Dimostrazione di generazione di travi a uguale intensità da parte di metasuperfici dielettriche
Summary
Viene presentato un protocollo per la fabbricazione e la caratterizzazione ottica delle metasuperfici dielettriche. Questo metodo può essere applicato alla fabbricazione non solo di splitter di fascio, ma anche di metasuperfici dielettriche generali, come lenti, ologrammi e mantelli ottici.
Abstract
Viene dimostrato il protocollo di fabbricazione e caratterizzazione per uno splitter del fascio di metasuperficie, consentendo la generazione di fascio di uguale intensità. Il silicio amorfo idromato (a-Si:H) si deposita sul substrato di silice fuso, utilizzando la deposizione di vapore chimico potenziato al plasma (PECVD). Il tipico silicio amorfo depositato dall’evaporazione provoca una grave perdita ottica, che incide sull’operazione a frequenze visibili. Gli atomi di idrogeno all’interno della pellicola sottile in silicio amorfo possono ridurre i difetti strutturali, migliorando la perdita ottica. Le nanostrutture di poche centinaia di nanometri sono necessarie per il funzionamento delle metasuperfici nelle frequenze visibili. La fotolitografia convenzionale o la scrittura laser diretta non è fattibile quando si fabbricano strutture così piccole, a causa del limite di diffrazione. Quindi, la litografia a fascio di elettroni (EBL) viene utilizzata per definire una maschera di cromo (Cr) sulla pellicola sottile. Durante questo processo, la resistenza esposta viene sviluppata a una temperatura fredda per rallentare la reazione chimica e rendere i bordi del modello più nitidi. Infine, a-Si:H è inciso lungo la maschera, utilizzando l’incisione iosgione reattiva al plasma accoppiato induttivo (ICP-RIE). Il metodo dimostrato non è fattibile per la fabbricazione su larga scala a causa della bassa produttività di EBL, ma può essere migliorato combinandolo con la litografia nanoimprint. Il dispositivo fabbricato è caratterizzato da una configurazione ottica personalizzata costituita da un laser, polarizzatore, lente, misuratore di potenza e dispositivo accoppiato di carica (CCD). Modificando la lunghezza d’onda laser e la polarizzazione, vengono misurate le proprietà di diffrazione. I poteri del fascio diffracted misurati sono sempre uguali, indipendentemente dalla polarizzazione incidente, così come la lunghezza d’onda.
Introduction
Le metasuperfici costituite da array di antenne bidimensionali di lunghezza d’onda hanno dimostrato molte promettenti funzionalità ottiche, come le lenti acromatiche1,2, ologrammi3,4,5 ,6, e mantelli ottici7. I componenti ottici ingombranti convenzionali possono essere sostituiti con metasuperfici ultrasottili pur mantenendo le funzionalità originali. Ad esempio, uno splitter di travi è un dispositivo ottico utilizzato per separare un fascio incidente in due travi. I divisori di fascio tipici sono realizzati combinando due prismi triangolari. Poiché le loro caratteristiche di interfaccia determinano le proprietà di divisione del fascio, è difficile ridurre le dimensioni fisiche senza degradazione funzionale. D’altra parte, i divisori di fascio ultrasottile possono essere realizzati con metasuperfici codificate con una sfumatura di fase lineare unidimensionale8,9. Lo spessore delle metasuperfici è inferiore alle lunghezze d’onda di lavoro e le proprietà di separazione possono essere controllate dalla distribuzione di fase.
Abbiamo progettato uno splitter del fascio di metasuperficie che può generare fasci di uguale intensità indipendentemente dagli stati di polarizzazione incidente10. Questa caratteristica deriva da un ologramma di Fourier. A causa dell’immagine di due macchie bianche su uno sfondo nero, l’ologramma generato dal metasuperficie è lo stesso dell’immagine codificata. L’ologramma Fourier non ha una lunghezza focale specifica, quindi l’immagine codificata può essere osservata in tutto lo spazio dietro il metasuperficie11. Se la stessa immagine a due punti viene generata dietro la metasuperficie, funziona anche come una divisione del fascio. L’ologramma di Fourier dalla metasuperficie crea un’immagine invertita, che viene chiamata immagine gemella, rispetto agli stati di polarizzazione ortogonale. L’immagine doppia è in genere considerata come rumore. Tuttavia, l’immagine a due punti codificata in questa metasuperficie è simmetrica all’origine, con conseguente perfetta sovrapposizione delle immagini originali e gemelle. Poiché qualsiasi stato di polarizzazione può essere rappresentato da una combinazione lineare di polarizzazioni circolari destrorse (RCP) e mancine (LCP), il dispositivo descritto di seguito mostra la funzionalità indipendente dalla polarizzazione.
Qui presentiamo un protocollo per la fabbricazione e la caratterizzazione ottica di metasuperfici dielettriche che consentono la generazione di raggi a uguale intensità. La distribuzione di questo dispositivo viene recuperata dall’algoritmo Gerchberg-Saxton (GS), generalmente utilizzato per ologrammi di sola fase12. a-Si:H di 300 nm di spessore si deposita sul substrato di silice fuso, utilizzando PECVD. Una maschera Cr è definita sulla pellicola a-Si:H, utilizzando EBL. Il modello di maschera corrisponde alla distribuzione di fase derivata dall’algoritmo GS. ICP-RIE è sfruttato per incidere il film a-Si:H lungo la maschera Cr. Il resto della maschera Cr viene rimosso da Cr etchant finalizzando la fabbricazione del campione. La funzionalità ottica del metasuperficie fabbricato è caratterizzata da un setup ottico personalizzato. Quando un raggio laser è incidente al metasuperficie, il fascio trasmesso è separato in tre parti, vale a dire due fasci diffracted e un fascio di ordine zero. Le travi diffracted si discostano da un’estensione del percorso della trave incidente mentre la trave a ordine zero lo segue. Per verificare la funzionalità di questo dispositivo, abbiamo misurato la potenza del fascio, il profilo del fascio e l’angolo diffracted utilizzando rispettivamente un misuratore di potenza, CCD e goniometro.
Tutti i processi e i materiali di fabbricazione utilizzati sono ottimizzati per la funzionalità di destinazione. Per le frequenze di lavoro visibili, le singole dimensioni dell’antenna dovrebbero essere di poche centinaia di nanometri e il materiale stesso dovrebbe avere una bassa perdita ottica a lunghezze d’onda visibili. Solo alcuni tipi di metodi di fabbricazione sono applicabili quando si definiscono strutture di piccole dimensioni. La fotolitografia tipica, così come la scrittura laser diretta, non sono in grado di fabbricare a causa del limite di diffrazione. La fresatura dei faci di ioni concentrandopuò essere utilizzata, ma ci sono problemi critici di contaminazione da gallium, dipendenza dalla progettazione del modello e velocità di processo lenta. In pratica, EBL è l’unico modo per facilitare la fabbricazione di metasuperfici che lavorano a frequenze visibili13.
Dielettrici sono di solito preferiti a causa della perdita ohmica inevitabile di metalli. La perdita ottica di a-Si:H è abbastanza bassa per il nostro scopo. Anche se la perdita ottica di a-Si:H non è così bassa come dielettriche a bassa perdita come il biossido di titanio1,4 e silicio cristallino14, la fabbricazione di a-Si:H è molto più semplice. I tipici processi di evaporazione e sputtering non sono in grado di deposizione di un film a-Si:H. DI solito è richiesto PECVD. Durante il processo PECVD, alcuni atomi di idrogeno dai gas SiH4 e H2 sono intrappolati tra gli atomi di silicio, risultando in una pellicola a-Si:H. Esistono due modi per definire modelli a-Si:H. Uno è la deposizione di a-Si:H su un fotoresist a motivi geometrici, seguito dal processo di decollo, e l’altro è definendo una maschera di incisione sulla pellicola a-Si:H, seguita dal processo di incisione. Il primo è adatto ai processi di evaporazione, ma non è facile depositare la pellicola a-Si:H utilizzando l’evaporazione. Quindi, quest’ultimo è il modo ottimale per fare modelli a-Si:H. Cr è usato come materiale della maschera di incisione a causa della sua elevata selettività di incisione con silicio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Alcuni passaggi di fabbricazione devono essere condotti con attenzione, per generare un metasuperficie che è lo stesso del disegno originale. Nel processo di sviluppo della resistenza, una soluzione a bassa temperatura è di solito preferita. La condizione standard è la temperatura ambiente, ma la velocità di reazione può essere rallentata diminuendo la temperatura della soluzione a 0 gradi centigradi. Anche se il tempo di reazione corrispondente diventa più lungo, si può ottenere un modello più fine rispetto alle…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è sostenuto finanziariamente dalle sovvenzioni della National Research Foundation (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) finanziato dal Ministero della Scienza e delle TIC (MSIT), Repubblica di Corea.
Materials
| Plasma enhanced chemical vapor deposition | BMR Technology | HiDep-SC | |
| Electron beam lithography | Elionix | ELS-7800 | |
| E-beam evaporation system | Korea Vacuum Tech | KVE-E4000 | |
| Inductively-coupled plasma reactive ion etching | DMS | – | |
| Ultrasonic cleaner | Honda | W-113 | |
| E-beam resist | MICROCHEM | 495 PMMA A2 | |
| Resist developer | MICROCHEM | MIBK:IPA=1:3 | |
| Conducting polymer | Showa denko | E-spacer | |
| Chromium etchant | KMG | CR-7 | |
| Acetone | J.T. Baker | 925402 | |
| 2-propanol | J.T. Baker | 909502 | |
| Chromium evaporation source | Kurt J. Lesker | EVMCR35D | |
| Collimated laser diode module | Thorlabs | CPS-635 | wavelength: 635 nm |
| ND:YAG laser | GAM laser | GAM-2000 | wavelength: 532 nm |
| power meter | Thorlabs | S120VC | |
| CCD Camera | INFINITY | infinity2-2M | |
| ND filter | Thorlabs | NCD-50C-4-A | |
| Linear polarizer | Thorlabs | LPVISA100-MP2 | |
| Lens | Thorlabs | LB1676 | |
| Iris | Thorlabs | ID25 | |
| Circular polarizer | Edmund optics | 88-096 | |
| sample holder | Thorlabs | XYFM1 | |
| PECVD software | BMR Technology | HIDEP |
References
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