基于非对称金属包覆介质波导的纳米光刻理论研究

摘要

本文基于非对称金属包覆介质波导，使用棱镜激发该结构中的导模，刻写一维亚波长光栅和二维多层亚波长光子结构。通过分析导模的色散曲线和导模干涉光场分布图，研究一维亚波长光栅和二维多层亚波长光子结构的周期与相关参数的关系。该制备方法成本低廉，操作简单，产出高，为这两种微纳结构的广泛利用提供了重要的理论参考，并且为以后在实验中刻写制备多层亚波长光子结构提供了一种可能的方法。
　　具体研究内容如下：
　　(1)用325nm波长的激光激发由Al膜，光刻胶，和空气组成的非对称金属包覆介质波导结构中的零阶导模，来刻写不同周期，不同深宽比的亚波长光栅。通过零阶导模色散曲线理论分析和有限元方法数值模拟，发现改变光刻胶的厚度和折射率，导模的偏振可以刻写不同周期和不同深宽比的亚波长光栅，并且刻写的亚波长光栅最小周期能够达90nm。
　　(2)基于非对称金属包覆介质波导，利用棱镜耦合方式激发该结构中的TE0导模，通过两束TE0导模干涉，从而在理论上实现刻写周期可调的亚波长光栅。在研究中，我们用TE0导模的色散曲线，研究了TE0导模刻写的亚波长光栅周期与激发光波长、光刻胶厚度和折射率、棱镜之间的关系。再用有限元方法模拟的非对称金属包覆介质波导中TE0导波模式的干涉电场分布进行验证。最后，将TE0导模干涉光刻与表面等离子体干涉光刻进行比较，发现由于TE0导模穿透深度相较于SPP更大，故而可实现在厚光刻胶条件下，改变激发光波长、棱镜折射率、光刻胶折射率、尤其是光刻胶厚度等方法有效调控亚波长光栅的周期。
　　(3)理论研究高阶导模干涉刻写不同周期和层数的多层亚波长光子结构。442nm波长的激光作为激发光源激发非对称金属介质波导中的高阶导模。理论分析导模的色散曲线和数值模拟的导模干涉场分布，详细研究多层亚波长光子结构的周期与光刻胶的厚度和折射率，高阶导模的模序数和偏振的关系。这种制备方法不仅可以制备不同周期和层数的多层亚波长光子结构，而且它的过程简单，成本低廉。

目录

声明

第一章 绪论

1.1光刻

1.2表面等离子体干涉光刻

1.2.1表面等离子体

1.2.2表面等离子体干涉光刻的研究进展

1.3导模干涉光刻

1.3.1导模

1.3.2导模干涉光刻研究进展

1.4主要内容及创新点

第二章零阶导模干涉刻写不同周期亚波长光栅理论研究

2.1理论研究

2.2理论计算结果

2.3本章小结

第三章 TE0导模干涉刻写周期可调亚波长光栅理论研究

3.1 TE0导模干涉光刻结构示意图及基本理论

3.2研究结果与讨论

3.2.1激发光波长对亚波长光栅周期的影响

3.2.2 光刻胶对亚波长光栅周期的影响

3.2.3 棱镜折射率对刻写亚波长光栅的影响

3.2.4 TE0导模干涉刻写亚波长光栅的优势

3.3本章小结

第四章 高阶导模干涉刻写不同周期多层亚波长光子结构理论研究

4.1 理论分析

4.2. 数值计算结果

4.2.1 光刻胶厚度和折射率

4.2.2 导模

4.3本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士期间作者研究成果目录