光学超构表面和光波导的加工研究

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随着微纳加工技术的进步,人们已经可以在微纳米尺度上设计和调控材料的光学性质,并以此构建出新型的光学器件。其中,超构表面是一种由亚波长结构单元构成的平面结构,能灵活地调控光的相位、偏振和波长,在近十年来成为微纳光学研究热点。超构表面从早期的金属单元发展到如今的高折射率介质,对加工工艺也在不断提出新的要求。如何针对不同材料体系发展出高效、高质量和高良率的加工工艺成为该技术能否走向应用的关键。另外,在集成光子学中高性能的光波导是人们一直关注的重点。在众多可供选择的材料中,硅作为在半导体行业最成熟的材料和铌酸锂具有强的电光效应、高折射率和宽透明窗口等优点都引起研究者广泛的兴趣。本文基于硅、氮化硅和铌酸锂三种材料体系,主要开展了以下研究工作:(1)针对硅和氮化硅超构表面的加工要求,通过优化电子束曝光的剂量和刻蚀参数加工了与设计线宽基本一致的高深宽比超构表面。进一步地在光学测试系统中表征了我们加工的超构表面成像性能。(2)通过采用高灵敏度的电子束胶直接作为掩模,避免图形二次转移可快速完成硅波导的加工。利用该工艺加工了密集波导阵列实现亚波长自成像。同时,利用电子束曝光的套刻加工出套刻精度优于20nm的损耗调控硅波导,实现了在非厄米体系中虚能量粒子的光学模拟。(3)采用耐刻蚀的电子束胶,在氩气基础上引入氟基气体来刻蚀铌酸锂波导以加快刻蚀速率和提高掩模的抗刻蚀比。加工了线宽1μm高度300nm的铌酸锂波导,在实验上可以通光,测得传输损耗0.36d B/mm。进一步加工了铌酸锂马赫曾德尔调制器。
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