摘要
光柵結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)應(yīng)用場景,如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)、脈沖整形等。快速物理光學(xué)軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態(tài)方法(FMM,也稱為RCWA),為任意光柵結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格分析提供了通用和方便的工具。為此,復(fù)雜的一維或二維周期結(jié)構(gòu)可以使用界面和調(diào)制介質(zhì)進(jìn)行配置,這允許任何類型的光柵形貌進(jìn)行自由的配置。在此用例中,詳細(xì)討論了衍射級次的偏振態(tài)的研究。
任務(wù)說明
簡要介紹衍射效率與偏振理論
某個(gè)衍射級次(𝑛)的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個(gè)特定的級次中。它是由復(fù)數(shù)值瑞利系數(shù)計(jì)算出來的,瑞利系數(shù)包含了每個(gè)衍射級次(矢量)電磁場的全部信息。瑞利系數(shù)本身是由FMM對光柵的特征值問題進(jìn)行嚴(yán)格分析的結(jié)果。
如果在TE/TM坐標(biāo)系(CS)中給出瑞利系數(shù),則可以計(jì)算衍射效率:
其中,n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率,ϑ_in/ϑ_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示輻射光的振幅。
如果瑞利系數(shù)沿𝑥、𝑦和𝑧給出瑞利系數(shù),則必須應(yīng)用以下方程:
因此,必須考慮所給出的瑞利系數(shù)的坐標(biāo)系。默認(rèn)情況下,光柵坐標(biāo)系中為 。
光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
研究了一種矩形光柵結(jié)構(gòu)。
為了簡化設(shè)置,選擇光柵配置,只允許零階(R_0)反射傳播。
根據(jù)上述參數(shù)選擇以下光柵參數(shù):
光柵周期:250 nm
填充因子:0.5
光柵高度:200 nm
材料n_1:熔融石英(來自目錄)
材料n_2:二氧化鈦(來自目錄)
偏振態(tài)分析
現(xiàn)在,用TE偏振光照射光柵,并應(yīng)用圓錐入射角(𝜑)變量。
如前所述,瑞利系數(shù)的平方振幅將提供關(guān)于特定級次的偏振態(tài)的信息。
為了接收瑞利系數(shù)作為檢測器的結(jié)果,需要選擇光柵級次分析器件中的單個(gè)級次輸出,并選擇所需的系數(shù)。
模擬光柵的偏振態(tài)
瑞利系數(shù)現(xiàn)在提供了偏振態(tài)的信息:
在圓錐入射角為0(𝜑=0)時(shí), 。這說明衍射光是完全偏振的。
對于𝜑=22°, 。此時(shí),67%的光是TM偏振的。
對于𝜑>50°,系數(shù)接近為常數(shù),因此偏振態(tài)也是常數(shù)。
Passilly等人更深入的光柵案例。
Passilly等人的工作研究并優(yōu)化了亞波長光柵下衍射光譜的偏振態(tài),以獲得不同狀態(tài)之間的高度轉(zhuǎn)換。
因此,他們將模擬結(jié)果與制作樣品的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。
光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)
在本文中,研究了兩種不同的制備光柵結(jié)構(gòu)。
由于加工造成的光柵的理想二元形狀的一些偏差是可以預(yù)料的,而且確實(shí)可以觀察到:在基板和側(cè)壁上存在不完全平行的欠刻蝕部分。
由于缺少關(guān)于制作結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié),我們將其簡化為VirtulLab Fusion中的模擬。
但是如果有可用數(shù)據(jù),就可以詳細(xì)分析光柵的復(fù)雜形狀。
光柵#1——參數(shù)
假設(shè)側(cè)壁傾斜為線性。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
為了實(shí)現(xiàn)光柵脊的梯形形狀,采用了傾斜光柵介質(zhì)。
光柵周期:250 nm
光柵高度:660 nm
填充因子:0.75(底部)
側(cè)壁角度:±6°
n_1:1.46
n_2:2.08
光柵#1——結(jié)果
這兩幅圖對比之下匹配度很高,特別是圖表的趨勢。
與參考文獻(xiàn)相比,仿真中光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,存在一些小的偏差。由于缺乏關(guān)于實(shí)際的更詳細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),這種簡化是必要的。
光柵#2——參數(shù)
假設(shè)光柵為矩形。
忽略了襯底中的欠刻蝕部分。
矩形光柵足以表示這種光柵結(jié)構(gòu)。
光柵周期:250 nm
光柵高度:490 nm
填充因子:0.5
n_1:1.46
n_2:2.08
光柵#2——結(jié)果
這兩幅圖對比之下再次顯示出非常好的匹配度,特別是圖表的趨勢。
與參考文獻(xiàn)相比,仿真中光柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,存在一些小的偏差。由于缺乏關(guān)于實(shí)際的更詳細(xì)的光柵結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù),這種簡化是必要的。
文檔信息
拓展閱讀
- 超稀疏介質(zhì)納米線柵偏振器
- 抗反射蛾眼結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格分析與設(shè)計(jì)
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