用于控制光學(xué)波陣面的相位的器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于控制光學(xué)波陣面的相位的器件以及用于生產(chǎn)這樣器件的方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)系統(tǒng)小型化到亞波長量級一一對于通常位于400nm和100ym之間的波長而 言一一以便生成技術(shù)上可行的并且提供直接工業(yè)應(yīng)用的特定光學(xué)函數(shù)，如今已經(jīng)變成了工 業(yè)趨勢。值得注意的是它允許光學(xué)系統(tǒng)的更好集成、更大的堅固性、以及光學(xué)器件和電子器 件之間的直接耦合的可能性。
[0003] P.Lalanne等人的論文（"Designandfabricationofblazedbinary diffractiveelementswithsamplingperiodssmallerthanthestructural cutoff"，JOSAA，16卷，編號5, 1999)提出了使用電介質(zhì)材料的層狀蝕刻來制造透鏡和棱 鏡的第一個技術(shù)。區(qū)域的光學(xué)指數(shù)在由所使用的電介質(zhì)的指數(shù)施加的最大值和最小值（空 氣的指數(shù)）之間變化。電介質(zhì)材料的量和空氣的量之間的比率定義了區(qū)域的光學(xué)指數(shù)。專 利申請US2009/0020690提出了類似的器件。這樣的技術(shù)使得可以在使用受控的技術(shù)方法 時生成強指數(shù)調(diào)制。然而，就引起達到波長量級的平均有效指數(shù)的構(gòu)造操作而言，不能通過 簡單地將電介質(zhì)材料構(gòu)造到納米量級來獲得達到亞波長量級的光學(xué)波陣面的相位調(diào)制。最 后這一點構(gòu)成了對于達到亞波長量級的波陣面的相位控制的主要物理限制。
[0004] 在H.Shi等人的論文（"Beammanipulatingbymetallicnano-slits withvariantwidths"，OpticsExpress, 13 卷，編號 18, 2005)中或者在專利申請 TO2011/100070中描述的另一技術(shù)，考慮到達到小于波長的量級的波陣面的相位調(diào)制。根 據(jù)該技術(shù)，片狀的厚金屬層的納米構(gòu)造允許入射光波陣面的調(diào)制。更具體地說，所獲得的每 個狹縫表現(xiàn)得像獨立于其他狹縫的波導(dǎo)，在該波導(dǎo)中，耦合等離子體模式被傳播。已經(jīng)證實 (參見例如S.Collin等人，"waveguidinginnanoscalemetallicapertures'，，Optics Express，15卷，編號7, 2007)，通過在正式生產(chǎn)的波導(dǎo)中傳播的模式看到的有效指數(shù)neff取 決于根據(jù)下述函數(shù)的狹縫的寬度w，該函數(shù)在特定條件下可以用以下方程（1)近似計算：
[0005] neff=n(1+ 8 /w) (1)
[0006] 其中，n是填充狹縫的電介質(zhì)材料的指數(shù)，以及S表示金屬的光學(xué)外皮厚度。因 此圖1表示對于厚度h為1ym的層、對于650nm的波長的、作為狹縫的寬度的函數(shù)的、有效 指數(shù)的趨勢。在這個例子中，狹縫被填充空氣，壁由金制成，光學(xué)外皮厚度約為25nm。圖1 通過所描述的技術(shù)揭示了下述可能性，即，對于12. 5nm(S/2)至250nm(10S)的引導(dǎo)寬度 值w，覆蓋范圍為n至三倍的n的有效指數(shù)帶，因此通過選擇狹縫的寬度w來允許狹縫之間 的強相位變化。然而，大指數(shù)調(diào)制（An>〇. 5)僅僅對于小于金屬中的皮膚厚度的兩倍的狹 縫寬度（w〈2S)(也就是說，典型地，對于光學(xué)波長和紅外（IR)波長的50nm)是可能的，這 構(gòu)成了很大的技術(shù)約束。此外，圖1示出了有效指數(shù)對于狹縫的寬度的變化、因此對于制造 不準(zhǔn)確性的非常強的敏感性。在諸如5nm<w< 40nm的寬度范圍內(nèi)，狹縫的lnm的變化導(dǎo) 致有效指數(shù)上的A 0. 13的誤差。本發(fā)明旨在提出一種用于將波陣面的相位控制 到亞波長量級的器件，該器件的隨著該器件的結(jié)構(gòu)變化而變化的敏感性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明涉及一種用于控制具有在給定的使用光譜帶中的波長的入 射光學(xué)波陣面的相位的器件，包括在所述光譜帶中至少部分透明的基板、以及被布置為與 基板的表面基本上成直角的片組，其中：
[0008] _所述片組包括交替的并列片，所述并列片分別由金屬材料、第一電介質(zhì)材料以 及至少一種不同于第一電介質(zhì)材料的第二電介質(zhì)材料制成，以便形成亞波長寬度的并列金 屬-多電介質(zhì)-金屬（MmultiDM)結(jié)構(gòu)，每個結(jié)構(gòu)形成表現(xiàn)出一種或多種傳播模式的腔體；
[0009] -在每個所述Mmu11iDM結(jié)構(gòu)中調(diào)整由第一電介質(zhì)材料制成的片和由多種第二電 介質(zhì)材料制成的片各自的厚度以引起波陣面的相位的局部偏移，所引起的相位偏移取決于 能夠在所述腔體中傳播的一種模式或多種模式的有效指數(shù)。
[0010] 申請人已經(jīng)證實，這樣的器件顯著地提供了優(yōu)于在現(xiàn)有技術(shù)中描述的相位控制器 件能夠與較大寬度（典型地，大于金屬材料的光學(xué)外皮厚度的10倍）的結(jié)構(gòu)一起工作的優(yōu) 點，從而使得可以在保持將波陣面的相位控制到亞波長量級的同時放寬技術(shù)約束。而且，可 以獲得對于結(jié)構(gòu)缺陷（尤其是對于片厚度或腔體寬度的變化）的、敏感性減小了的局部相 位偏移值。因此調(diào)整由電介質(zhì)材料制成的片各自的厚度以局部地獲得相位偏移，該相位偏 移基于尋求生成給定的使用光譜帶中的光學(xué)分量的光學(xué)函數(shù)而計算，所述光學(xué)函數(shù)能夠在 器件的多個MMultiDM結(jié)構(gòu)上被采樣。
[0011] 根據(jù)變體，多個MMultiDM結(jié)構(gòu)的寬度被選為基本上相等，只有由電介質(zhì)材料制成 的片各自的厚度在結(jié)構(gòu)之間變化以控制局部相位偏移。這使得對于等同結(jié)果來說，可以與 寬度相同并且與金屬的光學(xué)外皮厚度相比足夠大的腔體寬度一起工作，從而便利于所述器 件的制造。
[0012] 有利地，對于所述器件在紅外中的操作，每個MMultiDM結(jié)構(gòu)的寬度被選為大于或 等于金屬材料的光學(xué)外皮厚度的10倍。
[0013] 根據(jù)變體，另外，MMultiDM結(jié)構(gòu)的寬度還被選為小于或等于A_/2nH，其中，入_ 是使用光譜帶的最小波長，以及叫是最高指數(shù)的電介質(zhì)材料的折光指數(shù)。對于MMultiDM結(jié) 構(gòu)，這個寬度選擇使得可以生成單模腔體，申請人已經(jīng)證實，通過良好地抑制縱模，它們表 現(xiàn)出非常好的透射效率。
[0014] 有利地，兩種不同類型的電介質(zhì)材料將被選擇以形成所述結(jié)構(gòu)，因此每個結(jié)構(gòu)包 括由第一電介質(zhì)材料制成的第一片以及由不同于第一電介質(zhì)材料的第二電介質(zhì)材料制成 的第二片以形成金屬 -電介質(zhì)-電介質(zhì)-金屬（MDDM)結(jié)構(gòu)。申請人已經(jīng)證實，MDDM結(jié)構(gòu) 代表了所尋求的結(jié)果和技術(shù)約束之間的優(yōu)良權(quán)衡。
[0015] 有利地，所述片具有基本上相同的給定高度。片的高度決定了可以施加于入射波 陣面的相位的局部相位偏移的最大值。有利地，高度h被選為獲得足以產(chǎn)生任何光學(xué)函數(shù) 的最大局部相位偏移值2 31，并且使得可以保持片的最小高度，從而形成具有低縱橫比（高 寬比）的腔體。
[0016] 根據(jù)變體，片為基本直線圍成，并且MmultiDM結(jié)構(gòu)布置在一個主方向上。例如，該 構(gòu)造使得可以生成光學(xué)棱鏡類型、柱形光學(xué)透鏡類型、以及一般地，對稱透鏡類型或任何一 維光學(xué)函數(shù)的光學(xué)分量。這些分量對于偏振將是敏感的，并且還將能夠使得可以形成偏振 劃分器件。
[0017] 根據(jù)另一變體，片也是基本直線圍成，但是MmultiDM結(jié)構(gòu)布置在至少兩個主方向 上，有利地，該兩個主方向基本上成直角。該構(gòu)造使得可以如前面那樣生成柱形光學(xué)透鏡或 光學(xué)棱鏡類型的光學(xué)函數(shù)。所述器件將能夠以所生成的光學(xué)函數(shù)的分布在兩個方向上相同 的這樣的方式進行設(shè)計，使得可以致使所述器件對偏振不敏感?？商娲兀瑑蓚€方向上的不 同分布將使得可以根據(jù)偏振產(chǎn)生特定性質(zhì)。因此可以設(shè)計用于隨機地劃分偏振的入射波的 TE分量和TM分量的器件，例如具有用于偏振的TE分量的第一焦距以及用于偏振的TM分量 的不同于第一焦距的第二焦距的透鏡。
[0018] 根據(jù)另一變體，片是曲線圍成的，MmultiDM結(jié)構(gòu)能夠根據(jù)變體、根據(jù)軸對稱布置。 該構(gòu)造使得可以生成具有旋轉(zhuǎn)對稱性的光學(xué)分量，例如，會聚的或發(fā)散的球面光學(xué)透鏡或 任何其他對稱光學(xué)函數(shù)。如前，具有軸對稱的光學(xué)函數(shù)使得可以產(chǎn)生對偏振不敏感的器件， 而不對稱光學(xué)函數(shù)的生成將能夠使得可以劃分入射波的偏振的分量。
[0019]