基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。本发明专利技术可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的带宽和角度无关性；此外本发明专利技术只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，制作方法简单方便，成本低廉，适于大批量生产。

Polarization-Independent Broadband Absorber Based on Doped Silicon Grating Array

The invention discloses a polarization-independent broadband absorber based on doped silicon grating array, which comprises a substrate layer composed of doped silicon. The substrate layer is equipped with doped silicon grating array, which is composed of N*N square periodic units. The gap between adjacent periodic units and the upper surface of periodic units are equipped with dielectric antireflection layer. The invention can absorb incident light in a wider frequency range in terahertz band, with a bandwidth of more than 95% of the polarization-independent absorptivity exceeding 3THz, and can maintain a high polarization-independent absorption in a wide range of incidence angles, with good bandwidth and angle-independent characteristics; furthermore, the invention can be formed by only one lithography and one coating, and the fabrication method is simple. Convenient, low cost, suitable for mass production.

【技术实现步骤摘要】
基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器
本专利技术涉及宽带光谱吸收器，特别涉及一种基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器。
技术介绍
由于在太阳能捕获、热辐射控制和热成像等领域有着广泛的应用，基于微纳结构的宽带光吸收近年来被广泛的研究。太赫兹（THz）波是位于微波和远红外线之间的电磁波，是宽带光的一种。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，从此使得人们能够研究太赫兹。太赫兹在生物医学、安全监测、无损伤探测、光谱与成像技术以及军工雷达等领域有着广泛的应用。而太赫兹波段的开发和利用离不开太赫兹功能器件，太赫兹吸收器是太赫兹应用的一种基本的功能器件，能被广泛应用于微型测辐射热仪、探测器、频谱成像、隐身等方面。为了获得太赫兹的吸收，已经有许多方法被提出，例如多重谐振的概念，也即构建一个超格点结构，其每个子单元谐振的频率带宽重合。这些超材料吸收器通常由三部分构成，即顶部亚波长周期性金属结构、电介质隔离层和底部金属基平面。尽管如此，这些方法通常都面临着有限的带宽或者复杂的设计和制造过程等缺陷，不利于实际的应用。另一方面，掺杂硅，作为一种高度有损的电介质材料，近年来已经被引入宽带光吸收领域，用来实现太赫兹波段的宽带光吸收。由于在太赫兹波段，可以用传统的光刻技术来制造具有复杂图案结构的微结构，使得掺杂硅成为太赫兹波段的宽带光吸收器件的一个有竞争力的候选材料。目前的技术中，Pu等人【M.Puetal.,Opt.Express20(23),25513–25519(2012)】提出了基于两维高度掺杂硅光栅的太赫兹吸收器的设计思想，Peng等人【Y.Pengetal.,Opt.Express23(3),2032–2039(2015)】利用简单的双层掺杂硅光栅设计了一个偏振无关的THz吸收器，其在0.59到2.58THz范围内的吸收率高于95%。Zang等人【X.Zangetal.,Sci.Rep.5,8901】提出了一种简单的周期性结构，其由两个垂直交叉的哑铃形的掺杂硅光栅阵列构成，在0.92THz到2.4THz范围内的吸收率高于95%。Cheng等人【Y.Z.Chengetal.,Adv.Opt.Mater.,3,376–380】设计了一个吸收器，其由十字形的掺杂硅构成，在0.67到1.78THz范围内的吸收率高于90%。Yin等人【S.Yinetal.,Appl.Phys.Lett.107,073903】提出了一种太赫兹超材料吸收器，其基于图案化的有损掺杂硅衬底，可以在0.9到2.5THz，0°到70°的入射角范围内的实现高于95%的吸收。但是，Peng等人【Y.Pengetal.,Opt.Express23(3),2032–2039(2015)】和Yin等人【S.Yinetal.,Appl.Phys.Lett.107,073903(2015)】提出的双层结构，Zang等人【X.Zangetal.,Sci.Rep.5,8901(2015)】提出的垂直交叉的哑铃形结构，以及Cheng等人【Y.Z.Chengetal.,Adv.Opt.Mater.,3,376–380,(2015)】提出的十字结构，均存在着设计和制作困难，批量生产成本较高的问题，而且上述结构的带宽和角度无关性也并不理想。因此，如何研发一款带宽和角度无关性均优于上述结构；且只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，以降低制造和生产难度和成本，适于大批量生产的新型吸收器，成为了业界亟待解决的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器。本专利技术可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的带宽和角度无关性；此外本专利技术只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，制作方法简单方便，成本低廉，适于大批量生产。本专利技术的技术方案：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。上述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，所述电介质减反射层厚度为18～22微米；所述掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为70～75微米、34～38微米和44～52微米；所述衬底层的厚度大于240微米。前述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，所述的电介质减反射层的厚度为20微米，两掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为72微米、36微米和48微米；所述衬底层的厚度为250微米。前述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，所述电介质减反射层的材料为SiO2，折射率为1.45。与现有技术相比，本专利技术在由掺杂硅组成的衬底层上设置掺杂硅光栅阵列，掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；在相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设置电介质减反射层。本专利技术提出的结构可以吸收太赫兹波段中一个较宽频率范围内的入射光，偏振无关吸收率超过95%的带宽超过3THz，其带宽远宽于现有技术的带宽吸收，并且在很大的入射角范围内可以维持很高的偏振无关吸收，具有很好的角度无关性，而且本专利技术的制作工艺简单，只需通过一次光刻，加上一次镀膜，便可成型，由于镀膜工艺非常成熟，且厚度控制很精确，因而本专利制作简单，成本低，适于大批量生产。此外，本专利技术通过严格耦合波理论和模拟退火法则对这种偏振无关宽带吸收器的进行结构优化，得到最优的结构参数，进一步增加了偏振无关吸收，而且吸收器的性能稳定、可靠，具有非常优秀的实用前景。附图说明图1是本专利技术的三维结构示意图；图2是本专利技术的两维结构示意图；图3是本专利技术实施例2的吸收效率随频率变化的曲线；图4是本专利技术实施例2的TE偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图；图5是本专利技术实施例2的TM偏振吸收效率随入射角和波长变化的二维图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明，但并不作为对本专利技术限制的依据。实施例1：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，如图1所示，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。所述电介质减反射层的材料为SiO2，折射率为1.45；如图2所示，1代表空气区域1（折射率为n1=1），2代表电介质减反射层（折射率为n2=1.45），3代表掺杂硅光栅阵列，4代表掺杂硅衬底，TE偏振光（电场方向沿着y轴）和TM偏振光（磁场方向沿着y轴）从空气区域1入射该器件。所述电介质减反射层的厚度为h1=18微米，掺杂硅光栅阵列的周期（光栅阵列的周期也叫光栅常数，是光栅两刻线之间的距离，用d表示）、宽度和厚度分别为d=70微米、w=34微米和h2=44微米，其中h=h2-h1=26微米，h为掺杂硅光栅阵列裸露在空气中高度；所述底部高度掺杂硅衬底厚度为h3=240微米。实施例2：基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，如图1所示，包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。

【技术特征摘要】
1.基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：包括由掺杂硅组成的衬底层，所述衬底层上设有掺杂硅光栅阵列，所述掺杂硅光栅阵列由N×N个正方形的周期单元组成；所述相邻周期单元之间的间隙和周期单元的上表面均设有电介质减反射层。2.根据权利要求1所述的基于掺杂硅光栅阵列的偏振无关宽带吸收器，其特征在于：所述电介质减反射层厚度为18～22微米；所述掺杂硅光栅阵列的周期、宽度和厚度分别为70～75微米、34～...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴俊，刘夏吟，黄喆，沈艳婷，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33