Nano Lett：用于定向可见光控制的倾斜TiO2光栅

论文信息：

Xiang Gao，Shuo Dong，Xiaolong Wang，Tong-Huai Cheng，Shixin Sun，Muhan Tang，Kaidong Xu，Feng Luo，Scalable Wafer-Level Fabrication of Slanted TiO2 Gratings for Directional Visible Light Control，Nano Letters，2025.

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c04104

研究背景

增强现实（AR）作为革命性显示技术，在娱乐、教育、人机交互等领域应用前景广阔。在多种近眼显示结构（如轴向分束器、级联反射镜阵列、衍射光波导（DOW））中，DOW因具备紧凑结构且兼容传统光学玻璃的优势，被视为最具潜力的解决方案。在DOW系统里，显示光需经耦合器结构以特定角度耦合进入平面波导，借助全内反射（TIR）实现传播，最终通过输出耦合器区域出射，形成用户可见的AR图像。而耦合结构对DOW内光路控制起着关键作用，其需将入射光偏转至临界角之外，以维持全内反射。

因此，研究人员基于严格耦合波分析（RCWA）和粒子群优化（PSO）构建设计方法，针对AR波导应用的大角度衍射需求优化光栅参数（周期550nm、占空比0.32、高度350nm、倾斜角30°）。实验制备的倾斜TiO2光栅在 532nm TM 偏振正入射下，一级衍射角达75°，效率39.1%，且在光谱范围内一级透射效率（T1）占优，532nm 处相对强度比约 66%，衍射效率角分布显示出强角度选择性，有效抑制零级（T₀）和负一级（T-1）衍射，与模拟趋势一致，验证了其定向光操控能力。同时，将该设计扩展到DOW应用，通过分割输出耦合器区域并独立优化，实现92%的平均输出均匀性，证明了该光栅在AR波导系统中的适用性。

研究内容

图1a展示了在这项工作中设计的倾斜的TiO2光栅的示意图，其特点是通过将光栅侧壁倾斜成一定角度来引入故意的面外不对称。与表现出面外对称性的传统垂直光栅不同，这种倾斜的几何形状会沿光传播方向产生空间变化的有效指数。因此，光栅赋予线性相位调制，从而实现光场的定向重新分配。研究人员采用了完善的RCWA-PSO优化框架（图1b） 以数值方式确定最佳参数组合。优化的目的是最大化+一阶传输效率（T1)。此外图1d 证明了性能对倾斜角制造误差的敏感性。具体来说，引入10°偏差，其中AngleR =20°（AngleL固定为 30°）会导致T1相对显著减少40%。这一结果凸显了保持角度对称性（AngleL≈ AngleR）对于实现高衍射性能的至关重要性。

图1（a）倾斜光栅示意图和设计参数，包括周期、高度、填充系数和倾斜角度（AngleL和AngleR）；（b）用于优化+一阶传输效率的粒子群优化（PSO）流程图（T1)；（c）数值计算的波长相关0次（T0）、+ 优先（T1），一阶（T–1）和总（T总）TM偏振532nm照明下的透射效率。计算参数：p=550 nm;填充系数=0.32;H=350nm;角度L=角度 R=30°。（d）侧壁偏差AngleR-AngleL（AngleL固定在30°）对T1。10°不匹配会导致 T1下降40%衍射效率。

在之前的设计框架的基础上，该设计方法可以扩展到DOW 应用程序。图2a描绘了集成倾斜TiO2的平面DOW光栅作为内耦合器和外耦合元件。该架构允许通过TIR将光从微型显示器注入用户的视野。鉴于波导的毫米级厚度和高折射率（n=2.0），可以采用几何射线光学来模拟内耦合器和外耦合器之间的光束传播。为确保均匀的输出效率，外耦合器区域分为四个部分。如果没有这样的划分，将由于传播衰减而导致强度分布不均匀，因此，每个段都使用图1b，目标是T1和零阶反射率效率（R0），如图2b。这种分割策略平衡了沿波导的光提取并扩大了有效眼盒。

图2(a)一维扩瞳衍射光波导示意图。(b)外耦合器分为四段的数值模拟示意图。使用图1b中的PSO框架，每个区段分别针对+一阶透射率(T1)和0阶反射率(R0)进行了独立优化，确保了整个输出场的均匀光提取。

图3a说明了晶圆级制造TiO2的完整过程倾斜光栅，包括IL、ICP、NIL和通过 RIBE 的倾斜蚀刻。此外，该工艺可以针对DOW制造进行扩展和优化。光栅周期设计为550 nm(见图1c)，根据光学干涉方程，IL光束入射角设置为14°，选择17.86mJ/cm2的曝光剂量以获得如图3b所示的高对比度光栅。图3d显示NIL结果的俯视图SEM 图像，确认了高图案保真度。为了评估过程的重现性，在20个2英寸上重复 NIL过程，晶圆和AFM测量证实了20个样品的图案保真度均匀，验证流程的稳健性和可扩展性。

图3 (a)可伸缩倾斜二氧化钛光栅的制作工艺示意图。该工艺包括三个主要阶段：i.使用干涉光刻和电感耦合等离子体刻蚀技术制造硅母模；ii.通过零刻蚀将图案转移到镀铬的二氧化钛晶片上；以及iii.通过一系列的ICPCr刻蚀、光刻胶去除、斜角Ribe和铬湿法刻蚀来完成最终的图案转移。(b)干涉光刻光栅的侧视扫描电子显微镜图像。(c)硅母模在电感耦合等离子体刻蚀和光刻胶去除后的图像。(d)近红外线转移图案的俯视扫描电子显微镜图像。

图4a展示了衍射效率表征的光学测量装置示意图，该装置由准直激光光源、旋转样品台和光电探测器组成，用于精准检测不同条件下光栅的衍射信号。图 4b 呈现了通过反应离子束刻蚀（RIBE）制备的倾斜 TiO2光栅的顶部和侧面扫描电子显微镜（SEM）图像，清晰显示出光栅具有一致的30°侧壁倾斜角，且占空比接近优化设计的0.32，验证了制备工艺的高精度。图4c为波长相关的透射光谱，涵盖零级（T0）、一级（T1）和负一级（T-1）衍射，结果表明在测试光谱范围内，一级透射效率（T1）始终占据主导地位，进一步证明了光栅对特定衍射级次的选择性增强作用。图4d展示了不同出射角度下各衍射级次的透射率及一级衍射级次的相对透射率，可见一级衍射效率在75°附近呈现尖锐峰值，且有效抑制了T0和T-1，与设计目标一致，证实了该光栅在增强现实（AR）波导应用中高效定向光操控的能力

图4(a)用于表征衍射效率的光学测量装置示意图，包括准直激光光源、旋转样品台和光电探测器；(b)通过Ribe制作的倾斜的二氧化钛光栅的顶视和侧视扫描电子显微镜图像，显示一致的侧壁角度为30°，填充因子接近0.32。(C)T1、T0和T−1的波长相关透过率光谱；(d)不同发射角下不同级数的透过率和相应的+一阶衍射级的相对透过率。

结论与展望

综上所述，研究人员成功开发出整合干涉光刻（IL）、纳米压印光刻（NIL）、电感耦合等离子体（ICP）刻蚀和反应离子束刻蚀（RIBE）的倾斜 TiO2光栅晶圆级制备框架。该框架能实现晶圆级区域的一步图案复制与精确角度控制，制备出厘米级、均匀性佳且设计灵活的倾斜光栅，解决了传统方法在角度控制、结构均匀性和可扩展性上的难题。未来可探索更优的TiO2沉积技术，减少纳米晶域影响，提升薄膜光学性能以提高衍射效率；同时，可进一步优化制备工艺各环节（如IL的曝光剂量、NIL的压印参数、RIBE的气体配比等），提高光栅结构的精度与均匀性。面外不对称纳米结构还能实现连续域束缚态（BIC）、手性超表面等新颖物理现象，可基于本研究的晶圆级制备框架，突破传统面内不对称的设计维度，探索这些新颖物理现象在光子学领域的应用。此外，该制备框架还可兼容氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）等其他材料体系，为先进光子学研究和实际光学技术发展提供更多可能，兼具实用制造价值与拓展设计自由度，有望开启新的研究机遇。