光子学报
2023, 52(12): 1205002
中国电子科技集团公司信息科学研究院，北京 100086
中红外集成偏振焦平面探测技术将偏振探测技术与中波红外焦平面成像探测技术融合，通过异质集成的方式实现偏振光栅和探测器的单片集成，具有体积小、质量轻，机械稳定性高等优势，可实现多偏振方向的同时成像。像元级的亚波长金属光栅可实现不同偏振方向的高消光比，然而金属材料的选择、光栅的周期、占空比、厚度等参数均会影响偏振探测器的偏振性能。给出了亚波长金属光栅的理论分析，建立了中波红外集成偏振HgCdTe探测器的偏振性能仿真模型，对不同光栅参数对探测器偏振性能影响进行了仿真分析，确定了Al光栅周期200~400 nm，占空比0.5~0.7，厚度＞100 nm的参数选择。仿真分析得到在±14°入射角范围内，偏振消光比变化较小。同时，引入了Si基HgCdTe探测器，仿真分析了SiO2增透膜厚度对偏振消光比的影响，确定了SiO2最佳厚度在500 nm附近，对Si基和CdZnTe衬底集成偏振HgCdTe探测器的消光比进行比对，得出了Si基探测器偏振性能更优。仿真结果可为中波红外集成偏振HgCdTe探测器偏振光栅的设计提供理论指导和参考。
中波红外 碲镉汞焦平面探测器 亚波长金属光栅 偏振 仿真 mid-wave infrared HgCdTe FPA sub-wavelength metal wire-grid polarizer polarization simulation 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210132
安徽大学计算智能与信号处理教育部重点实验室, 安徽 合肥 230601
金(Au)亚波长光栅被溅射到经典硅基液晶(LCoS)的ITO电极上,它与薄液晶盒和底层铝电极组成复合共振波导结构,简称GLCoS。与基于液晶传播效应的LCoS截然不同,在GLCoS中,上电极的表面等离激元与光栅槽中的TM-FP (TM-Fabry Pérot)共振耦合,诱导一个0阶反射的相位调制;铝(Al)电极既是反射背板又与Au光栅、薄液晶盒组成波导,使共振耦合得到增强。在操控光波阵面的同时,GLCoS也作为电控器件,施加电压改变液晶的折射率,进而控制开腔FP的边缘介质条件,达到有源0~2π相位调制。实验结果表明,本文结构可用于1 μm量级像素的相位空间光调制器,在高空间带宽积的全息视频显示中具有广阔的应用前景。
光栅 全息视频显示 亚波长金属光栅 法布里-珀罗共振 硅基液晶
大连理工大学机械工程学院, 辽宁 大连 116023
为改善光栅性能,基于遗传算法,并结合时域有限差分法,在可见光波段优化设计了一种双层亚波长金属光栅结构。经仿真分析,该结构能够实现蓝色波段的偏振滤波功能,透射率最大值能达到77%,消光比最大值达到20 dB,半峰全宽为35 nm。通过分析光栅参数对光栅性能的影响,证明该结构具有较大的工艺容差。相比以往的结构,优化后的光栅具有更好的透射性能和滤波性能,在偏振导航、偏振探测、显示器、成像传感器等领域具有良好的应用前景。
光栅 双层亚波长金属光栅 遗传算法 偏振滤波 时域有限差分方法 激光与光电子学进展
2019, 56(22): 220501
1 天津大学微电子学院 天津市成像与感知微电子技术重点实验室， 天津 300072
2 天津大学 电气自动化与信息工程学院， 天津 300072
针对可见光通信对硅基光电探测器高响应度的要求，本文利用亚波长金属光栅的异常光学透射现象，提出一种增强与硅基CMOS工艺兼容的金属-半导体-金属光电探测器吸收的方法。采用时域有限差分法，详细分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对探测器吸收性能的影响，证明了类法布里-珀罗共振和表面等离子体激元是吸收增强的物理起源。对于波长615 nm的红光通信而言，探测器金属光栅的最佳周期、最佳高度和最佳狭缝宽度分别为580，91，360 nm。与没有亚波长金属光栅结构的探测器相比，本文设计的探测器吸收系数提高了32%。本文研究的MSM探测器结构与CMOS工艺完全兼容，有望在可见光通信芯片中得到实际应用。
可见光通信 光电探测器 亚波长金属光栅 吸收增强 类法布里-珀罗共振 表面等离子体激元 visible light communication photodetector subwavelength metal grating absorption Fabry-Perot-like resonance surface plasmon polariton
1 福州大学电气工程与自动化学院，福州 350108
2 福建信息职业技术学院电子工程系，福州 350012
针对现有电力光学电流传感中法拉第旋转角的非线性测量、解调模式的光强依赖性等问题，本文设计了一种环型亚波长偏振光栅，其光栅矢量径向分布，可将偏振光的偏振分布转化为光斑强度分布并与偏振面同步旋转。应用琼斯矩阵对其偏振特性进行分析，运用严格耦合波理论对光栅进行仿真分析与优化设计，并制备了辐射状的环型铝金属光栅。测试结果表明，光栅TM光的透过率大于80%、整体消光比大于100，可实现对光偏振态的直接检测，并具有线性测量范围大、测量结果不依赖于光的绝对强度等优点，可用于基于图像分析的偏振检测技术。
光栅 亚波长金属光栅 径向偏振光 偏振检测 grating sub-wavelength metal grating radially polarized light polarization detection
大连理工大学机械工程学院, 辽宁 大连 116024
为从物理层面理解亚波长金属光栅偏振透射现象以及光栅参数对偏振透射的影响，基于等效介质理论定性解释了单层亚波长金属光栅的偏振透射现象，给出了各个光栅参数对偏振性能的影响规律。对于不同条件下透射峰值产生的机理，基于法布里-珀罗共振理论给出了定量解释。对于等效介质理论和法布里-珀罗共振理论的准确性给出了验证及分析。通过两理论定性或定量的对单层亚波长金属光栅偏振器透射机理的系统分析，将有助于更清晰地理解金属光栅偏振器的偏振透射影响规律。
光栅 透射机理 等效介质理论 亚波长金属光栅 法布里-珀罗共振
上海理工大学光电信息与计算机工程学院, 上海200093
亚波长金属光栅具有传统光栅所不具有的特殊性质，其透射率与消光比高、光谱宽度宽、偏振性能好，是一种性能优良的光学元件，在亚波长光学元件应用领域中占据重要地位。且其体积小、结构紧凑、易于集成，在光学系统中可减少光路元件、增加系统灵活性，具有改进和取代传统光学器件的潜力。简要介绍了亚波长金属光栅理论分析方面的进展，以及金属光栅结构创新、多维发展、理论模拟向实验制备、适用波段向太赫兹及紫外波段拓展等方面的发展趋势。同时也阐述了亚波长金属光栅在激光器系统、偏振成像、光电探测、薄膜太阳能电池、光学传感等领域广泛的应用前景。
衍射 亚波长金属光栅 形式双折射效应 消光比 激光与光电子学进展
2015, 52(1): 010002
南京信息大学 物理与光电工程学院, 江苏 南京210044
利用纳米压印结合溅射和反应离子刻蚀工艺制备了周期为1 μm、占空比为0.2的亚波长金属光栅, 利用紫外-可见-近红外光谱仪测量了光栅的0级反射光谱。在严格耦合波分析的基础上, 把光栅区域电磁场的空间谐波通过勒让德多项式展开, 使用多项式展开的谱分析法求解常微分方程, 计算了该亚波长金属光栅的反射光谱及磁场分布。实验测量结果同矢量衍射理论计算结果都显示, 该光栅在近红外、中红外波段具有表面等离子体共振现象。数值计算结果还表明, 对于此类亚波长金属光栅, 当光栅的深宽比增加时, 其反射光谱中会出现更多的反射谷。
亚波长金属光栅 纳米压印 表面等离子体 subwavelength metallic gratings nanoimprint surface plasmon
亚波长金属光栅在共振波长处有光场局域增强、异常透射等现象, 为深入认识其共振机制, 本文研究了亚波长金属光栅的表面等离子体激元(SPP)共振特性。通过研究不同金属光栅的几何结构以及金属介电常数对SPP共振波长的影响, 获得了3种共振波长的基本物理机制。采用周期边界元法进行数值模拟, 在边界积分方程的基础上结合平面波展开方法来处理任意形状的周期性结构。模拟结果表明, 3种共振波长可以分别由金属的材料、金属光栅周期和金属光栅厚度所调谐。该研究为微纳米光学器件的设计提供了依据。
亚波长金属光栅 表面等离子体激元 共振波长 边界元方法 sub-wavelength metallic gratings Surface Polariton Plasma(SPP) resonant wavelength boundary element method
