【摘要】：作為還原真實(shí)色彩的關(guān)鍵器件,彩色濾光器在液晶顯示、圖像傳感器等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值。高色純度、高對(duì)比度、高性能、可集成的彩色濾光器,是未來(lái)的研究和發(fā)展方向。利用亞波長(zhǎng)線性光柵的偏振敏感特性,彩色濾光器的出射光可以根據(jù)入射光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)偏振控制的可調(diào)彩色濾光器,有利于集成化應(yīng)用。同時(shí),隨著微納光學(xué)的不斷發(fā)展,基于薄膜結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)光柵濾光器件進(jìn)一步促進(jìn)了彩色濾光器在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多組件集成系統(tǒng)等更多領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文采用高折射率的HfO_2作為光柵材料,和成本低、易集成的Si作為襯底材料,結(jié)合微納加工工藝,設(shè)計(jì)并制備了兩個(gè)新型的厚度為200nm的薄膜結(jié)構(gòu)的偏振控制的可調(diào)彩色濾光器(CF-I和CF-II)。主要的研究?jī)?nèi)容和成果如下:首先,通過(guò)Rsoft軟件進(jìn)行仿真,經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整,確定了兩組合適的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)偏振控制的可調(diào)彩色濾光器。并結(jié)合仿真的電場(chǎng)分布圖,具體解釋了光柵濾光器件內(nèi)部發(fā)生的導(dǎo)模共振效應(yīng)(GMR)。基于紫外光刻、反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)、深硅刻蝕等微納加工工藝,刻蝕去除HfO_2光柵區(qū)域下方的硅襯底,使得整個(gè)線性光柵上下都被空氣包圍,形成約200nm厚的懸空薄膜結(jié)構(gòu)的硅基氧化鉿光柵濾光器。并設(shè)計(jì)了四個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu),用于支撐整個(gè)薄膜,解決了殘余應(yīng)力的釋放問(wèn)題。采用光鏡、掃描電子顯微鏡(SEM)和原子力顯微鏡(AFM)等設(shè)備,對(duì)制備好的基于懸空薄膜結(jié)構(gòu)的彩色濾光器進(jìn)行了形貌結(jié)構(gòu)表征。整體來(lái)說(shuō),兩個(gè)光柵都制備得非常好,光柵線條流暢,薄膜沒(méi)有任何裂紋。其次,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室自行搭建的角分辨光譜測(cè)量系統(tǒng),對(duì)器件進(jìn)行光譜測(cè)量和性能測(cè)試,并驗(yàn)證Rsoft仿真計(jì)算的正確性。從光譜特性分析可知,在TM和TE偏振正入射的情況下,CF-I的出射光分別中心波長(zhǎng)為485nm的藍(lán)色和中心波長(zhǎng)為553nm的綠色,CF-II出射光的顏色分別中心波長(zhǎng)為582nm的黃色和中心波長(zhǎng)為654nm的紅色。因此,CF-I是偏振控制的綠-藍(lán)可調(diào)彩色濾光器,CF-II是偏振控制的紅-黃可調(diào)彩色濾光器。此外,薄膜結(jié)構(gòu)的硅基氧化鉿光柵濾光器具有體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),并且易于與其他的硅光子器件集成,形成多組件的集成系統(tǒng)。最特別的是,基于薄膜結(jié)構(gòu)的彩色濾光器有可轉(zhuǎn)移的潛力,可以通過(guò)機(jī)械性地釋放懸臂梁,實(shí)現(xiàn)承載光柵的HfO_2薄膜從Si襯底轉(zhuǎn)移到其他襯底上。可轉(zhuǎn)移光電子學(xué)是新興領(lǐng)域,可以應(yīng)用于柔性可穿戴器件等應(yīng)用。本文研究的彩色濾光器可以應(yīng)用于例如圖像傳感器、顯示元件甚至可穿戴設(shè)備。
【圖文】：

業(yè)的重要技術(shù)突破口。作為傳統(tǒng)光學(xué)器件的基本應(yīng)用，微納尺寸的光柵器件在鐳射包裝、公共防偽、顯示照明、綠色能源發(fā)展、光學(xué)元器件產(chǎn)業(yè)化等方面有巨大的發(fā)展?jié)摿�。入射光波長(zhǎng)大于光柵周期，尺寸在微納米級(jí)別，零階衍射波和光柵相互作用，稱(chēng)為亞波長(zhǎng)光柵器件（Subwavelength Grating，SWG）[8-9]。亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)會(huì)激發(fā)產(chǎn)生奇妙的導(dǎo)模共振、表面等離子共振等現(xiàn)象。因此，和常規(guī)光柵器件相比，SWG 有與眾不同的特性，在抗反射濾波器、相位板等方面具有巨大的應(yīng)用潛力[9]。根據(jù)材料結(jié)構(gòu)分類(lèi)，可以把亞波長(zhǎng)光柵器件分為導(dǎo)模共振光柵（Guided Mode ResonantGratings, GMRG）和高對(duì)比光柵（High Contrast Grating, HCG）兩大類(lèi)。如圖 1.1 所示，GMRG由襯底層、波導(dǎo)層、光柵層三層組成，而 HCG 僅由介質(zhì)層、光柵層構(gòu)成，兩者的結(jié)構(gòu)明顯不同。高對(duì)比度光柵就是低折射率介質(zhì)包圍了具有高折射率的周期光柵結(jié)構(gòu)，達(dá)到反射效率高和寬帶的效果。由于這些特性，高對(duì)比度光柵常被用于反射鏡、半導(dǎo)體激光器、光學(xué)濾波器等眾多領(lǐng)域[4-6]。

（b）TE 偏振照明（c）TM 偏振照明（d）非偏振果。旁邊是同一像素的局部放大圖[16]要綜述了近年來(lái)透射型和反射型亞波長(zhǎng)光了金屬納米孔陣列濾光器、金屬-絕緣體-nance，GMR）濾光器等原理和性能，并重示等方面的綜合應(yīng)用[17]。目前，在濾光器還有許多問(wèn)題需要解決，例如減少制備成共振光柵濾波器，，必須先分析器件的光譜兩個(gè)重要的參數(shù)有關(guān)。在正入射的情況下并；在斜入射的情況下，由于消除簡(jiǎn)并，導(dǎo)模
【學(xué)位授予單位】：南京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TB383.2;TB851.7

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1 黃

本文編號(hào)：2620447