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光栅结构广泛应用于各种光学应用场景,如光谱仪、近眼显示系统、脉冲整形等。快速物理光学软件VirtualLab Fusion通过使用傅里叶模态方法(FMM,也称为RCWA),为任意光栅结构的严格分析提供了通用和方便的工具。为此,复杂的一维或二维周期结构可以使用界面和调制介质进行配置,这允许任何类型的光栅形貌进行自由的配置。在此用例中,详细讨论了衍射级次的偏振态的研究。 p[hZ@f(z AvdXEY(-
rM .|1(u q;<h[b? 任务说明 *pAV2V(!23 #0ETY\}ZD ]8Q4BW |+iws8xK? 简要介绍衍射效率与偏振理论 7B!xT2{T 某个衍射级次(𝑛)的效率表示有多少的辐射功率被衍射到这个特定的级次中。它是由复数值瑞利系数计算出来的,瑞利系数包含了每个衍射级次(矢量)电磁场的全部信息。瑞利系数本身是由FMM对光栅的特征值问题进行严格分析的结果。 Sx?ua<`:d 如果在TE/TM坐标系(CS)中给出瑞利系数,则可以计算衍射效率: t?}zdI(4 ]z l[H7 其中,n_in/n_out为覆盖层和衬底层的折射率,ϑ_in/ϑ_out为所分析的阶次的入射角和衍射角。此外,𝐴表示辐射光的振幅。 -j73Wz 如果瑞利系数沿𝑥、𝑦和𝑧给出瑞利系数,则必须应用以下方程: |K.mP4CKY .WPV dwV4U 因此,必须考虑所给出的瑞利系数的坐标系。默认情况下,光栅坐标系中为 。 V'kX)$ [x9KVd ^d 光栅结构参数 IB[)TZ2m 研究了一种矩形光栅结构。 BRlT7grgq 为了简化设置,选择光栅配置,只允许零阶(R_0)反射传播。 clNkph 根据上述参数选择以下光栅参数: p?B=1vn-2 光栅周期:250 nm vg3=8># 填充因子:0.5 +)y^'Qs 光栅高度:200 nm Ag&0wN+jTM 材料n_1:熔融石英(来自目录) a4XU?-sUh 材料n_2:二氧化钛(来自目录) xZ6~Ma2z i%/Jp[e\W> 2
dAB-d:k ?,&
tNP{jq 偏振态分析 Wn(6,MDUN 现在,用TE偏振光照射光栅,并应用圆锥入射角(𝜑)变量。 c2&q*]?l; 如前所述,瑞利系数的平方振幅将提供关于特定级次的偏振态的信息。 >N]7IU[- 为了接收瑞利系数作为检测器的结果,需要选择光栅级次分析器件中的单个级次输出,并选择所需的系数。 \~fONBY Pb?$t KO]T<R
h< ~nrK>% 模拟光栅的偏振态 w,h`s.AN kdl:Wt*4o
hS)'a^FV $4/yZaVb 瑞利系数现在提供了偏振态的信息: my}-s 在圆锥入射角为0(𝜑=0)时, 。这说明衍射光是完全偏振的。 ZaL.!g 对于𝜑=22°, 。此时,67%的光是TM偏振的。 VxVE 对于𝜑>50°,系数接近为常数,因此偏振态也是常数。 f6p-s
y> hnDBFQ{ Passilly等人更深入的光栅案例。 <$X3Hye Passilly等人的工作研究并优化了亚波长光栅下衍射光谱的偏振态,以获得不同状态之间的高度转换。 j!]YNH@ 因此,他们将模拟结果与制作样品的测量数据进行了比较。 O+]Ifm[ <Dwar>}
I~ok4L?VB E;+O($bA 光栅结构参数 h"_MA_]~ 在本文中,研究了两种不同的制备光栅结构。 i'#E) 由于加工造成的光栅的理想二元形状的一些偏差是可以预料的,而且确实可以观察到:在基板和侧壁上存在不完全平行的欠刻蚀部分。 yt.F\[1 由于缺少关于制作结构的细节,我们将其简化为VirtulLab Fusion中的模拟。 i(>4wK!! 但是如果有可用数据,就可以详细分析光栅的复杂形状。 H^s<{E0<
Y*H|?uNF Kjs.L!W 光栅#1——参数 %O!v"Xh 假设侧壁倾斜为线性。 cNM3I,o7 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 -(f)6a+H 为了实现光栅脊的梯形形状,采用了倾斜光栅介质。 @JyK|.b#0 光栅周期:250 nm aFS,GiB 光栅高度:660 nm !*oi!ysU;O 填充因子:0.75(底部) k +H3Bq 侧壁角度:±6° =y0C1LD+ n_1:1.46 ~v6OsH%vx n_2:2.08 aB7+Tb $shoasSuI
&(xH$htv1 z@B=:tf 光栅#1——结果 K95p>E`9e 这两幅图对比之下匹配度很高,特别是图表的趋势。 G>1eFBh } 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 yIDD@j=l wPwXM!
kw"SwdP5 .ys6"V|31 光栅#2——参数 <N_+=_ 假设光栅为矩形。 8]M_z:F7F 忽略了衬底中的欠刻蚀部分。 )u/yF*:n 矩形光栅足以表示这种光栅结构。 E )5E$ 光栅周期:250 nm S"OR% 光栅高度:490 nm l}]t~!X= 填充因子:0.5 }>VG~u8 n_1:1.46 c6X}2a' n_2:2.08 M;p
em< gG-BVl"59 Z; A`oKd YN!>} 光栅#2——结果 V&Xe!S 这两幅图对比之下再次显示出非常好的匹配度,特别是图表的趋势。 `"&da#N] 与参考文献相比,仿真中光栅结构进行了简化,存在一些小的偏差。由于缺乏关于实际的更详细的光栅结构的数据,这种简化是必要的。 :k.NbN$i\ Db;G@#x A7%:05 v(EEG/~
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