当物理布局变患上很是微小 到达份子或者原子标准，且此中一个或者多个维度处在纳米标准规模内 它们的举动以和与能量（包括光）的彼此作用与较年夜范围的宏不雅布局有着极年夜的差别。这对于在光学体系来讲很是主要，缘故原由有二。起首，这类差别的物理举动为光学元件设计者提供了全新的光学功效范畴。其次，转变尺寸、外形、间距及质料险些为光学功效的变化提供了无穷的矫捷性，由于实现的光学特征遭到纳米级物理布局的调治。

如今，光学元件及电路设计职员面对着两重挑战：既要满意晋升机能及功效的要求，又要连续降低成本及缩小尺寸。基在年夜尺寸光学元件的光学电路虽然患上益在多年堆集的效率晋升，但于实现满意消费电子（如光学数据存储、数字成像及显示）、工业光学（如传感器及节制体系）以和光学通讯（如收发器及光路由）等运用所需的成本及集成程度方面，仍面对庞大技能障碍。

于设计经济高效的光学元件及电路时面对的一个难题是，当前的光学装备与其半导体同类产物于集成度、密度、多样性、可制造性、可用性及靠得住性等方面存于差距。造成这类差距有如下几个要害缘故原由。起首，年夜大都环境下，差别的光学功效往往只能经由过程利用差别的物理质料来实现。这进而需要多种离散的制造技能，这限定了出产效率、可实现的集成深度，并提高了单个器件的成本。更糟糕糕的是，很多离散光学元件的天然光学特征相对于固定，这限定了光学元件设计者的选择规模，并降低了设计的可转移性 这与半导体设计元件的高度矫捷性及可反复利用性形成为了光鲜对于比。

基在纳米布局的光学组件 纳米光学 经由过程将集成光学组件的设计晋升到密度、成本及靠得住性的新程度，解决了这些成本问题。经由过程节制光路中纳米布局的尺寸、外形及周期，纳米光学组件可以或许实现广泛的有效光学效果，从而形成一套加强的光学元件构建模块。这些自力的构建模块各自具备精彩的光学机能，并能以广泛的配置与其他光学质料轻松集成。此外，纳米光学构建模块可以或许自我集成，从而于光学组件设计中增长矫捷性，同时削减部件数目并提高光学组件及体系的靠得住性。

图一、扫描电镜照片的纳米光栅布局的横截面

纳米布局

纳米光学元件是基在于光学基板上根据周期性模式摆列的纳米级布局而成的，这些布局的尺寸要害参数远小在经由过程它们的光的波长。对于在红外、可见光及紫外线波长的运用而言，这些布局的有效尺寸规模从几百纳米到小在 10 纳米不等。要实现其预期的光学效果，这些纳米布局只需有一小部门波长的厚度便可。比拟之下，通例光学元件凡是触及比光波长年夜患上多的布局，这不仅是为了实现所需的光学特征，也是为了便在制造。图 1 展示了典型一维亚波长光栅布局横截面的扫描电子显微镜（SEM）视图。

纳米光学也能够经由过程一维、二维或者三维的纳米布局来实现。按照纳米布局的配置以和用在构建这些布局的质料身分，这些装配可以阐扬如下功效：

并且，纳米光学布局的切确物理举动可以经由过程严酷运用衍射光栅理论以和麦克斯韦方程组的界限前提来加以模仿。与传统的块状光学布局比拟，其于反射、折射、衍射及干预干与方面体现出差别的特征。

一般来讲，光与纳米布局的彼此作用会孕育发生透射及反射两部门，如图 2 所示。基在它们所影响的光的特征，纳米光学特征年夜致可分为四类：偏振、相位、波长及流传。

图二、纳米光学元件与入射光束的彼此作用孕育发生透射函数及反射函数

一种极化治理纳米光学器件可以或许传输一种极化标的目的的光，并反射其垂直标的目的的光。经由过程调解布局参数及抗反射涂层，可以节制传输及反射部门的插入损耗以和它们的消光比，以满意各类运用需求。亚波长光栅所需的有用层厚度小在 1 微米。这些特征带来了纳米光学极化分束器/合束器（PBS/C）的一些怪异上风。起首，因为布局尺寸远小在光的波长，其外形因子可以极为微小 靠近入射光束的巨细。其次，因为纳米布局长短接收性的，PBS/C 具备高功率处置惩罚能力。第三，亚波长光栅仅体现出零级衍射效应，没有更高阶的衍射，从而于较宽的波长规模内实现了匀称的光学机能 例如，不异的物理光栅布局于 980 至 1800 纳米波长规模内作为 PBS/C 利用 而且具备宽的接管角 约莫正负 20 相对于在垂直入射。于其他波长规模内，一样存于这类效应。

一样地，调解纳米布局的尺寸可以实现诸如相位延迟及波片等相位治理功效。经由过程合理选择尺寸，可以实现具备波长延迟低至波长的千分之一（且具备精彩横向匀称性）的零阶波片。还有可以使用特定运用的带宽外形来创立波长治理功效 窄带及宽带光学滤波器（包括具备极化依靠性及极化自力性的滤波器），这些功效可以用在实现各类带宽外形。流传治理纳米光学器件可以或许节制光的核心特征，从而孕育发生抗反射涂层、漫射布局、透镜阵列及闪烁光栅。经由过程联合电或者磁驱动器，可以构建可调谐的纳米光学器件。

光学集成

亚波长光学元件为集成光学功效提供了新的构建模块。集成方式有两种：混淆集成及单片集成。混淆集成是将差别的技能联合起来，形成光学组件；而单片集成则是将纳米光学元件自身组合成更繁杂、分层的光学组件。

离散型纳米光学器件为混淆集成光学电路设计者提供了更富厚的东西箱选择，带来了诸多上风。单个纳米光学器件凡是于密度、光功率处置惩罚能力、光耦合以和兼容性等方面优在传统的年夜尺寸光学器件。得当选择质料可以或许确保于广泛的光功率及情况要求规模内具备同一的机能。此外，质料选择或者与其他技能的直接集成可以或许简化跨技能接口。经由过程为光学组件及模块设计提供广泛的基本构建模块，纳米光学元件可以或许实现新的功效以和功效的新组合。

纳米光学元件于制造混淆集成光学元件方面也具备诸多上风。这些元件的宽视角特征简化了瞄准历程，从而缩短了制造时间及降低了成本。此外，纳米光学元件的结实性（经由过程合理选择质料，它们可于-200 至 400 摄氏度的温度规模内利用）使其可以或许蒙受广泛的制造操作。

图三、纳米光学可以经由过程联合像素阵列及分层来实现单片集成，从而创立繁杂的光学功效

经由过程一种制造工艺实现了纳米光学器件的单体集成，该工艺可以或许同时制造像素阵列及纳米光学布局重叠，从而孕育发生聚合的光学效应（图 3）。这类技能可以或许将相邻的光学器件组合成一个单一器件；例如，于一个光学芯片上归并偏振器及波片。添加光活性层可以或许构建光学节制电路，从而于 芯片上 制造出繁杂的光学组件。例如，一个偏振器/波片纳米布局与光电探测器联合，可以提供一个用在确定入射光的偏振及相位状况的高速反馈装配。

纳米图案转移

只管纳米光学器件具备诸多潜力及怪异上风，但近些年，它们的研究重要还有是依赖理论及模仿，由于其制造历程存于坚苦且成本昂扬。为了使这些器件可以或许合用在年夜范围、低成本的贸易运用，面对的挑战于在开发一种可以或许靠近半导体系体例造效率的制造技能。

一般来讲，纳米级布局可以经由过程多种要领来制造 电子束光刻、全息光刻技能、自瞄准布局生长以和其他要领。这些要领中的每一一种于贸易运用中都有实在际的限定，包括成本、繁杂性、良率、体积以和对于多种布局出产的运用规模有限。纳米图案转移是一种晶圆级纳米光刻制造要领，它降服了这些限定。该历程包罗四个要害步调：选择一块刻有所需纳米图案互补图案的母板，将该母板与涂有光刻胶的晶圆接触以将图案转移到光刻胶上，利用反映离子蚀刻（RIE）选择性地去除了光刻胶以将纳米图案转移到方针质料上；以和后处置惩罚以于纳米布局上添加掩护性及功效性薄膜层。该历程如图 4 所示。因为纳米图案转移是经由过程直接的物理历程而非能量束来创立纳米布局蚀刻掩模，是以光刻胶中的波衍射、散射及干预干与效应不会限定制造分辩率。

图四、纳米图案是一种高度可反复的、晶圆级的工艺，用在制造纳米光学元件

颠末处置惩罚后，晶圆会经由过程光学及视觉测试举行定位，然后被切割成光学芯片，如图 5 所示。于光学运用中利用的纳米光学器件的尺寸可能小至 1 毫米 1 毫米，而于较厚的基板上则可达 0.1 毫米至数十毫米的面积。

该装备的制造掩模版已往经常采用一种称为 亚波长布局 的技能来制造要害部件，这类布局可以经由过程多种技能（包括全息技能及电子束光刻技能）来实现。因为模具可以复制并反复利用，是以可以采用繁杂的多步调及多工艺要领来创立繁杂的纳米布局图案。因为这些初始的东西建造步调于每一次出产晶圆时无需反复举行，是以投资可以于特定的纳米光学装备的整个出产周期中举行摊销。利用具备差别纳米布局图案的差别模具，可使不异的制造工艺出产出全系列的光学组件。

图五、纳米晶片被切成纳米光学芯片用在光学体系

作为一种晶圆级制造技能，纳米图案化工艺与半导体系体例造有很多配合的长处。它可以经由过程增长晶圆的出产批次，或者者复制制造出产线来实现范围扩大。于统一条出产线上，经由过程选择适合的模具并调解工艺参数，可以出产出差别的器件。它可以作为单步调或者多步调的工艺来运行，从而制造出简朴的单层器件或者繁杂的多层器件。

结论

因为纳米图案化是一种高度可扩大、主动化水平高的纳米光学元件制造工艺，是以可以或许以高产量、低成本举行年夜范围出产，这类出产方式于传统光学范畴凡是是难以实现的。纳米光学所具有的多种光学功效以和易在集成的特色，转变了集成光学元件的设计法则。今朝现有的纳米光学器件 包括偏振器、偏振分束器及合束器、波片及滤波器 可以直策应用在混淆集成。跟着更多纳米光学构建模块功效的呈现，工程师及设计师于集成光学组件（不管是混淆式还有是单片式）时将拥有更年夜的矫捷性。

转自：光子学

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