Ansys Lumerical | 納米線柵偏振器仿真應(yīng)用

說明
由亞波長金屬光柵（納米線柵偏振器）組成的高對比度偏振控制器件正在取代體光學(xué)元件。納米線柵偏振器提供了較好的消光比對比度、最小的吸收以解決高亮度照明，以及緊湊的形狀以便于大規(guī)模制造和集成在小型光學(xué)器件中。然而，納米線柵偏振器的設(shè)計具有一定挑戰(zhàn)性，特別是考慮到制造缺陷。在本應(yīng)用示例中，展示了如何使用FDTD在保持高透射率的同時，在任意角度上最大化納米線柵偏振器的對比度。

 

綜述

本例將計算由具有線寬W和厚度H的鋁納米線柵的玻璃襯底（n=1.4）制成的納米線柵偏振器的對比度。光源照射光柵偏振器上表面，即當(dāng)電場與光柵線相切時偏振器應(yīng)阻擋S偏振光，如上圖所示。
分析1：對比度 VS 光柵常數(shù)

本分析將計算厚度H=140nm的50%占空比光柵和正入射光的對比度與間距的關(guān)系，光柵常數(shù)將在40nm和240nm之間變化（對應(yīng)于W＝20nm到W＝120nm的線寬變化），將繪制3個不同波長（λ=450nm、λ=550nm和λ=650nm）的結(jié)果。通過對具有幾個不同周期的光柵的透射對比度進行仿真，獲得的結(jié)果與參考文獻獲得的結(jié)果一致。

圖1

同時，可以將Movie Monitor添加到仿真中以查看時域場，為了使視頻更容易理解，增加仿真范圍的大小以包括器件多個周期，在本例中仿真了器件的5個周期。

 

 

圖2 P（上）和S（下）偏振仿真視頻

 

分析2：對比度VS占空比

本分析將計算正入射的550nm光和140nm光柵常數(shù)的對比度作為占空比的函數(shù)，參數(shù)掃描計算了對比度VS光柵占空比，并繪制三個結(jié)果：對比度、S透射和P透射。

 

圖3 對比度 VS 占空比

圖3計算了鋁納米線柵偏振器的對比度作為光柵占空比的函數(shù)，顯示了對比度在7個數(shù)量級上變化，并且在0.9的占空比下具有最大值。

 

圖4 S-偏振光透射率 VS 占空比

圖4計算了鋁納米線柵偏振器的S-偏振光透射率作為光柵占空比的函數(shù)，仿真結(jié)果表明，對于50%的占空比，S-偏振光透射率約為8e10^-5，對于更大的占空比因子，S-偏振光透射率降低至10^-10。對于可制造的器件來說，10^-3量級的S-偏振光透射率更為現(xiàn)實。

圖5 P-偏振光透射 VS 占空比

 
圖5計算了鋁納米線柵偏振器的P-偏振光透射作為光柵占空比的函數(shù)，該曲線表明，P-偏振光的透射率隨著占空比的增加而降低。基于這些結(jié)果，占空比為50%的鋁光柵具有約85%的透射率。對于8e10^-5的s偏振透射，理想的50%占空比鋁光柵可以實現(xiàn)大約1e10^4的對比度。

 
上述結(jié)果表明，可以獲得1e10^4量級的對比度。然而，由于制造缺陷，這么大的對比度在實踐中實現(xiàn)還有困難。

 
分析3：斜入射

本分析將研究涉及用非正入射光照射納米線柵偏振器，在45度入射角下仿真具有50%占空比結(jié)構(gòu)（550nm波長，140nm光柵常數(shù)）的透射率，并生成場振幅和相位圖。

 
仿真參數(shù)將相應(yīng)做如下修改：

?邊界條件從周期性改變?yōu)锽loch，這是斜入射照明所需的；

?光源入射角度旋轉(zhuǎn)45度；

?仿真邊界沿Y軸增加，以使場更易于可視化；

?光源偏振設(shè)置為P（或TE）。

 

圖6 斜入射電場強度

 
圖6繪制了納米線柵偏振器的橫截面的電場強度，可以看見光柵上方?jīng)]有觀察到干涉圖案，這是由于角度正好是45度，對于其他角度將觀察到干涉圖案。

 

圖7 電場Ex和Ey的實部

圖7是電場Ex(左)和Ey(右)場分量的實部，鋁金屬光柵上方區(qū)域中的波紋是由入射光和從納米線柵偏振器上表面反射的光之間的干涉造成的。

圖8 電場Ex和Ey場分量的相位

圖8是電場Ex(左)和Ey(右)場分量的相位，波前角度的變化是由于硅襯底相對于鋁光柵納米線柵偏振器上方的空氣區(qū)域的較高折射率所致。

此外，鋁光柵線柵偏振器對于正常入射的平面波具有大約85%的TE透射率，45度入射時透射約為89%，基本不變。

參考文獻：

Ahn et al,. “Fabrication of a 50 nm half-pitch wire grid polarizer using nanoimprint lithography”, Nanotechnology, 16, 1874–1877 (2005)