誘電メタサーフェスによる等強度ビーム生成の実証
Summary
誘電体メタサーフェスの製造および光学特性化のためのプロトコルが提示される。この方法は、ビームスプリッタだけでなく、レンズ、ホログラム、光学マントなどの一般的な誘電体メタサーフェスの製造にも適用できます。
Abstract
メタサーフェスビームスプリッタの製造および特性特性プロトコルは、等強度ビーム生成を可能にする、実証されている。水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)は、プラズマ増強化学蒸着(PECVD)を用いて、融合シリカ基板上に堆積する。蒸発によって堆積した典型的な非晶質シリコンは、目に見える周波数での動作を妨げ、深刻な光学損失を引き起こす。非晶質シリコン薄膜内部の水素原子は、構造上の欠陥を低減し、光学損失を改善することができます。数百ナノメートルのナノ構造は、可視周波数のメタサーフェスの動作に必要です。従来のフォトリソグラフィーまたは直接レーザー書き込みは、回折限界のために、このような小さな構造を製造する場合には実現不可能である。従って、電子ビームリソグラフィ(EBL)は、薄膜上のクロム(Cr)マスクを定義するために利用される。このプロセスの間に、露出した抵抗は化学反応を遅くし、パターンの端をシャープにするために低温で開発される。最後に、a-Si:Hは、誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE)を使用して、マスクに沿ってエッチングされます。実証された方法は、EBLの低スループットによる大規模な製造には適していませんが、ナノインプリントリソグラフィと組み合わせることで改善することができます。製造された装置はレーザー、偏光子、レンズ、パワーメーターおよび荷重結合装置(CCD)から成っているカスタマイズされた光学の組み立てによって特徴付けされる。レーザーの波長と偏光を変更することで、回折特性を測定します。測定された回折ビームパワーは、入射偏光や波長に関係なく、常に等しくなります。
Introduction
2次元サブ波長アンテナアレイからなるメタサーフェスは、多くの有望な光学機能を実証してきました 1,2, ホログラム 3,4,5 、6、および光学マント7。従来のかさばる光学部品は、元の機能を維持しながら、超薄型メタサーフェスに置き換えることができます。たとえば、ビーム スプリッタは、入射ビームを 2 つのビームに分離するために使用される光学デバイスです。典型的なビームスプリッタは2つの三角形のプリズムを結合することによってなされる。その界面特性によってビーム分割特性が決まるため、機能的な劣化なしに物理サイズを小さくすることは困難です。一方、超薄型ビームスプリッタは、1次元線形位相勾配8、9でエンコードされたメタサーフェスで実現することができる。メタサーフェスの厚さは動作波長よりも小さく、位相分布によって分離特性を制御できます。
我々は、入射偏光状態10に関係なく等しい強度のビームを生成することができるメタサーフェスビームスプリッタを設計しました。この特徴はフーリエのホログラムから来ています。黒い背景上の2つの白い斑点のイメージのために、メタサーフェスから生成されたホログラムは、エンコードされた画像と同じです。フーリエホログラムは、特定の焦点距離を持たないため、エンコードされた画像は、メタサーフェス11の背後にある空間全体で観察することができる。メタサーフェスの背後に同じ 2 スポット イメージが生成される場合は、ビーム スプリッタとしても機能します。メタサーフェスによるフーリエホログラムは、直交偏光状態に対してツインイメージと呼ばれる反転画像を作成します。ツイン イメージは通常、ノイズと見なされます。ただし、このメタサーフェスでエンコードされた 2 スポット イメージは原点対称であり、元のイメージとツイン イメージが完全に重なっています。偏光状態は、右利き(RCP)と左利き(LCP)の円偏光の線形組み合わせで表すことができるため、ここで説明するデバイスは偏光に依存しない機能を示しています。
ここでは、誘電体メタサーフェスの製造および光学特性測定のためのプロトコルを提示し、同じ強度のビーム生成を可能にする。このデバイスの位相分布は、一般的に位相のみのホログラム12に使用されるガーチベルク サクストン (GS) アルゴリズムから取得されます。厚さ300nmのa-Si:Hは、PECVDを用いて融合シリカ基板に堆積する。Cr マスクは、EBL を使用して a-Si:H フィルム上で定義されます。マスク パターンは、GS アルゴリズムから派生した位相分布に対応します。ICP-RIEは、Crマスクに沿ってa-Si:Hフィルムをエッチングするために利用されます。Crマスクの残りの部分は、サンプル製造を確定するCr etchantによって除去される。製造されたメタサーフェスの光学機能は、カスタマイズされた光学セットアップを使用して特徴付けられます。レーザービームがメタサーフェスに入射すると、送信されたビームは3つの部分、すなわち2つの回折ビームと1つのゼロオーダービームに分かれています。回折されたビームは、入射ビームパスの延長から逸脱し、ゼロオーダービームが続きます。この装置の機能性を検証するために、それぞれパワーメーター、CCD、分度器を用いてビームパワー、ビームプロファイル、回折角度を測定した。
使用されるすべての製造プロセスおよび材料はターゲット機能のために最大限に活用される。可視動作周波数の場合、個々のアンテナサイズは数百ナノメートルで、材料自体は可視波長で低い光学損失を有する必要があります。このような小さな構造を定義する場合、少数の種類の製造方法のみが適用可能です。典型的なフォトリソグラフィーは、直接レーザー書き込みと同様に、回折限界による製造が不可能です。集値イオンビームミリングは使用できますが、ガリウム汚染、パターン設計依存性、および遅いプロセス速度の重大な問題があります。実際には、EBLは、可視周波数13で働くメタサーフェスの製造を容易にする唯一の方法である。
誘電体は、通常、金属の不可避的なオーム損失のために好ましいです。a-Si:H の光学損失は、我々の目的に十分低いです。a-Si:Hの光学損失は、二酸化チタン1、4および結晶シリコン14などの低損失誘電体ほど低くないが、a-Si:Hの製造ははるかに簡単である。典型的な蒸発およびスパッタリングプロセスは、a-Si:Hフィルムの堆積ができない。通常、PECVD が必要です。PECVDプロセス中に、SiH4およびH2ガスの水素原子の一部がシリコン原子の間に捕らえられ、a-Si:H膜が生じます。a-Si:H パターンを定義する方法は 2 つあります。1つは、パターン化されたフォトレジスト上のa-Si:Hの堆積であり、その後にリフトオフプロセスが続き、もう1つはa-Si:Hフィルムにエッチングマスクを定義し、その後にエッチングプロセスを行うことです。前者は蒸発プロセスに適していますが、蒸発を使用してa-Si:Hフィルムを堆積することは容易ではありません。したがって、後者は a-Si:H パターンを作成する最適な方法です。Crは、シリコンとのエッチング選択性が高いため、エッチングマスク材料として使用されています。
Protocol
Representative Results
Discussion
元の設計と同じメタサーフェスを生成するために、いくつかの製造手順を慎重に行う必要があります。レジスト開発プロセスでは、通常、低温溶液が好ましい。標準条件は室温ですが、溶液温度を0°Cに下げて反応速度を遅くすることができます。対応する反応時間は長くなりますが、標準条件よりも細かいパターンが得られます。反応時間制御も反応速度が低いため簡単です。微細なパター…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、国立研究財団助成金(NRF-2019R1A2C3003129、CAMM-2019M3A6B3030637、NRF-2018M3D1A1058998、NRF-2015R1A1A1037666)、韓国科学省の資金提供を受けています。
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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