摘要

光柵結構廣泛應用于各種光學應用場景，如光譜儀、近眼顯示系統、脈沖整形等。快速物理光學軟件VirtualLab Fusion通過使用傅里葉模態方法(FMM，也稱為RCWA)，為任意光柵結構的嚴格分析提供了通用和方便的工具。為此，復雜的一維或二維周期結構可以使用界面和調制介質進行配置，這允許任何類型的光柵形貌進行自由的配置。在此用例中，詳細討論了衍射級次的偏振態的研究。

 

任務說明

 

 

簡要介紹衍射效率與偏振理論

某個衍射級次（??）的效率表示有多少的輻射功率被衍射到這個特定的級次中。它是由復數值瑞利系數計算出來的，瑞利系數包含了每個衍射級次（矢量）電磁場的全部信息。瑞利系數本身是由FMM對光柵的特征值問題進行嚴格分析的結果。

如果在TE/TM坐標系(CS)中給出瑞利系數，則可以計算衍射效率：

其中，n_in/n_out為覆蓋層和襯底層的折射率，?_in/?_out為所分析的階次的入射角和衍射角。此外，??表示輻射光的振幅。

如果瑞利系數沿??、??和??給出瑞利系數，則必須應用以下方程：

因此，必須考慮所給出的瑞利系數的坐標系。默認情況下，光柵坐標系中為。

光柵結構參數

研究了一種矩形光柵結構。

為了簡化設置，選擇光柵配置，只允許零階(R_0)反射傳播。

根據上述參數選擇以下光柵參數：

光柵周期：250 nm

填充因子：0.5

光柵高度：200 nm

材料n_1：熔融石英（來自目錄）

材料n_2：二氧化鈦（來自目錄）

 

 

偏振態分析

現在，用TE偏振光照射光柵，并應用圓錐入射角（??）變量。

如前所述，瑞利系數的平方振幅將提供關于特定級次的偏振態的信息。

為了接收瑞利系數作為檢測器的結果，需要選擇光柵級次分析器件中的單個級次輸出，并選擇所需的系數。

 

 

模擬光柵的偏振態

 

瑞利系數現在提供了偏振態的信息：

在圓錐入射角為0（??=0）時，。這說明衍射光是完全偏振的。

對于??=22°，。此時，67%的光是TM偏振的。

對于??>50°，系數接近為常數，因此偏振態也是常數。

 

Passilly等人更深入的光柵案例。

Passilly等人的工作研究并優化了亞波長光柵下衍射光譜的偏振態，以獲得不同狀態之間的高度轉換。

因此，他們將模擬結果與制作樣品的測量數據進行了比較。

 

光柵結構參數

在本文中，研究了兩種不同的制備光柵結構。

由于加工造成的光柵的理想二元形狀的一些偏差是可以預料的，而且確實可以觀察到：在基板和側壁上存在不完全平行的欠刻蝕部分。

由于缺少關于制作結構的細節，我們將其簡化為VirtulLab Fusion中的模擬。

但是如果有可用數據，就可以詳細分析光柵的復雜形狀。

 

光柵#1——參數

假設側壁傾斜為線性。

忽略了襯底中的欠刻蝕部分。

為了實現光柵脊的梯形形狀，采用了傾斜光柵介質。

光柵周期：250 nm

光柵高度：660 nm

填充因子：0.75（底部）

側壁角度：±6°

n_1：1.46

n_2：2.08

 

光柵#1——結果

這兩幅圖對比之下匹配度很高，特別是圖表的趨勢。

與參考文獻相比，仿真中光柵結構進行了簡化，存在一些小的偏差。由于缺乏關于實際的更詳細的光柵結構的數據，這種簡化是必要的。

  

 

光柵#2——參數

假設光柵為矩形。

忽略了襯底中的欠刻蝕部分。

矩形光柵足以表示這種光柵結構。

光柵周期：250 nm

光柵高度：490 nm

填充因子：0.5

n_1：1.46

n_2：2.08

 

 

光柵#2——結果

這兩幅圖對比之下再次顯示出非常好的匹配度，特別是圖表的趨勢。

與參考文獻相比，仿真中光柵結構進行了簡化，存在一些小的偏差。由于缺乏關于實際的更詳細的光柵結構的數據，這種簡化是必要的。

  

 

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