深亞波長光柵結構的相位調控器件模型研究.pdf

1、顯示技術為視覺信息提供載體和可視化手段，是信息社會的關鍵技術之一。由于全息技術可以產生完美逼真的三維場景，已被公認是最有前途的3D顯示技術。全息顯示的核心器件是空間光調制器，全息視頻顯示器件需要實現足夠空間帶寬積，即要求器件單元的大小接近光波長，當然還需要有足夠的衍射效率以及2π相位調制量等。目前已商業(yè)化的硅基液晶(LCOS)是一種廣泛使用的空間光調制器，它借助液晶一定盒厚的雙折性變化來實現相位調制，這種機制不利于器件的進一步縮小以達到

2、全息顯示所需要的空間帶寬積。表面等離子激元技術為在亞波長尺度上操縱光提供了有效的方法，包括實現光相位的調制方法，為解決全息視頻顯示所面臨的瓶頸問題提供了新的途徑。
　　本文研究了深亞波長金屬光柵結構和介質光柵結構的光相位調制特性，實現在亞波長尺度操縱光的相位調制。由于金屬-介質-金屬（MDM類波導結構）能夠增強金屬光柵的調制效應而且與已商業(yè)化的LCOS結構類似，可以為將來器件的實際制作提供一定的工藝上的一致性，在設計中我們將考慮使

3、用類LCOS結構。具體的設計是用金屬亞波長光柵代替現在的LCOS頂部ITO電極層，保留原來的液晶層和單元驅動層的結構。雖然結構類似，新器件的液晶層的物理作用完全不同，是一種新穎的相位調制器件模型，能夠實現在亞波長尺度操縱光，并且達到[0，2π]的相位調制范圍。論文的主要研究工作及創(chuàng)新點如下:
　　1)本文針對可見光波段的金屬-介質-金屬三層結構模型和介質-介質-金屬三層結構模型，以深亞波長金屬光柵中Fabry-Perot共振和金屬

4、表面等離子激元(surface plasmon，SP)的耦合物理為基本原理，研究光柵狹縫中水平和垂直的共振機制，分析它們在亞波長尺度操縱光相位的作用，改進了兩種亞波長光柵耦合結構模型，通過FDTD Solution和CST仿真軟件驗證所設計的兩種亞波長光柵耦合結構的性能。
　　2)基于深亞波長金屬光柵的MDM結構，用亞波長光柵結構代替LCOS頂部電極層，以將來可用于全息視頻調制的器件為目標，對此器件的光波場調制的新的物理過程進行形

5、式化描述。當入射光進入金屬光柵狹縫，腔邊緣的反射相位可以用界面的麥克斯韋方程或TM波的磁場來描述。而且，根據液晶雙折性的調制范圍，我們研究了電介質變化對相位調制的影響，尋求達到2π相位線性單調調制的深亞波長金屬光柵幾何結構參數。仿真結果證明在可見光范圍，電介質媒介參數在液晶折射率變化率范圍內，該器件模型可以實現2π相位調制量。所提出的結構模型可以為今后進一步地設計全息視頻顯示器件提供很有價值的基礎。
　　3)通常Au，Ag等金屬被

6、用于等離子體材料，而本文實驗驗證了鋁作為等離子體材料的可行性以及它的優(yōu)勢。在目前有關表面等離子的文獻中鋁通常不被認為是有吸引力的等離子體材料，但是它資源豐富、便宜而且與CMOS兼容，它也被廣泛使用在目前商業(yè)化的空間光調制器中，例如LCOS。但是，眾所周知鋁等離子體特性對材料的幾何形狀很敏感。然而，我們在亞波長光柵耦合結構的設計中有效地克服上述這些問題，模擬結果還發(fā)現當鋁光柵中鋁納米棒的尺度在140nm變化到190nm區(qū)間變化時，所得到的