存在较大光谱重叠，偏振 片的偏振度较小。这些关键性能参数影响了 IXD的再现色域/色饱度及对比度。目前滤光 片主要制作方法为颜料分散法，在R(红)G(绿)B (蓝)着色时需要几十项工序，生产效率 低，存在染料污染。因此研究和发展性能优异的具有偏振和彩色滤波两者复合功能的光学 器件，对提高下一代平板显示性能和掌握核心技术有着及其重要的意义。传统的衍射光学元件一般具有500 600纳米周期的特征线宽，这类衍射元件具 有优异的分光功能。当光学特征结构进一步减小到小于波长时(亚波长结构)，传统的衍射 特性发生了根本改变。典型的亚波长元件一般具有50 500纳米的特征线度，这类光学器 件由于只具有零级衍射因而可获得对光的精确控制而避免光能在其他级次的损失。通过选 择合适的材料，精确的结构计算和设计，这类光学器件可展示优良的偏振、双折射，或者同 时偏振和双折射特性。到目前为止，已经报道的在亚波长光学器件中实现的功能包括偏振 器、双折射镜、位相延迟波片、无光反射表面、光谱滤光片等。由于微纳结构器件独特的光学 性能可在小于1微米的平面厚度内实现，与传统的体光学器件相比，它具有体积超小超薄、 可靠性高等优点。同时，由于其制造工艺可方便地在现有半导体生产工艺的基础上加以拓 展，其光学功能和其他功能可集成在同一流程中完成，或者多个光学功能可集成在同一芯 片中完成，因而其在光电子器件、集成光子学、新型光显示、光通讯领域有着巨大的应用前 景和研究价值。在微纳结构的单偏振特性研究方面，文献I. Yamada, K. Kintaka, J. Nishii, S. Akioka, Y. Yamagishi, and Μ. Saito, Mid-infrared wire-grid polarizer with silicides, Optics Letters，33 (3)，258-260，2008.，公开了基于硅化钨的中红外纳米结构 (周期400纳米)偏振功能，偏振度可达20dB。此后，用于红外偏振成像和可见光波段的纳 米偏振器阵列被多次报道，通过结构的改进，获得了更大的偏振度及更高的透光率。在微纳 结构的滤光特性研究方面，2006年日本Tohoku大学研究人员首次提出了基于石英/硅的亚 波长光栅结构的可见光波段三基色彩色滤光片，采用周期为400/350/440nm的硅光栅得到 透光率分别为71%、58%和59%的红/绿/蓝三基色光，实现了采用透射光栅结构的无高 阶次衍射滤光功能。2007年和2008年，韩国Kwangwoon大学的研究人员又提出了基于亚波 长金属光栅结构和多晶硅光栅结构的可见光波段彩色滤波功能。
但是，到目前为止，不管是传统的衍射光学元件，还是微纳结构的器件，所有器件 偏振或滤光都是单一功能的。要获得偏振和彩色滤波功能，只能通过多个器件的组合实现， 光能损耗大，体积也难以进一步缩小。
发明内容
本发明目的是提供一种微纳结构的偏振滤光复合功能器件，在同一薄膜器件上同 时获得偏振和滤波功能，以减少光能损耗，缩小器件体积。为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种微纳结构偏振滤光复合功能器 件，包括非金属基底和光栅层，在所述非金属基底和光栅层之间，设置有过渡层，令非金属 基底的折射率为n0，过渡层的折射率为nl，则，0. 2 < nl-nO < 1. 5，过渡层的厚度为40 180纳米，光栅层的厚度为30 120纳米。优选的技术方案，所述光栅层材料为铝。另一种优选的技术方案是，所述光栅层材料为银，0. 5 < nl-nO < 1. 0。上述技术方案中，过渡层的结构设计有两种形式。其一，所述光栅层的占空比为 0. 6 0. 8，所述过渡层为与光栅层周期和占空比相同的光栅结构。其二，所述光栅层的占空比为0. 6 0. 8，所述过渡层为连续层结构。优选的技术方案，过渡层的厚度为80 120纳米，光栅层的厚度为60 100纳米。由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.本发明通过过渡层的设置以及限定过渡层的折射率和厚度，在同一器件上实现 了偏振和滤光功能，获得的复合器件具有光能损耗低的优点；2.本发明的复合器件是一种亚波长光子器件，具有超薄、可靠性高的特点。
图1(结构1)和图2 (结构2)是实施例中两种不同结构的亚波长周期光栅示意图。图3是实施例中表面光栅材料为Al时光谱透过率随过渡层光栅折射率变化图；图4是实施例中表面光栅材料为Al时消光比随过渡层光栅折射率变化图；图5是实施例中表面光栅材料为Ag时光谱透过率随过渡层光栅折射率变化图；图6是实施例中表面光栅材料为Ag时偏振特性随过渡层光栅折射率变化图；图7是实施例中结构1光谱透过率随过渡层光栅厚度变化图；图8是实施例中结构1消光比随过渡层光栅厚度的变化图；图9是实施例中结构1峰值透过率和半宽度随过渡层光栅厚度变化图；图10是实施例中结构1光谱透过率随表面光栅层厚度变化图；图11是实施例中结构1消光比随表面光栅层厚度变化图；图12是实施例中结构1峰值透过率和半宽度随表面光栅层厚度变化图；图13是实施例中结构1光谱透过率随占空比变化图；图14是实施例中结构1消光比随占空比变化图；图15是实施例中结构1峰值透过率和半宽度随占空比变化图；图16是实施例中结构1光谱透过率随周期变化图；图17是实施例中结构1消光比随周期变化图18是实施例中结构1峰值透过率和半宽度随周期变化图；图19是实施例中结构1三种不同颜色的偏振滤光器件光谱特性图；图20是实施例中结构1三种不同颜色的偏振滤光器件消光比光谱特性图；图21是实施例中结构2光谱透过率随过渡层厚度变化图；图22是实施例中结构2消光比随过渡层厚度变化图；图23是实施例中结构2峰值透过率和半宽度随过渡层光栅厚度变化图；图24是实施例中结构2光谱透过率随表面光栅层厚度变化图；图25是实施例中结构2消光比随表面光栅层厚度变化图；图26是实施例中结构2峰值透过率和半宽度随表面光栅层厚度变化图；图27是实施例中结构2光谱透过率随占空比变化图；图28是实施例中结构2消光比和半宽度随占空比变化图；图29是实施例中结构2峰值透过率和半宽度随占空比变化图；图30是实施例中结构2光谱透过率随周期变化图；图31是实施例中结构2消光比随周期变化图；图32是实施例中结构2峰值透过率和半宽度随周期变化图；图33是实施例中结构2三种不同颜色的偏振滤光器件光谱特性图；图34是实施例中结构2三种不同颜色的偏振滤光器件消光比光谱特性图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例本发明提出了一种多层结构的亚波长光栅实现单一微纳结构同时具有偏振/滤 光等复合光学功能的构想。典型的结构包括非金属基底(如石英玻璃)，过渡层采用非金 属或金属薄膜(或光栅)，以及表面金属(或非金属)光栅等。本实施例对滤光和偏振的 机理进行了研究，并对两种不同结构的一维亚波长光栅器件的透过率、消光比、半宽度等滤 光和偏振特性进行分析和比较，同时公开了滤光和偏振对两种结构占空比，周期，过渡层厚 度，金属光栅厚度的敏感性。在可见光波段，以平板显示所需求的偏振滤光功能为目标进行设计。以石英 (SiO2)为基底，ZnS为过渡光栅，铝(Al)为金属光栅，占空比为0. 7的结构，分别实现了蓝光 (450nm)、绿光(549nm)、红光(642nm)滤波器。宽带滤波器的半宽度分别约为90、90、106nm， 最大传输效率73. 3%,74. 2%,75. 7%，消光比大于30db。实现了单一结构同时具有滤光和 偏振复合功能的构想。尽管实例是针对可见光，但本发明可广泛适用于紫外、红外、微波等波段。在不同 波段，亚波长结构的尺度随波长变化。如在红外波段，微结构周期线度可大于可见光波段， 更容易实现。图1和图2给出了两种不同结构的亚波长周期光栅示意图。采用合适的材料和设 计，这两种结构均可实现滤光和偏振复合功能。图1所示的第一种结构1由基底(如石英玻璃)，过渡层光栅(非金属或金属)， 表面光栅层(金属或非金属)组成。
5
图2所示的第二种结构2由基底(如石英玻璃)，连续的过渡层(非金属或金属)， 表面光栅层(金属或非金属)组成。基底折射率为nO。过渡层光栅和连续的过渡层的厚度为hl，折射率为nl。表面光 栅层的厚度为h2，折射率为π2。过渡层光栅和表面光栅层的周期为P，光栅部分宽度为a。占宽比(duty cycle, DC)定义为=DC = a/p。半宽度(FWHM)透射光谱峰值一半时波形的宽度。峰值光谱透过率(Peak Transmission, PT)中心光谱透过率。TM偏振光透过率为TTM，TE偏振光透过率为Tte，Ttm和Tte反映了不同偏振态的能 量传输效率。消光比为ER，反映了偏振度的好坏。ER定义为ER = IOlg (Ττμ/Ττε)在上述设定的前提下，本实施例对器件的材料选择、各层厚度、光栅的周期、占空 比等进行了对比实验，表明本申请的方法获得了期望的效果，具有创造性和实用性。1.过渡层材料的选择(1)当采用结构1时如表面光栅层选择金属材料Al，基底为石英玻璃，过渡层光 栅折射率变化(光栅周期为310nm，占空比为0. 7，过渡层光栅厚度lOOnm，表面光栅层厚度 为 60nm)由图3，4可以看出当基底为石英，表面光栅层为金属材料Al时，随着过渡层光栅 折射率的变化，滤光功能逐渐出现然后消失，当nl在2. 4附近时滤光波形较好，光透过率 为82%，消光比ER约为30dB，所以可选择用ZnS为过渡层(ZnS折射率=2. 44)。Al光栅， nl-nO > 0. 2时滤光和偏振的效果出现，nl_nO > 1. 5滤光和偏振的效果消失。只有在过渡 层折射率大于基底折射率时在可见光范围内才会有滤光效果，但是如果过渡层折射率过大 滤光效果将会消失。例如当基底为石英时，滤光效果出现的折射率范围约是(1. 6 3)(2)在结构1中，也可以选用其他的金属作为表面光栅材料，例如Ag。如表面光栅 层选择金属材料Ag，基底为石英玻璃，过渡层光栅折射率变化(光栅周期为310nm，占空比 为0. 7，过渡层光栅厚度lOOnm，表面光栅层厚度为60nm)，光谱透过率和偏振特性如图5，6 所示。由图5，6可以看出，当基底为石英玻璃，金属光栅为Ag时，随着过渡层光栅折射率 的变化，滤光功能逐渐出现然后消失。折射率变化范围比Al时要小，可以看出金属光栅为 Ag时也能产生偏振功能。同样，金属光栅选择Ag时，nl-nO > 0. 5滤光和偏振的效果出现， nl-nO > 1时消失。例如当基底为石英时，滤光效果出现的折射率范围约是(2 2. 5)，可 见Ag的可滤光折射率范围比Al的范围要小。(3)当采用结构2时，如表面光栅层选择金属材料Al或Ag，采用相同方法，表面为 Al光栅，过渡层光栅材料折射率nl = 2. 4时，滤光和偏振复合功能效果最好。表面为Ag光栅，过渡层光栅材料折射率nl = 1. 8时，滤光和偏振复合功能效果最 好。(4)基底的材料也可以根据不同的过渡层和表面光栅材料进行选择。在过渡层和 表面光栅材料一定时，通过模拟基底、过渡层和表面光栅折射率的相对变化可得到基底折 射率的最优结果，达到滤波和偏振的双重功能。
2.以下列举两个表面光栅材料为金属Al时，在不同结构，也即结构1和结构2中 的实例，并分析各个参数对滤光和偏振性能的影响。2. 1 结构 1 型a.过渡层光栅厚度变化基底材料为石英玻璃，过渡层光栅材料为ZnS，表面光栅材料为金属Al，厚度为 60nm，光栅周期为310nm，占空比为0. 7。测试过渡层光栅厚度变化时的滤波和偏振特性。由图7至图9可以看出，随着过渡层厚度增加，光谱透过率先增加后减小，基本变 化幅度不大，消光比整体增加，半宽度先增加后减小。随厚度增加，光谱峰值位置向长波方 向移动。此特性可用于滤波器中心波长的调节。b.表面光栅层厚度变化基底材料为石英玻璃，过渡层光栅材料为ZnS，厚度为lOOnm，表面光栅材料为金 属Al，光栅周期为310nm，占空比为0. 7。测试表面光栅厚度变化时的滤波和偏振特性。由图10至图12看出，随着表面光栅层厚度增加，光谱透过率略有减小，消光比增 加，半宽度增加，光谱峰值位置向长波方向移动。此特性可用于滤波器中心波长的调节。c.过渡层光栅和表面光栅层占空比变化基底材料为石英玻璃，过渡层光栅材料为ZnS，厚度为lOOnm，表面光栅材料为金 属Al，厚度为60nm，光栅周期为310nm。测试过渡层光栅和表面光栅占宽比同步变化时的滤 波和偏振特性。由图13至图15看出，随着光栅占空比的增加，光谱透过率减小，消光比增加，半宽 度减小，有红移现象。此现象可用于调节滤波器中心波长。d.过渡层光栅和表面光栅层周期变化基底材料为石英玻璃，过渡层光栅材料为ZnS，厚度为lOOnm，表面光栅材料为金 属Al，厚度为60nm，占空比为0. 7。测试过渡层光栅和表面光栅周期同步变化时的滤波和偏 振特性。由图16至图18看出，随着周期的增加，光透过率基本不变，消光比整体不变，略有 平移，半宽度增加，透过波峰对周期非常敏感。光谱峰值位置随周期增大向长波方向移动。 此特性可用于滤波器中心波长的设计和定位。综合上述各个参数变化对滤光特性和偏振的影响可以得出最优的结构1型可见 光彩色滤光/偏振器件。三种不同颜色的偏振滤光器件光谱特性见附图19所示，消光比光 谱特性见附图20所示。基底为石英玻璃，过渡层光栅为ZnS，厚度lOOnm。表面光栅层为Al。具体参数和
结果见下表 2. 2 结构 2 型a.过渡层厚度变化基底材料为石英玻璃，过渡层材料为ZnS，表面光栅材料为金属Al，厚度为60nm， 光栅周期为310nm，占空比为0. 7。测试过渡层厚度变化时的滤波和偏振特性。由图21至图23看出，随着过渡层厚度增加，光谱透过率略有增加，消光比整体略 有变小，半宽度先变小后增大，光谱峰值位置向长波方向移动。此特性可用于滤波器中心波 长的调节。b.表面光栅层厚度变化基底材料为石英玻璃，过渡层材料为ZnS，厚度为lOOnm，表面光栅材料为金属Al， 光栅周期为310nm，占空比为0. 7。测试表面光栅层厚度变化时的滤波和偏振特性。由图24至图26看出，随着表面光栅层厚度增加，光谱透过率减小，消光比增加，半 宽度增加，光谱峰值位置向长波方向移动。此特性可用于滤波器中心波长的调节。c.表面光栅层占空比变化基底材料为石英玻璃，过渡层材料为ZnS，厚度为lOOnm，表面光栅材料为金属Al， 厚度为60nm，光栅周期为310nm。测试表面光栅层占宽比变化时的滤波和偏振特性。由图27至图29看出，随着占空比的增加，光谱透过率减小，消光比增加，半宽度减 小。光谱峰值中心有红移，此现象可用于微调滤波器中心波长。d.表面光栅层周期变化基底材料为石英玻璃，过渡层材料为ZnS，厚度为lOOnm，表面光栅材料为金属Al， 厚度为60nm，占空比为0. 7。测试表面光栅层周期变化时的滤波和偏振特性。由图30至图32看出，随着周期的增加，光谱透过率先增加后减小变化幅度不大， 消光比减小，半宽度先增加后减小，透过波峰对周期变化非常敏感，产生明显红移。此现象 可用于滤波器中心波长的定位。综合上述各个参数变化对滤光特性和偏振的影响可以得出最优的结构2型可见 光彩色滤光/偏振器件。三种不同颜色的偏振滤光器件光谱特性见附图33所示，消光比光 谱特性见附图34所示。基底为石英玻璃，过渡层为ZnS，厚度lOOnm。表面光栅层为Al。其具体参数见下表
器件名称周期占空比表面光栅层厚度透过波长峰值透过率半宽度蓝光偏振滤光器240nm0. 660nm465nm81%IOOnm绿光偏振滤波器3 IOnm0. 6560nm546nm78%94nm红光偏振滤波器360nm0. 6660nm619nm81%99nm 3.同理，当表面光栅采用不同金属时(如Ag)，类似2中，同样可以做出结构1型
8Ag可见光彩色滤光/偏振器件和结构2型Ag可见光彩色滤光/偏振器件。 本发明结构的器件广泛适用于紫外，红外，微波等波段。在不同波段，亚波长结构
的尺度可随波长变化。
权利要求
一种微纳结构偏振滤光复合功能器件，包括非金属基底和光栅层，其特征在于在所述非金属基底和光栅层之间，设置有过渡层，令非金属基底的折射率为n0，过渡层的折射率为n1，则，0.2＜n1 n0＜1.5，过渡层的厚度为40～180纳米，光栅层的厚度为30～120纳米。
2.根据权利要求1所述的微纳结构偏振滤光复合功能器件，其特征在于所述光栅层 材料为铝。
3.根据权利要求1所述的微纳结构偏振滤光复合功能器件，其特征在于所述光栅层 材料为银，0. 5 < nl-nO < 1. O。
4.根据权利要求1、2或3所述的微纳结构偏振滤光复合功能器件，其特征在于所述 光栅层的占空比为0. 6 0. 8，所述过渡层为与光栅层周期和占空比相同的光栅结构。
5.根据权利要求1、2或3所述的微纳结构偏振滤光复合功能器件，其特征在于所述 光栅层的占空比为0. 6 0. 8，所述过渡层为连续层结构。
全文摘要
本发明公开了一种微纳结构偏振滤光复合功能器件，包括非金属基底和光栅层，其特征在于在所述非金属基底和光栅层之间，设置有过渡层，令非金属基底的折射率为n0，过渡层的折射率为n1，则，0.2＜n1-n0＜1.5，过渡层的厚度为40～180纳米，光栅层的厚度为30～120纳米。本发明通过过渡层的设置以及限定过渡层的折射率和厚度，在同一器件上实现了偏振和滤光功能，获得的复合器件具有光能损耗低的优点；且具有超薄、可靠性高的特点。
文档编号G02B6/126GK101915958SQ20101023587
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者张桂菊, 曹冰, 王钦华, 薛银飞 申请人:苏州大学