光通信波段內漁網結構低折射率材料及其製造方法
2023-06-29 14:33:01
光通信波段內漁網結構低折射率材料及其製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種光通信波段內漁網結構低折射率材料及其製造方法，涉及光學材料領域，該材料包括若干沿x、y方向周期分布的單元，單個單元的橫截面呈十字形，每個單元由13層介質構成，第1、3、5……、13層為銀層，每個銀層厚55nm，第2、4、6……12層為氟化鎂層，每個氟化鎂層厚40nm；每個銀層沿x方向長300nm，沿y方向長300nm，沿x方向寬102nm，沿y方向寬70nm；每個氟化鎂層沿x方向的長度與每個銀層沿x方向的長度相等，每個氟化鎂層沿x方向的寬度與每個銀層沿x方向的寬度相等。本發明中的材料在波長780nm處的折射率為0.041，在波長1550nm處的等效折射率為0.039，該材料在波長780nm處有高色散和低損耗的特點。
【專利說明】光通信波段內漁網結構低折射率材料及其製造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學材料領域，特別是涉及一種光通信波段內漁網結構低折射率材料及其製造方法。
【背景技術】
[0002]1996年,J. B. Pendry提出了利用周期排列的金屬棒（Rod)陣列結構來控制物質等效介電常數的方法；緊接著他又提出的：利用SRR (Split Ring Resonator,開環諧振器)陣列來控制物質等效磁導率的方法。這一新的發現引起了人們極大的興趣，對物質參數的調節方法的研究也隨之成為熱潮。2000年，D. R. Smith將Pendry提出的Rod陣列（負介電常數）和SRR陣列（負磁導率）兩種結構結合起來，印製在電路板上，成功製作了微波頻段的一維異向介質，這也是世界上首塊折射率為負的人工介質。這一成果首次將理論變為實驗結果.
[0003]隨著研究的不斷深入，人工介質的實驗工作也逐漸由微波頻段向太赫茲、紅外及光頻段發展。2005年S. Zhang和V. M. Shalae各自利用不同的結構在近紅外波段設計出了具有負折射率的人工介質，並通過測量介質的傳輸與反射特性，提取了這種材料的電磁參數。與此同時，這一【技術領域】還進行著從一維到二維和三維的發展。上面的結果中都是利用亞波長的人工結構材料來調整整塊材料的等效折射率，即等效介電常數和等效磁導率這兩個物質參數，進而實現自然界中不存在的物質參數。然而目前這一方向主要關注的是材料的負折射率的實現和研究，還沒有關注過用這一方法來實現材料的低折射率特性。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是為了克服上述【背景技術】的不足，提供一種光通信波段內漁網結構低折射率材料及其製造方法，通過亞波長電磁波調製實現自然界中現有材料不存在的低折射率電磁響應特性，其在波長780nm處的折射率為0.041，同時該材料在波長780nm處有高色散和低損耗的特點，適用於光通信和雷射控制等領域。
[0005]本發明提供一種光通信波段內漁網結構低折射率材料，包括若干分別沿X方向和y方向周期分布的周期單元，單個周期單元的橫截面呈十字形，每個周期單元由13層介質構成，其中第1、3、5……、13層為金屬銀層，每個金屬銀層的厚度t=55nm，第2、4、6……12層為電介質氟化鎂層，每個電介質氟化鎂層的厚度s=40nm;每個金屬銀層沿X方向的長度ax=300nm,沿y方向的長度ay=300nm,沿x方向的寬度wx=102nm,沿y方向的寬度wy=70nm ；每個電介質氟化鎂層沿X方向的長度與每個金屬銀層沿X方向的長度相等，每個電介質氟化鎂層沿X方向的寬度與每個金屬銀層沿X方向的寬度相等；該材料在波長780nm處的等效折射率為0.041，在波長1550nm處的等效折射率為0.039。
[0006]本發明還提供上述光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，包括以下步驟：
[0007]A、在基底上進行光刻膠塗膠、勻膠，利用納米壓印光刻技術在光刻膠上製作所設計結構的漁網結構圖形：首先納米壓印，然後曝光顯影，生成所需要的光刻圖形掩膜；
[0008]B、依次在納米壓印後的光刻膠基底上，沉積厚度為55nm的金屬銀層，然後在金屬銀層上沉積厚度為40nm的電介質氟化鎂層，再在電介質氟化鎂層上面沉積厚度為55nm的金屬銀層，之後繼續在金屬銀層上沉積厚度為40nm的電介質氟化鎂層，這樣依次交替沉積金屬銀層和電介質氟化鎂層，直至有7層金屬銀層、6層電介質氟化鎂層,形成13層的複合層結構；
[0009]C、以上述13層的複合層結構為周期單元，分別沿X方向和y方向進行周期分布，然後分別沿X方向和I方向加工周期分布的方孔，使得每個周期單元的幾何結構參數滿足以下要求：每個周期單元沿X方向的長度ax=300nm,沿y方向的長度ay=300nm,沿x方向的寬度wx=102nm,沿y方向的寬度wy=70nm ；
[0010]D、採用剝離工藝，將沉積好的材料進行去膠。
[0011]在上述技術方案的基礎上，所述材料的等效折射率的計算過程如下：將波長分別為780nm、1550nm的光波垂直於該材料表面入射，同時保證電磁波的電磁強度方向和磁場強度方向分別平行於該材料的周期單元結構的X方向和y方向，利用該材料在電磁場中的透射波和反射波，採用S參數反演法計算該材料的等效折射率：根據菲涅爾公式可知，厚度為d、折射率為η的均勻介質板的透射係數S21和反射係數Sll分別為：
【權利要求】
1.一種光通信波段內漁網結構低折射率材料，包括若干分別沿X方向和I方向周期分布的周期單元，其特徵在於：單個周期單元的橫截面呈十字形，每個周期單元由13層介質構成，其中第1、3、5……、13層為金屬銀層，每個金屬銀層的厚度t=55nm，第2、4、6……12層為電介質氟化鎂層，每個電介質氟化鎂層的厚度s=40nm ;每個金屬銀層沿x方向的長度ax=300nm,沿y方向的長度ay=300nm,沿x方向的寬度wx=102nm,沿y方向的寬度wy=70nm ；每個電介質氟化鎂層沿X方向的長度與每個金屬銀層沿X方向的長度相等，每個電介質氟化鎂層沿X方向的寬度與每個金屬銀層沿X方向的寬度相等；該材料在波長780nm處的等效折射率為0.041，在波長1550nm處的等效折射率為0.039。
2.權利要求1所述的光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於，包括以下步驟： A、在基底上進行光刻膠塗膠、勻膠，利用納米壓印光刻技術在光刻膠上製作所設計結構的漁網結構圖形：首先納米壓印，然後曝光顯影，生成所需要的光刻圖形掩膜； B、依次在納米壓印後的光刻膠基底上，沉積厚度為55nm的金屬銀層，然後在金屬銀層上沉積厚度為40nm的電介質氟化鎂層,再在電介質氟化鎂層上面沉積厚度為55nm的金屬銀層，之後繼續在金屬銀層上沉積厚度為40nm的電介質氟化鎂層，這樣依次交替沉積金屬銀層和電介質氟化鎂層，直至有7層金屬銀層、6層電介質氟化鎂層，形成13層的複合層結構； C、以上述13層的複合層結構為周期單元，分別沿X方向和y方向進行周期分布，然後分別沿X方向和I方向加工周期分布的方孔，使得每個周期單元的幾何結構參數滿足以下要求：每個周期單元沿X方向的長度ax=300nm,沿y方向的長度ay=300nm,沿x方向的寬度wx=102nm,沿y方向的寬度wy=70nm ； D、採用剝離工 藝，將沉積好的材料進行去膠。
3.如權利要求2所述的光 通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於：所述材料的等效折射率的計算過程如下：將波長分別為780nm、1550nm的光波垂直於該材料表面入射，同時保證電磁波的電磁強度方向和磁場強度方向分別平行於該材料的周期單元結構的X方向和y方向，利用該材料在電磁場中的透射波和反射波，採用S參數反演法計算該材料的等效折射率：根據菲涅爾公式可知，厚度為d、折射率為η的均勻介 質板的透射係數S21和反射係數Sll分別為：S , = Cos(^iZ)-- z+- sin(/;^) ， z是材料的阻抗，λ是光波的波長，由上述公式計算得到該材料的等效折射率公式：/7(w) = ± —cos 1~^7\) +"z~^7，其中：η (ω)是折射率η隨著自變量光波角 頻率ω改變的一個函數，m是整數，該公式中的折射率是一個複數，折射率的虛部大於零，m的選取必須使不同層數的人工結構材料的等效折射率的實部基本相等；最終得到該材料在波長780nm處的折射率實部和虛部均為0.041，在波長1550nm處的折射率實部為0.039，虛部為0.032，故該材料在波長780nm處的等效折射率為0.041，在波長1550nm處的等效折射率為0.039。
4.如權利要求2所述的光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於：步驟A中所述光刻膠的厚度大於要製作的材料厚度。
5.如權利要求2所述的光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於：所述金屬銀層通過電子束蒸發工藝製作。
6.如權利要求2至5中任一項所述的光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於：步驟C中所述周期分布的方孔採用光刻整體打孔工藝加工。
7.如權利要求2至5中任一項所述的光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於：步驟C中所述周期分布的方孔採用納米壓印加剝離工藝加工。
8.如權利要求2至5中任一項所述的光通信波段內漁網結構低折射率材料的製造方法，其特徵在於：步驟C中所述周期分布的方孔採用電子束直寫工藝加工。
【文檔編號】G02B5/00GK103487856SQ201310424813
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月17日 優先權日:2013年9月17日
【發明者】李淼峰, 謝德權, 楊奇, 餘少華, 蔡鳴 申請人:武漢郵電科學研究院