Ansys Lumerical | 纳米线栅偏振器仿真应用

说明
由亚波长金属光栅（纳米线栅偏振器）组成的高对比度偏振控制器件正在取代体光学元件。纳米线栅偏振器提供了较好的消光比对比度、最小的吸收以解决高亮度照明，以及紧凑的形状以便于大规模制造和集成在小型光学器件中。然而，纳米线栅偏振器的设计具有一定挑战性，特别是考虑到制造缺陷。在本应用示例中，展示了如何使用FDTD在保持高透射率的同时，在任意角度上最大化纳米线栅偏振器的对比度。

综述

本例将计算由具有线宽W和厚度H的铝纳米线栅的玻璃衬底（n=1.4）制成的纳米线栅偏振器的对比度。光源照射光栅偏振器上表面，即当电场与光栅线相切时偏振器应阻挡S偏振光，如上图所示。
分析1：对比度 VS 光栅常数

本分析将计算厚度H=140nm的50%占空比光栅和正入射光的对比度与间距的关系，光栅常数将在40nm和240nm之间变化（对应于W＝20nm到W＝120nm的线宽变化），将绘制3个不同波长（λ=450nm、λ=550nm和λ=650nm）的结果。通过对具有几个不同周期的光栅的透射对比度进行仿真，获得的结果与参考文献获得的结果一致。

图1

同时，可以将Movie Monitor添加到仿真中以查看时域场，为了使视频更容易理解，增加仿真范围的大小以包括器件多个周期，在本例中仿真了器件的5个周期。

图2 P（上）和S（下）偏振仿真视频

分析2：对比度VS占空比

本分析将计算正入射的550nm光和140nm光栅常数的对比度作为占空比的函数，参数扫描计算了对比度VS光栅占空比，并绘制三个结果：对比度、S透射和P透射。

 

图3 对比度 VS 占空比

图3计算了铝纳米线栅偏振器的对比度作为光栅占空比的函数，显示了对比度在7个数量级上变化，并且在0.9的占空比下具有最大值。

 

图4 S-偏振光透射率 VS 占空比

图4计算了铝纳米线栅偏振器的S-偏振光透射率作为光栅占空比的函数，仿真结果表明，对于50%的占空比，S-偏振光透射率约为8e10^-5，对于更大的占空比因子，S-偏振光透射率降低至10^-10。对于可制造的器件来说，10^-3量级的S-偏振光透射率更为现实。

图5 P-偏振光透射 VS 占空比

 
图5计算了铝纳米线栅偏振器的P-偏振光透射作为光栅占空比的函数，该曲线表明，P-偏振光的透射率随着占空比的增加而降低。基于这些结果，占空比为50%的铝光栅具有约85%的透射率。对于8e10^-5的s偏振透射，理想的50%占空比铝光栅可以实现大约1e10^4的对比度。

 
上述结果表明，可以获得1e10^4量级的对比度。然而，由于制造缺陷，这么大的对比度在实践中实现还有困难。

 
分析3：斜入射

本分析将研究涉及用非正入射光照射纳米线栅偏振器，在45度入射角下仿真具有50%占空比结构（550nm波长，140nm光栅常数）的透射率，并生成场振幅和相位图。

 
仿真参数将相应做如下修改：

•边界条件从周期性改变为Bloch，这是斜入射照明所需的；

•光源入射角度旋转45度；

•仿真边界沿Y轴增加，以使场更易于可视化；

•光源偏振设置为P（或TE）。

 

图6 斜入射电场强度

 
图6绘制了纳米线栅偏振器的横截面的电场强度，可以看见光栅上方没有观察到干涉图案，这是由于角度正好是45度，对于其他角度将观察到干涉图案。

 

图7 电场Ex和Ey的实部

图7是电场Ex(左)和Ey(右)场分量的实部，铝金属光栅上方区域中的波纹是由入射光和从纳米线栅偏振器上表面反射的光之间的干涉造成的。

图8 电场Ex和Ey场分量的相位

图8是电场Ex(左)和Ey(右)场分量的相位，波前角度的变化是由于硅衬底相对于铝光栅纳米线栅偏振器上方的空气区域的较高折射率所致。

此外，铝光栅线栅偏振器对于正常入射的平面波具有大约85%的TE透射率，45度入射时透射约为89%，基本不变。

参考文献：

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