亚波长金属偏振光栅设计与分析*

康 宁, 唐 军, 李大林, 陈 萌, 杨江涛, 郭 浩, 刘 俊

(中北大学 电子测试技术国防重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

亚波长金属偏振光栅设计与分析*

康 宁, 唐 军, 李大林, 陈 萌, 杨江涛, 郭 浩, 刘 俊

(中北大学 电子测试技术国防重点实验室 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

为解算大气偏振态来实现精确导航,基于严格耦合波分析，设计了适用于复眼结构的亚波长金属偏振器。针对不同周期、占空比和金属层厚度的单层、双层金属光栅进行了仿真分析，结合实际工艺水平和加工成本，最后选定周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度100 nm的双层金属光栅作为复眼结构的检偏器，设计的双层金属光栅在中心波段450 nm的蓝光(400～500 nm)TM偏振光透射率为45 %，消光比达到450，达到用于偏振导航的要求。

亚波长金属光栅； 严格耦合波分析； 周期； 占空比； 金属厚度

0 引 言

太阳光在传输过程中因大气的散射作用而产生偏振光,并形成的特定的偏振态分布[1]。这种大气偏振模式以太阳子午线为中心线对称线分布，包含了丰富的方位信息。许多生物就能感知到大气偏振光分布的模式，并以此来精确导航定位[2,3]。基于偏振光在导航中的广泛应用前景，国内外纷纷对光学偏振传感器展开了研究。Lambrinos D[4]用偏振器件模仿生物复眼测量光的偏振,并且在移动机器人上构建的偏振罗盘获得了成功应用。Ikeda S[5]等人通过电子束刻蚀在两玻璃基底上分别制作了金属偏振光栅，粘合2片玻璃基底后与光电二极管一起封装制作了微型化的偏振光探测器。大连理工大学褚金奎教授[6]制作了可用于偏振导航的集成偏振光探测器，测量角度误差小于±0.1°。

为了检测天顶各方向的偏振信息，就需要设计多个子眼组成的复眼[7]结构，每个子眼就相当于一个偏振光探测器。要实现对大气偏振光的精确的检测，设计性能优越的偏振器是其中关键。由于传统的偏振片体积过大不易于集成,而通过电子束光刻、干法刻蚀、纳米压印等MEMS工艺加工可得到具备亚波长结构的金属偏振光栅具备体积小、利于集成和偏振性能好等优点，是作为子眼结构检偏器的理想选择。

本文以单层、双层金属光栅结构为基础，针对于中心波段为450 nm的蓝光(400～500 nm)。分析了不同周期、占空比、金属层厚度的金属偏振光栅在可见光波段的偏振特性，发现在周期200 nm左右时，单层金属光栅的TM偏振光的透射率要比双层金属光栅要稍大，但是较双层金属光栅的消光比却小了近1个数量级。通过对调节不同的参数，最终设计了周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度为100 nm的双层金属光栅作为偏振器。

1 亚波长金属光栅的偏振特性

如图1所示，将入射光分为TM偏振光(电场方向与栅线垂直)与TE偏振光(电场方向与栅线平行)，由于入射光的波长要小于光栅周期，TM偏振光入射时，沿栅线方向的电子振荡受阻，这时光栅层对TM偏振光就如同介质层，TM偏振光可透射过去。而TE偏振光入射时，在栅条方向会激起电子自由振荡，这时TE偏振光就会光栅层反射[8]。

图1 金属偏振光栅结构图

光栅的周期与入射光波长之间的关系决定了光栅的衍射特性。光栅具有偏振性能说明只有零级衍射。亚波长光栅的光栅周期与入射光的波长的比值达到某一阈值时就能满足零级衍射的条件[9]

Λ(nsinθm+nisinθi)=mλ.

(1)

其中，n为光栅基底折射率，m为衍射级次，θm为对应的衍射角，ni空气折射率，θi为入射角。因为只有零级衍射，所以,m=1，θm=π/2，那么,入射角为0时，基底的折射率设定为1.5，λ=450 nm时，周期临界值Λ为300 nm,即要设计的金属偏振光栅的临界周期为300 nm。

2 亚波长金属光栅的仿真分析

常见的金属偏振光栅有的单层、双层金属光栅。如图2所示，单层和双层金属光栅的加工流程和结构有明显的区别，单层金属光栅就是基底上排列间距小于入射光波长的金属线条，双层金属光栅是在亚波长介质光栅的槽底和顶部形成具有2层金属线条的结构。为了分析两者作为仿生复眼光学偏振器的偏振特性，利用严格耦合波分析(RCWA)针对不同的周期、占空比、和金属层厚度的光栅进行了分析。

图2 单层金属光栅和双层金属光栅加工流程

2.1 不同光栅周期的金属光栅

根据式(1)的分析，要得到可以在450 nm波段实现零级衍射，光栅周期必须小于300 nm，而实际上设计的金属偏振器需要更小的周期结构才能在这个波段实现良好的偏振效果。结合实际工艺水平，将单层和双层金属光栅的金属层的厚度设定为100 nm，双层金属光栅的介质光栅的深度定为200 nm，占空比为0.5，而两种光栅的周期的变化范围都是180～220 nm。仿真结果如图3所示。

图3 不同周期单层和双层金属光栅的偏振特性

可以看出:周期的变化对两种光栅在450 nm波段处的TM偏振光的透光率影响不大。另外，同周期的单层金属光栅的TM偏振光的透光率比双层金属光栅的大了近30 %，但是双层金属光栅的消光比单层的大了近1个数量级。而且，越大光栅周期对应着的消光比越小，光栅周期为180 nm双层金属光栅消光比达到了1 800。考虑到在实际加工中，越小的结构加工难度更大、成本更高。而且作为复眼结构的检偏器件，需要制备大量的这种金属偏振片。所以,周期200 nm的金属光栅是一个较合适的选择，后面的分析中，将周期都定为200 nm。

2.2 不同占空比的金属光栅

占空比也是影响光栅偏振性能的一项关键参数，这里分析的占空比的变化范围是0.3～0.7，对于单层光栅和双层光栅金属层的厚度都设定为100 nm，周期都是200 nm，双层金属光栅的介质光栅的深度定为200 nm。仿真结果如图4所示，对于单层金属光栅，虽然小的占空比可以得到更大的TM偏振光透射率，但是消光比却很小，两者的变化趋势相反。在占空比为0.5时，单层金属光栅在450 nm处透射率达到0.6，消光比只有73;而占空比为0.5时双层金属光栅在450 nm波段处有最大的透射率，并在波长为500 nm的消光比达到了2700,比同占空比的单层金属光栅大了27倍。可以看出，占空比0.5是最优选择。

图4 不同占空比单层和双层金属光栅的偏振特性

2.3 不同金属厚度的金属光栅

金属层的厚度直接关系到金属偏振光栅的偏振性能。根据前面的分析结果对不同金属厚度的光栅结构进行了分析。考虑到实际情况，对于单层金属光栅，由于刻蚀金属层的工艺难度较大，仿真中设置单层金属光栅的金属层的厚度变化范围为0～120 nm。而双层金属光栅的金属层是直接沉积在介质光栅上，不需要额外的刻蚀工艺，所以,设置的金属层的厚度变化范围为60～140 nm。两种结构的周期都为200 nm，占空比设置为0.5。因为Al质的金属光栅在可见光波段可以实现最优的偏振特性，所以,这里选用Al作为金属层材料。仿真结果如图5所示。对于单层金属光栅，在入射光波长小于 550 nm之前,TM偏振光的透射率随着金属的变厚而变大，之后,则变小，越厚的金属层对应越大的消光比。双层金属光栅的TM偏振光透射率峰值随着金属层的厚度增大发生了红移，当金属层厚度在100 nm时，在450 nm波段得到了最大的透射率。

图5 不同金属厚度单层和双层金属光栅的偏振特性

通过前面的分析，并考虑到单层和双层金属的加工复杂程度，周期200 nm，占空比0.5，深度200 nm，金属层厚度100 nm的亚波长双层金属光栅是作为复眼结构偏振器的最佳选择。如图6所示，设计的双层金属光栅在450 nm波段处的TM偏振光透射率为45 %，消光比达到了450。

图6 设计的双层金属光栅的偏振特性

3 结束语

本文基于严格耦合波理论，分析了不同周期、占空比和金属层厚度的单层和双层的金属光栅的偏振特性。分析发现，双层金属光栅的TM偏振光透射率虽然不如单层金属光栅，但消光比却比单层金属光栅优越。考虑到加工单层金属工艺更加复杂，不适合大量制备，所以，双层金属光栅更适合复眼结构的检偏器。设计的双层金属光栅在450 nm波长处TM偏振光透射率为45 %，消光比达到450。结合现有的电子束光刻、刻蚀、纳米压印的等技术这种性能优越的双层金属光栅可广泛应用于光电通信、液晶显示等领域。

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[2] Knaden M,Wehner R.Ant navigation:Resetting the path integrator[J].The Journal of Experimental Biology,2006,209:26-31.

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[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.

[7] 李向红，刘 俊，张斌珍，等.NOA73材料的曲面微透镜阵列的制作[J].光电子激光，2013，24(2)：292-296.

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[9] 康果果,谭峤峰,陈伟力,等.亚波长金属线栅的设计,制备及偏振成像实验研究[J].物理学报,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*基金项目：国家自然科学基金资助项目(91123016)； 国家杰出青年基金资助项目(51225504,51105345); 国家“973”计划前期项目(2012CB723404)

10.13873/J.1000—9787(2015)02—0079—03

TN 16

A

1000—9787(2015)02—0079—03

康 宁(1989-)，男，湖南邵阳人，硕士研究生，主要研究方向为微纳传感与执行器件。