[发明专利]基于硅纳米砖阵列的宽带反射式半波片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于硅纳米砖阵列的宽带反射式半波片及其制备方法，涉及微纳光学和偏振光学领域。该半波片包括从下至上排列的基底、金属反射层、电介质薄膜层和硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖阵列由旋向和尺寸相同的硅纳米砖周期排列构成，优化所述半波片的结构参数，使得该半波片在光纤通信波段下的线偏振光入射后，反射光在长短轴方向的分量产生π的相位延迟，改变入射光的偏振方向。本发明对于波长在1400～1700nm的光波，能让反射光的长短轴方向产生π的相位延迟。

技术领域

本发明涉及微纳光学和偏振光学领域，具体是涉及一种基于硅纳米砖阵列的宽带反射式半波片及其制备方法。

背景技术

传统的半波片(half-wave plate)是利用透明晶体的各向异性，使入射线偏振光在晶体中出射后，在长短轴方向的分量之间产生π的相位延迟，从而改变光的偏振态。半波片在偏振光的寻常光与非寻常光分量酌位相之间，产生半波长的光程差或者180°相位差的延迟板。

半波片可以对偏振光进行旋转，因为线偏振光垂直入射到半波片，透射光仍为线偏振光，假如入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射出来的线偏振光的振动面从原来的方位转过2θ角。

然而，传统半波片存在较多弊端：传统半波片只能针对一个波长工作，只对某一特定波长的入射光产生相位延迟、体积和重量较大、制作工艺复杂等。

近年来，基于超表面(metasurface)材料的新型半波片能够在很小的波长范围内操控电磁场，然而这种新型半波片并没有解决只能对单一波长的偏振光产生相位延迟的问题。

随着光纤通信领域波分复用技术的高速发展，急需能够对某一范围波长进行相位调制的半波片，而传统晶体半波片和新型超表面半波片这两种“窄带宽”的半波片对于这种需求显得有些无能为力。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种基于硅纳米砖阵列的宽带反射式半波片及其制备方法，对于波长在1400～1700nm的光波，能够让反射光的长短轴方向产生π的相位延迟。

第一方面，本发明提供一种基于硅纳米砖阵列的宽带反射式半波片，该半波片包括从下至上排列的基底、金属反射层、电介质薄膜层和硅纳米砖阵列，所述硅纳米砖阵列由旋向和尺寸相同的硅纳米砖周期排列构成，优化所述半波片的结构参数，使得该半波片在光纤通信波段下的线偏振光入射后，反射光在长短轴方向的分量产生π的相位延迟，改变入射光的偏振方向。

在上述技术方案的基础上，所述硅纳米砖为长方体形，且其长宽高均为亚波长尺寸，L为硅纳米砖的长轴尺寸，W为硅纳米砖的短轴尺寸，H为硅纳米砖的高度，CS为硅纳米砖阵列的周期。

在上述技术方案的基础上，所述硅纳米砖阵列的长轴、短轴与单元边框的夹角均为45°。

在上述技术方案的基础上，所述结构参数包括硅纳米砖的长轴尺寸L、短轴尺寸W、高度H、硅纳米砖阵列的周期CS、电介质薄膜层的厚度和金属反射层的厚度，所述硅纳米砖阵列的周期CS为硅纳米砖阵列中相邻硅纳米砖的中心距离。

在上述技术方案的基础上，优化所述半波片的结构参数，具体过程为：采用电磁仿真法，在选定的工作波长下，优化硅纳米砖的长轴尺寸L、短轴尺寸W、高度H、硅纳米砖阵列的周期CS、电介质薄膜层的厚度和金属反射层的厚度，优化后使得圆偏光垂直入射后交叉偏振的圆偏光反射率达到最大、同向偏振的圆偏光反射率达到最小。

在上述技术方案的基础上，所述宽带反射式半波片在1400～1700nm的光纤通信波段内达到95％～98％的反向偏振转化效率，同向偏振转化效率控制在2％～5％，带宽高达300nm。

在上述技术方案的基础上，所述基底为玻璃材料。

在上述技术方案的基础上，所述电介质薄膜层为二氧化硅材料。