CN120802427B - 一种高衍射效率光栅波导结构及制备方法 - Google Patents
一种高衍射效率光栅波导结构及制备方法Info
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Abstract
本申请公开了一种高衍射效率光栅波导结构及制备方法，涉及衍射光波导技术领域；通过双层包层、双层光栅组合体以及光栅组合体正交双方向各向异性排列的结构设计，结合各层材料的优选，厚度、折射率差的优化及高精度的制备工艺，得到了一种性能优异、工艺简单的高衍射效率光栅波导结构。
Description
技术领域
本申请涉及衍射光波导技术领域，尤其涉及一种高衍射效率光栅波导结构及制备方法。
背景技术
在增强现实（AR）、光通信、生物传感等领域，光栅波导作为核心光学元件，其性能直接影响系统的成像质量、集成度和成本。传统光栅波导技术存在衍射效率低、角度带宽窄、偏振敏感性强等问题。
例如，公开号为CN116661156A的中国专利申请公开了一种光栅结构、衍射光波导以及显示设备，所述光栅结构包括设置于波导基底表面的若干呈周期性排列的结构单元，所述结构单元包括第一分部和第二分部，所述第一分部覆盖并贴合所述波导基底表面，所述第二分部贴合并至少围绕所述第一分部的三个表面，所述第一分部的折射率小于所述第二分部的折射率，且所述结构单元的光栅齿与所述第一分部的体积比大于等于3。
但是该衍射光波导结构的工艺仍较为复杂，衍射效率仍有提升空间。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请提供了一种高衍射效率光栅波导结构及制备方法。通过光栅结构单元的布局调控以及各结构之间所选用的材料的配合与优化，得到了一种性能优异、制备工艺简单的高衍射效率光栅波导结构。
为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案：
第一方面，本申请提供一种高衍射效率光栅波导结构，包括：
基底层；
第一包层，附着在基底层上下两个表面；
光栅组合体阵列，附着在其中一个第一包层表面，所述光栅组合体阵列包括多个光栅组合体；
第二包层，覆盖光栅组合体；其中，所述光栅组合体包括第一光栅结构单元和第二光栅结构单元；所述第一光栅结构单元和第二光栅结构单元所用材料的折射率均高于第一包层和第二包层；所述第一光栅结构单元贴设于所述第一包层的表面，所述第二光栅结构单元包括第一单元子结构和第二单元子结构，所述第一单元子结构覆盖所述第一光栅结构单元，所述第二单元子结构贴设在所述第一包层的表面，并且所述第二单元子结构的一侧侧壁表面与所述第一光栅结构单元的一侧侧壁表面结合。
本申请提供的光栅波导结构中，第一光栅结构单元和第一单元子结构作为初级散射体，将入射光耦合到波导中；第二单元子结构进一步调制光场，通过双层结构的干涉效应实现能量定向传输。而且包层材料与光栅材料的折射率差值较大，可以形成强光学对比度。包层材料与光栅材料的折射率差值越大，光在光栅界面的反射与衍射效应越强，光场与光栅结构的耦合效率越高，减少了零级透射光的能量损失，进而提高了衍射效率。
在一种可能实现的方式中，所述光栅组合体的排列方向包含第一方向和第二方向，且两个方向相互垂直；所述光栅组合体在第一方向上的排列间隔小于第二方向上的排列间隔；所述第一方向为所述基底层短边的延伸方向；所述第二方向为所述基底层长边的延伸方向。
在一种可能实现的方式中，所述光栅组合体在第一方向上的排列间隔为200~350nm，在第二方向上的排列间隔为400~700nm；所述第一光栅结构单元、第一单元子结构和第二单元子结构的高度均为100~150nm。
本申请中，第一方向的较小间隔对应较高的空间频率，适用于垂直于基底层的光耦合；第二方向的较大间隔用于横向光扩展，符合对不同方向衍射角的需求。非对称排列可抑制高阶衍射模式，减少串扰，提高主衍射级次的能量集中度，从而提高衍射效率。而且本申请中光栅高度与光的穿透深度匹配，可以增强光与光栅的相互作用，同时避免因过高结构导致的散射损耗。
在一种可能实现的方式中，所述基底层的厚度为0.5~2mm；所述第一包层的厚度为1~2μm；所述第二包层的厚度为1~3μm。
本申请中，基底层的厚度提供了足够的机械支撑，避免因过薄导致的结构脆弱；第一包层的厚度设计可以确保光场在波导结构内的有效限制，减少其向基底层的泄漏；第二包层的厚度设计可以进一步覆盖光栅组合体，形成完整的波导通道，优化光场的传输，减少多模干扰。
在一种可能实现的方式中，所述基底层所使用的材料包括硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃以及石英玻璃中的任意一种；所述第一包层所使用的材料包括二氧化硅；所述第一光栅结构单元所使用的材料包括氧化铌、三氧化钨和五氧化二钽中的任意一种；所述第二光栅结构单元所使用的材料为金红石相二氧化钛；所述第二包层所使用的材料包括二氧化硅和氮氧化硅中的任意一种。
本申请中，硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃作为基底层材料，具有低膨胀系数和高化学稳定性，确保长期使用中结构不变形；二氧化硅作为第一包层材料，折射率低且均匀性好，减少光传输损耗；高折射率的材料氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与二氧化硅形成显著折射率差，而且，氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与金红石相二氧化钛之间也会形成折射率差，从而增强光栅的衍射效率。此外，本申请第二包层所使用的材料中的氮氧化硅可以通过人为调整其中氮氧成分的比例，优化波导模式匹配。
第二方面，本申请提供一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法，包括以下步骤：
S1：对基底层进行预处理，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在第一参数下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层上下两个表面，得到第一包层；
S2：在第一包层的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元所使用的材料，然后涂上光刻胶；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元；
S4：在附着了第一光栅结构单元的第一包层的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体表面的光刻胶残留；
S7：最后采用等离子体增强化学气相沉积，在第二参数下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅组合体上沉积第二包层，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
在一种可能实现的方式中，所述基底层的预处理方法为：基底层浸没于无水乙醇或丙酮中，超声20~30min后取出，在80~100℃下真空烘干。
在一种可能实现的方式中，S1中所述第一参数包括：沉积温度为200~300℃，工作压强为10~50Pa，硅烷气体流量为50~100sccm，氧气作为载气流量为200~500sccm，沉积时间为10~20min。
在一种可能实现的方式中，所述光刻胶包括聚甲基丙烯酸甲酯、ZEP520A、ZEP530A以及ZEP7000中的任意一种。
在一种可能实现的方式中，S7中所述第二参数包括：沉积温度为200~300℃，工作压强为10~50Pa，硅烷气体流量为50~100sccm，氧气与氮气的混合气体作为载气流量为200~500sccm，氧气与氮气的体积比为（70~100）：（0~30）；沉积时间为10~30min；所述退火处理的参数为：退火温度300~500℃，退火时间3~5h。
本申请中，基底层的预处理方法可以有效清除基底层表面的颗粒、油污等杂质，同时避免空气中的灰尘再次附着，提高表面清洁度和附着力，确保后续沉积层的质量；等离子体增强化学气相沉积在200~300℃下形成均匀的二氧化硅第一包层，可以减少热应力和材料损伤；电子束光刻的高精度可以实现纳米级光栅结构的精确刻蚀，确保光栅周期和形貌的一致性；感应耦合等离子体蚀刻工艺可以通过精确控制刻蚀气体和参数，实现光栅结构单元的侧壁的垂直度，减少散射损耗；光刻胶的选择确保了电子束光刻的高分辨率和图案保真度；氧等离子体灰化的工艺则可以彻底去除光刻胶残留，避免污染和光学性能下降；300~500℃退火可以消除包层内应力，改善材料结晶度，提高光栅的长期稳定性和光学均匀性。正是以上制备方法中各个步骤的协同以及各种参数的优选，实现了高精度、高一致性的光栅波导结构及性能的实现。
有益的技术效果：
本申请中，通过双层包层、双层光栅组合体以及光栅组合体正交双方向各向异性排列的结构设计，结合各层材料的优选，厚度、折射率差的优化及高精度的制备工艺，制得了高衍射效率光栅波导结构。该高衍射效率光栅波导结构中，第一光栅结构单元和第一单元子结构作为初级散射体，将入射光耦合到波导中；第二单元子结构进一步调制光场，通过双层结构的干涉效应实现能量定向传输。而且，第一方向的较小间隔对应较高的空间频率，适用于垂直于基底层的光耦合；第二方向的较大间隔用于横向光扩展，符合对不同方向衍射角的需求。而且制得的光栅组合体的优势不仅在于两个方向的间隔不同，还在于几何形状及高度上的各向异性与两个方向间隔差异的周期各向异性的协同；前者提供方向依赖的光学响应，后者匹配特定衍射条件。此外，硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃作为基底层材料，具有低膨胀系数和高化学稳定性，确保长期使用中结构不变形；二氧化硅作为第一包层材料，折射率低且均匀性好，减少光传输损耗；高折射率的材料氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与二氧化硅形成显著折射率差，而且，氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与金红石相二氧化钛之间也会形成折射率差，从而增强光栅的衍射效率。最后，本申请第二包层所使用的材料中的氮氧化硅可以通过人为调整其中氮氧成分的比例，优化波导模式匹配。该高衍射效率光栅波导结构实现了高衍射效率与宽偏振光调控，同时可以抑制高阶衍射并减少光场泄漏。
附图说明
图1是本申请高衍射效率光栅波导结构的主视图；
图2是本申请高衍射效率光栅波导结构的俯视图；
图3是侧视视角下，本申请高衍射效率光栅波导结构的制备步骤S1的操作示意图；
图4是侧视视角下，本申请高衍射效率光栅波导结构的制备步骤S2~S3的操作示意图；
图5是侧视视角下，本申请高衍射效率光栅波导结构的制备步骤S4~S6的操作示意图；
图6是侧视视角下，本申请高衍射效率光栅波导结构的制备步骤S7的操作示意图。
附图标记：1、基底层；2、第一包层；3、光栅组合体；4、第一光栅结构单元；5、第二光栅结构单元；51、第一单元子结构；52、第二单元子结构；6、第二包层。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚明白，下面就结合实施例，对本申请进行进一步详细说明。但不应将此理解为本申请的范围仅限于以下的实例。在不脱离本申请上述方法思想的情况下，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。
本申请提供一种高衍射效率光栅波导结构，所述高衍射效率光栅波导结构包括：
基底层1；
第一包层2，附着在基底层1上下两个表面；
光栅组合体3阵列，附着在其中一个第一包层2表面，所述光栅组合体3阵列包括多个光栅组合体3；
第二包层6，覆盖光栅组合体3；其中，所述光栅组合体3包括第一光栅结构单元4和第二光栅结构单元5；所述第一光栅结构单元4和第二光栅结构单元5所用材料的折射率均高于第一包层2和第二包层6；所述第一光栅结构单元4贴设于所述第一包层2的表面，所述第二光栅结构单元5包括第一单元子结构51和第二单元子结构52，所述第一单元子结构51覆盖所述第一光栅结构单元4，所述第二单元子结构52贴设在所述第一包层2的表面，并且所述第二单元子结构52的一侧侧壁表面与所述第一光栅结构单元4的一侧侧壁表面结合。
本申请提供的光栅波导结构中，第一光栅结构单元4和第一单元子结构51作为初级散射体，将入射光耦合到波导中；第二单元子结构52进一步调制光场，通过双层结构的干涉效应实现能量定向传输。而且包层材料与光栅材料的折射率差值较大，可以形成强光学对比度。包层材料与光栅材料的折射率差值越大，光在光栅界面的反射与衍射效应越强，光场与光栅结构的耦合效率越高，减少了零级透射光的能量损失，进而提高了衍射效率。
在一种可能实现的方式中，所述光栅组合体3的排列方向包含第一方向和第二方向，且两个方向相互垂直；所述光栅组合体3在第一方向上的排列间隔小于第二方向上的排列间隔；所述第一方向为所述基底层1短边的延伸方向；所述第二方向为所述基底层1长边的延伸方向。
在一种可能实现的方式中，所述光栅组合体3在第一方向上的排列间隔为200~350nm，在第二方向上的排列间隔为400~700nm；所述第一光栅结构单元4、第一单元子结构51和第二单元子结构52的高度均为100~150nm。
本申请中，第一方向的较小间隔对应较高的空间频率，适用于垂直于基底层1的光耦合；第二方向的较大间隔用于横向光扩展，符合对不同方向衍射角的需求。非对称排列可抑制高阶衍射模式，减少串扰，提高主衍射级次的能量集中度，从而提高衍射效率。而且本申请中光栅高度与光的穿透深度匹配，可以增强光与光栅的相互作用，同时避免因过高结构导致的散射损耗。
在一种可能实现的方式中，所述基底层1的厚度为0.5~2mm；所述第一包层2的厚度为1~2μm；所述第二包层6的厚度为1~3μm。
本申请中，基底层1的厚度提供了足够的机械支撑，避免因过薄导致的结构脆弱；第一包层2的厚度设计可以确保光场在波导结构内的有效限制，减少其向基底层1的泄漏；第二包层6的厚度设计可以进一步覆盖光栅组合体3，形成完整的波导通道，优化光场的传输，减少多模干扰。
在一种可能实现的方式中，所述基底层1所使用的材料包括硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃以及石英玻璃中的任意一种；所述第一包层2所使用的材料包括二氧化硅；所述第一光栅结构单元4所使用的材料包括氧化铌、三氧化钨和五氧化二钽中的任意一种；所述第二光栅结构单元5所使用的材料为金红石相二氧化钛；所述第二包层6所使用的材料包括二氧化硅和氮氧化硅中的任意一种。
本申请中，硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃作为基底层1的材料，具有低膨胀系数和高化学稳定性，确保长期使用中结构不变形；二氧化硅作为第一包层2的材料，折射率低且均匀性好，减少光传输损耗；高折射率的材料氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与二氧化硅形成显著折射率差，而且，氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与金红石相二氧化钛之间也会形成折射率差，从而增强光栅的衍射效率。此外，本申请第二包层6所使用的材料中的氮氧化硅可以通过人为调整其中氮氧成分的比例，优化波导模式匹配。
该高衍射效率光栅波导结构的主视图如图1所示，俯视图如图2所示。
下述将结合附图及不同实施例，具体描述本申请提供的一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法。
实施例1
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：如图3所示，将基底层1浸没于丙酮中，超声25min后取出，在90℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度250℃、工作压强30Pa、硅烷气体流量75sccm、氧气流量350sccm、沉积时间15min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层1上下两个表面，得到第一包层2；
S2：如图4所示，在第一包层2的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元4所使用的材料氧化铌，然后涂上光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元4；
S4：如图5所示，在附着了第一光栅结构单元4的第一包层2的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元4侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元4的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元5，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体3；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体3表面的光刻胶残留；
S7：如图6所示，最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度250℃、工作压强30Pa、硅烷气体流量75sccm、氧气与氮气的混合气体流量350sccm、氧气与氮气的体积比70：30、沉积时间20min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层6，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
实施例2
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：如图3所示，将基底层1浸没于无水乙醇中，超声20min后取出，在80℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度200℃、工作压强20Pa、硅烷气体流量50sccm、氧气流量200sccm、沉积时间10min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层1上下两个表面，得到第一包层2；
S2：如图4所示，在第一包层2的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元4所使用的材料五氧化二钽，然后涂上光刻胶ZEP520A；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元4；
S4：如图5所示，在附着了第一光栅结构单元4的第一包层2的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元4侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元4的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶ZEP520A；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元5，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体3；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体3表面的光刻胶残留；
S7：如图6所示，最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度200℃、工作压强20Pa、硅烷气体流量50sccm、氧气与氮气的混合气体流量200sccm、氧气与氮气的体积比80：20、沉积时间15min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层6，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
实施例3
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：如图3所示，将基底层1浸没于无水乙醇中，超声30min后取出，在100℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度300℃、工作压强50Pa、硅烷气体流量100sccm、氧气流量500sccm、沉积时间20min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层1上下两个表面，得到第一包层2；
S2：如图4所示，在第一包层2的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元4所使用的材料三氧化钨，然后涂上光刻胶ZEP530A；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元4；
S4：如图5所示，在附着了第一光栅结构单元4的第一包层2的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元4侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元4的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶ZEP530A；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元5，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体3；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体3表面的光刻胶残留；
S7：如图6所示，最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度300℃、工作压强50Pa、硅烷气体流量100sccm、氧气与氮气的混合气体流量500sccm、氧气与氮气的体积比90：10、沉积时间30min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层6，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
实施例4
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：如图3所示，将基底层1浸没于丙酮中，超声25min后取出，在85℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度250℃、工作压强25Pa、硅烷气体流量60sccm、氧气流量250sccm、沉积时间16min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层1上下两个表面，得到第一包层2；
S2：如图4所示，在第一包层2的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元4所使用的材料氧化铌，然后涂上光刻胶ZEP7000；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元4；
S4：如图5所示，在附着了第一光栅结构单元4的第一包层2的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元4侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元4的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶ZEP7000；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元5，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体3；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体3表面的光刻胶残留；
S7：如图6所示，最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度250℃、工作压强25Pa、硅烷气体流量60sccm、氧气的气体流量250sccm、无氮气、沉积时间10min的条件下，通过硅烷与氧气的反应在光栅结构单元上沉积第二包层6，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
实施例5
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：如图3所示，将基底层1浸没于无水乙醇中，超声20min后取出，在95℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度280℃、工作压强40Pa、硅烷气体流量90sccm、氧气流量450sccm、沉积时间18min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层1上下两个表面，得到第一包层2；
S2：如图4所示，在第一包层2的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元4所使用的材料三氧化钨，然后涂上光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元4；
S4：如图5所示，在附着了第一光栅结构单元4的第一包层2的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元4侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元4的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元5，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体3；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体3表面的光刻胶残留；
S7：如图6所示，最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度280℃、工作压强40Pa、硅烷气体流量90sccm、氧气与氮气的混合气体流量450sccm、氧气与氮气的体积比75：25、沉积时间25min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层6，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
实施例6
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：如图3所示，将基底层1浸没于丙酮中，超声25min后取出，在90℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度240℃、工作压强35Pa、硅烷气体流量80sccm、氧气流量400sccm、沉积时间12min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层1上下两个表面，得到第一包层2；
S2：如图4所示，在第一包层2的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元4所使用的材料五氧化二钽，然后涂上光刻胶ZEP7000；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元4；
S4：如图5所示，在附着了第一光栅结构单元4的第一包层2的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元4侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元4的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶ZEP7000；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元5，也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体3；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体3表面的光刻胶残留；
S7：如图6所示，最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度240℃、工作压强35Pa、硅烷气体流量80sccm、氧气与氮气的混合气体流量400sccm、氧气与氮气的体积比85：15、沉积时间20min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层6，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
对比例1
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：将基底层浸没于丙酮中，超声25min后取出，在90℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度250℃、工作压强30Pa、硅烷气体流量75sccm、氧气流量350sccm、沉积时间15min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层上下两个表面，得到第一包层；
S2：在第一包层的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元所使用的材料氧化铌，然后涂上光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元；
S4：使用氧等离子体灰化工艺，清除第一光栅结构单元表面的光刻胶残留；
S5：最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度250℃、工作压强30Pa、硅烷气体流量75sccm、氧气与氮气的混合气体流量350sccm、氧气与氮气的体积比70：30、沉积时间20min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
对比例2
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：将基底层浸没于无水乙醇中，超声30min后取出，在100℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度300℃、工作压强50Pa、硅烷气体流量100sccm、氧气流量500sccm、沉积时间20min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层上下两个表面，得到第一包层；
S2：在第一包层的一个表面通过溅射沉积得到一层金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶ZEP530A；
S3：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元；
S4：使用氧等离子体灰化工艺，清除第二光栅结构单元表面的光刻胶残留；
S5：最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度300℃、工作压强50Pa、硅烷气体流量100sccm、氧气与氮气的混合气体流量500sccm、氧气与氮气的体积比90：10、沉积时间30min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
对比例3
一种高衍射效率光栅波导结构，其制备方法包括如下步骤：
S1：将基底层浸没于丙酮中，超声25min后取出，在90℃下真空烘干，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度240℃、工作压强35Pa、硅烷气体流量80sccm、氧气流量400sccm、沉积时间12min的条件下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层上下两个表面，得到第一包层；
S2：在第一包层的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元所使用的材料五氧化二钽，然后涂上光刻胶ZEP7000；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元；
S4：在附着了第一光栅结构单元的第一包层的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶ZEP7000；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元，制得两个方向间隔相同的光栅组合体；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体表面的光刻胶残留；
S7：最后也采用等离子体增强化学气相沉积，在沉积温度240℃、工作压强35Pa、硅烷气体流量80sccm、氧气与氮气的混合气体流量400sccm、氧气与氮气的体积比85：15、沉积时间20min的条件下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅结构单元上沉积第二包层，退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
对实施例1-6以及对比例1-3制得的高衍射效率光栅波导结构进行衍射效率与传输损耗的测试。测试结果统计如表1所示。
表1 实施例1-6和对比例1-3制备的高衍射效率光栅波导结构测试结果
| 衍射效率（%） | 传输损耗（dB/cm） | |
| 实施例1 | 82 | 0.3 |
| 实施例2 | 79 | 0.5 |
| 实施例3 | 83 | 0.2 |
| 实施例4 | 81 | 0.6 |
| 实施例5 | 78 | 0.7 |
| 实施例6 | 83 | 0.4 |
| 对比例1 | 26 | 4.3 |
| 对比例2 | 39 | 2.7 |
| 对比例3 | 51 | 1.8 |
由表1可知，实施例1~6制备的高衍射效率光栅波导结构各项检测数据都优于对比例1~3。
这是因为，实施例1~6制得的高衍射效率光栅波导结构中，第一方向的较小间隔对应较高的空间频率，适用于垂直于基底层1的光耦合；第二方向的较大间隔用于横向光扩展，符合对不同方向衍射角的需求。而且制得的光栅组合体的优势不仅在于两个方向的间隔不同，还在于几何形状及高度上的各向异性与两个方向间隔差异的周期各向异性的协同；前者提供方向依赖的光学响应，后者匹配特定衍射条件。此外，硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃或石英玻璃作为基底层材料，具有低膨胀系数和高化学稳定性，确保长期使用中结构不变形；二氧化硅作为第一包层材料，折射率低且均匀性好，减少光传输损耗；高折射率的材料氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与二氧化硅形成显著折射率差，而且，氧化铌、三氧化钨或五氧化二钽与金红石相二氧化钛之间也会形成折射率差，从而增强光栅的衍射效率。此外，第二包层所使用的材料中的氮氧化硅可以通过人为调整其中氮氧成分的比例，优化波导模式匹配。
而对比例1与实施例1相比，没有构建第二光栅结构单元，因此无法产生几何形状及高度上的各向异性与两个方向间隔差异的周期各向异性的协同，而且也就不存在了氧化铌与金红石相二氧化钛之间的折射率差，最终光栅的衍射效率明显降低，传输损耗明显提高。
对比例2与实施例3相比，没有构建第一光栅结构单元，同样无法产生几何形状及高度上的各向异性与两个方向间隔差异的周期各向异性的协同，但金红石相二氧化钛与二氧化硅之间的折射率差要高过三氧化钨与二氧化硅之间的折射率差，最终制得的光栅的衍射效率和传输损耗虽相比实施例3较差，但这两方面的性能相比对比例1仍较优。
对比例3与实施例6相比，两个方向上的排列间隔相同，因此不存在两个方向间隔差异的周期各向异性，也无法产生几何形状及高度上的各向异性与两个方向间隔差异的周期各向异性的协同；但由于具有完整的第一光栅结构单元和第二光栅结构单元，最终制得的光栅的衍射效率和传输损耗虽相比实施例6较差，但这两方面的性能相比对比例1和对比例2也都较优。
以上结果显示和描述了本申请的基本原理和主要特征以及本申请的优点。
本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。本申请要求保护范围由所附的权利要求书的等效物界定。
Claims (10)
1.一种高衍射效率光栅波导结构，其特征在于，包括：
基底层（1）；
第一包层（2），附着在基底层（1）上下两个表面；
光栅组合体（3）阵列，附着在其中一个第一包层（2）表面，所述光栅组合体（3）阵列包括多个光栅组合体（3）；
第二包层（6），覆盖光栅组合体（3）；其中，所述光栅组合体（3）包括第一光栅结构单元（4）和第二光栅结构单元（5）；所述第一光栅结构单元（4）和第二光栅结构单元（5）所用材料的折射率均高于第一包层（2）和第二包层（6）；所述第一光栅结构单元（4）贴设于所述第一包层（2）的表面，所述第二光栅结构单元（5）包括第一单元子结构（51）和第二单元子结构（52），所述第一单元子结构（51）覆盖所述第一光栅结构单元（4），所述第二单元子结构（52）贴设在所述第一包层（2）的表面，并且所述第二单元子结构（52）的一侧侧壁表面与所述第一光栅结构单元（4）的一侧侧壁表面结合。
2.根据权利要求1所述的一种高衍射效率光栅波导结构，其特征在于，所述光栅组合体（3）的排列方向包含第一方向和第二方向，且两个方向相互垂直；所述光栅组合体（3）在第一方向上的排列间隔小于第二方向上的排列间隔；所述第一方向为所述基底层（1）短边的延伸方向；所述第二方向为所述基底层（1）长边的延伸方向。
3.根据权利要求2所述的一种高衍射效率光栅波导结构，其特征在于，所述光栅组合体（3）在第一方向上的排列间隔为200~350nm，在第二方向上的排列间隔为400~700nm；所述第一光栅结构单元（4）、第一单元子结构（51）和第二单元子结构（52）的高度均为100~150nm。
4.根据权利要求1所述的一种高衍射效率光栅波导结构，其特征在于，所述基底层（1）的厚度为0.5~2mm；所述第一包层（2）的厚度为1~2μm；所述第二包层（6）的厚度为1~3μm。
5.根据权利要求1所述的一种高衍射效率光栅波导结构，其特征在于，所述基底层（1）所使用的材料包括硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃以及石英玻璃中的任意一种；所述第一包层（2）所使用的材料包括二氧化硅；所述第一光栅结构单元（4）所使用的材料包括氧化铌、三氧化钨和五氧化二钽中的任意一种；所述第二光栅结构单元（5）所使用的材料为金红石相二氧化钛；所述第二包层（6）所使用的材料包括二氧化硅和氮氧化硅中的任意一种。
6.一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1~5任一项所述的高衍射效率光栅波导结构，包括以下步骤：
S1：对基底层（1）进行预处理，然后通过等离子体增强化学气相沉积，在第一参数下，通过硅烷与氧气的反应将二氧化硅附着在基底层（1）上下两个表面，得到第一包层（2）；
S2：在第一包层（2）的其中一个的表面通过溅射沉积得到一层第一光栅结构单元（4）所使用的材料，然后涂上光刻胶；
S3：利用电子束光刻技术刻蚀得到第一光栅结构单元（4）；
S4：在附着了第一光栅结构单元（4）的第一包层（2）的表面通过溅射沉积得到与第一光栅结构单元（4）侧壁贴合以及覆盖第一光栅结构单元（4）的金红石相二氧化钛，然后涂上光刻胶；
S5：再利用电子束光刻技术刻蚀得到第二光栅结构单元（5），也即制得两个方向间隔不同的光栅组合体（3）；
S6：使用氧等离子体灰化工艺，清除光栅组合体（3）表面的光刻胶残留；
S7：最后采用等离子体增强化学气相沉积，在第二参数下，通过硅烷与氧气及氮气的混合气体的反应在光栅组合体（3）上沉积第二包层（6），退火处理后即得到所述高衍射效率光栅波导结构。
7.根据权利要求6所述的一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法，其特征在于，所述基底层（1）的预处理方法为：基底层（1）浸没于无水乙醇或丙酮中，超声20~30min后取出，在80~100℃下真空烘干。
8.根据权利要求6所述的一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法，其特征在于，S1中所述第一参数包括：沉积温度为200~300℃，工作压强为10~50Pa，硅烷气体流量为50~100sccm，氧气作为载气流量为200~500sccm，沉积时间为10~20min。
9.根据权利要求6所述的一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法，其特征在于，所述光刻胶包括聚甲基丙烯酸甲酯、ZEP520A、ZEP530A以及ZEP7000中的任意一种。
10.根据权利要求6所述的一种高衍射效率光栅波导结构的制备方法，其特征在于，S7中所述第二参数包括：沉积温度为200~300℃，工作压强为10~50Pa，硅烷气体流量为50~100sccm，氧气与氮气的混合气体作为载气流量为200~500sccm，氧气与氮气的体积比为（70~100）：（0~30）；沉积时间为10~30min；所述退火处理的参数为：退火温度300~500℃，退火时间3~5h。
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| JP4310080B2 (ja) * | 2002-06-17 | 2009-08-05 | キヤノン株式会社 | 回折光学素子およびこれを備えた光学系、光学装置 |
| US20240053543A1 (en) * | 2021-02-24 | 2024-02-15 | The Chinese University Of Hong Kong | High coupling efficiency blazed waveguide grating coupler |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114488394A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-13 | 中国科学院微电子研究所 | 一种氮化硅光栅耦合器及其制备方法、光器件 |
| CN116661156A (zh) * | 2023-07-25 | 2023-08-29 | 上海鲲游科技有限公司 | 一种光栅结构、衍射光波导以及显示设备 |
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