当物理结构变得非常微小——达到分子或原子尺度，且其中一个或多个维度处于纳米尺度范围内——它们的行为以及与能量（包括光）的相互作用与较大规模的宏观结构有着极大的不同。这对于光学系统来说非常重要，原因有二。首先，这种不同的物理行为为光学元件设计者提供了全新的光学功能领域。其次，改变尺寸、形状、间距和材料几乎为光学功能的变化提供了无限的灵活性，因为实现的光学特性受到纳米级物理结构的调节。

如今，光学元件和电路设计人员面临着双重挑战：既要满足提升性能和功能的要求，又要持续降低成本和缩小尺寸。基于大尺寸光学元件的光学电路虽然得益于多年积累的效率提升，但在实现满足消费电子（如光学数据存储、数字成像和显示）、工业光学（如传感器和控制系统）以及光学通信（如收发器和光路由）等应用所需的成本和集成水平方面，仍面临重大技术障碍。

在设计经济高效的光学元件和电路时面临的一个难题是，当前的光学设备与其半导体同类产品在集成度、密度、多样性、可制造性、可用性和可靠性等方面存在差距。造成这种差距有以下几个关键原因。首先，大多数情况下，不同的光学功能往往只能通过使用不同的物理材料来实现。这进而需要多种离散的制造技术，这限制了生产效率、可实现的集成深度，并提高了单个器件的成本。更糟糕的是，许多离散光学元件的自然光学特性相对固定，这限制了光学元件设计者的选择范围，并降低了设计的可转移性——这与半导体设计元件的高度灵活性和可重复使用性形成了鲜明对比。

基于纳米结构的光学组件——“纳米光学”——通过将集成光学组件的设计提升到密度、成本和可靠性的新水平，解决了这些成本问题。通过控制光路中纳米结构的尺寸、形状和周期，纳米光学组件能够实现广泛的有用光学效果，从而形成一套增强的光学元件构建模块。这些独立的构建模块各自具有出色的光学性能，并能以广泛的配置与其他光学材料轻松集成。此外，纳米光学构建模块能够自我集成，从而在光学组件设计中增加灵活性，同时减少部件数量并提高光学组件和系统的可靠性。

图1、扫描电镜照片的纳米光栅结构的横截面

纳米结构

纳米光学元件是基于在光学基板上按照周期性模式排列的纳米级结构而成的，这些结构的尺寸关键参数远小于通过它们的光的波长。对于红外、可见光和紫外线波长的应用而言，这些结构的有用尺寸范围从几百纳米到小于 10 纳米不等。要实现其预期的光学效果，这些纳米结构只需有一小部分波长的厚度即可。相比之下，常规光学元件通常涉及比光波长大得多的结构，这不仅是为了实现所需的光学特性，也是为了便于制造。图 1 展示了典型一维亚波长光栅结构横截面的扫描电子显微镜（SEM）视图。

纳米光学也可以通过一维、二维或三维的纳米结构来实现。根据纳米结构的配置以及用于构建这些结构的材料成分，这些装置可以发挥以下功能：

• 偏振器
• 偏振光分束器和合束器
• 波片
• 滤光片
• 微透镜
• 防反射和漫反射涂层

而且，纳米光学结构的精确物理行为可以通过严格应用衍射光栅理论以及麦克斯韦方程组的边界条件来加以模拟。与传统的块状光学结构相比，其在反射、折射、衍射和干涉方面表现出不同的特性。

一般来说，光与纳米结构的相互作用会产生透射和反射两部分，如图 2 所示。基于它们所影响的光的特性，纳米光学特性大致可分为四类：偏振、相位、波长和传播。

图2、纳米光学元件与入射光束的相互作用产生透射函数和反射函数

一种极化管理纳米光学器件能够传输一种极化方向的光，并反射其垂直方向的光。通过调整结构参数和抗反射涂层，可以控制传输和反射部分的插入损耗以及它们的消光比，以满足各种应用需求。亚波长光栅所需的有效层厚度小于 1 微米。这些特性带来了纳米光学极化分束器/合束器（PBS/C）的一些独特优势。首先，由于结构尺寸远小于光的波长，其形状因子可以极其微小——接近入射光束的大小。其次，由于纳米结构是非吸收性的，PBS/C 具有高功率处理能力。第三，亚波长光栅仅表现出零级衍射效应，没有更高阶的衍射，从而在较宽的波长范围内实现了均匀的光学性能——例如，相同的物理光栅结构在 980 至 1800 纳米波长范围内作为 PBS/C 使用——并且具有宽的接受角——大约正负 20°相对于垂直入射。在其他波长范围内，同样存在这种效应。

同样地，调整纳米结构的尺寸可以实现诸如相位延迟和波片等相位管理功能。通过合理选择尺寸，可以实现具有波长延迟低至波长的千分之一（且具有出色横向均匀性）的零阶波片。还可以利用特定应用的带宽形状来创建波长管理功能——窄带和宽带光学滤波器（包括具有极化依赖性和极化独立性的滤波器），这些功能可以用于实现各种带宽形状。传播管理纳米光学器件能够控制光的焦点特性，从而产生抗反射涂层、漫射结构、透镜阵列和闪耀光栅。通过结合电或磁驱动器，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能提供了新的构建模块。集成方式有两种：混合集成和单片集成。混合集成是将不同的技术结合起来，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复杂、分层的光学组件。

离散型纳米光学器件为混合集成光学电路设计者提供了更丰富的工具箱选择，带来了诸多优势。单个纳米光学器件通常在密度、光功率处理能力、光耦合以及兼容性等方面优于传统的大尺寸光学器件。恰当选择材料能够确保在广泛的光功率和环境要求范围内具有统一的性能。此外，材料选择或与其他技术的直接集成能够简化跨技术接口。通过为光学组件和模块设计提供广泛的基本构建模块，纳米光学元件能够实现新的功能以及功能的新组合。

纳米光学元件在制造混合集成光学元件方面也具有诸多优势。这些元件的宽视角特性简化了对准过程，从而缩短了制造时间和降低了成本。此外，纳米光学元件的坚固性（通过合理选择材料，它们可在-200 至 400 摄氏度的温度范围内使用）使其能够承受广泛的制造操作。

图3、纳米光学可以通过结合像素阵列和分层来实现单片集成，从而创建复杂的光学功能

通过一种制造工艺实现了纳米光学器件的单体集成，该工艺能够同时制造像素阵列和纳米光学结构堆叠，从而产生聚合的光学效应（图 3）。这种技术能够将相邻的光学器件组合成一个单一器件；例如，在一个光学芯片上合并偏振器和波片。添加光活性层能够构建光学控制电路，从而在“芯片上”制造出复杂的光学组件。例如，一个偏振器/波片纳米结构与光电探测器结合，可以提供一个用于确定入射光的偏振和相位状态的高速反馈装置。

纳米图案转移

尽管纳米光学器件具有诸多潜力和独特优势，但近些年，它们的研究主要还是依靠理论和模拟，因为其制造过程存在困难且成本高昂。为了使这些器件能够适用于大规模、低成本的商业应用，面临的挑战在于开发一种能够接近半导体制造效率的制造技术。

一般来说，纳米级结构可以通过多种方法来制造——电子束光刻、全息光刻技术、自对准结构生长以及其他方法。这些方法中的每一种在商业应用中都有其实际的限制，包括成本、复杂性、良率、体积以及对多种结构生产的应用范围有限。纳米图案转移是一种晶圆级纳米光刻制造方法，它克服了这些限制。该过程包含四个关键步骤：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，使用反应离子蚀刻（RIE）选择性地去除光刻胶以将纳米图案转移到目标材料上；以及后处理以在纳米结构上添加保护性和功能性薄膜层。该过程如图 4 所示。由于纳米图案转移是通过直接的物理过程而非能量束来创建纳米结构蚀刻掩模，因此光刻胶中的波衍射、散射和干涉效应不会限制制造分辨率。

图4、纳米图案是一种高度可重复的、晶圆级的工艺，用于制造纳米光学元件

经过处理后，晶圆会通过光学和视觉测试进行定位，然后被切割成光学芯片，如图 5 所示。在光学应用中使用的纳米光学器件的尺寸可能小至 1 毫米×1 毫米，而在较厚的基板上则可达 0.1 毫米至数十毫米的面积。

该设备的制造掩模版过去常常采用一种称为“亚波长结构”的技术来制造关键部件，这种结构可以通过多种技术（包括全息技术和电子束光刻技术）来实现。由于模具可以复制并重复使用，因此可以采用复杂的多步骤和多工艺方法来创建复杂的纳米结构图案。由于这些初始的工具制作步骤在每次生产晶圆时无需重复进行，因此投资可以在特定的纳米光学设备的整个生产周期中进行摊销。使用具有不同纳米结构图案的不同模具，可以使相同的制造工艺生产出全系列的光学组件。

图5、纳米晶片被切成纳米光学芯片用于光学系统

作为一种晶圆级制造技术，纳米图案化工艺与半导体制造有许多共同的优点。它可以通过增加晶圆的生产批次，或者复制制造生产线来实现规模扩展。在同一条生产线上，通过选择合适的模具并调整工艺参数，可以生产出不同的器件。它可以作为单步骤或多步骤的工艺来运行，从而制造出简单的单层器件或复杂的多层器件。

结论

由于纳米图案化是一种高度可扩展、自动化程度高的纳米光学元件制造工艺，因此能够以高产量、低成本进行大规模生产，这种生产方式在传统光学领域通常是难以实现的。纳米光学所具备的多种光学功能以及易于集成的特点，改变了集成光学元件的设计规则。目前现有的纳米光学器件——包括偏振器、偏振分束器和合束器、波片和滤波器——可以直接应用于混合集成。随着更多纳米光学构建模块功能的出现，工程师和设计师在集成光学组件（无论是混合式还是单片式）时将拥有更大的灵活性。

转自：光子学

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