Hoe onderdrukken siliciumcarbidewafels het regenboogeffect?

Dankzij de uitzonderlijk hoge brekingsindex (≥2,6) biedt siliciumcarbide een fundamentele fysieke oplossing voor het elimineren van het 'regenboogeffect' in optische golfgeleiderstructuren. Dit fenomeen ontstaat wanneer omgevingslicht door een AR-golfgeleider gaat; diffractiehoeken variëren afhankelijk van de golflengte, waardoor dispersie ontstaat die wit licht in een regenboogspectrum splitst. De hoge brekingsindex van siliciumcarbide pakt deze uitdaging op twee belangrijke manieren aan:

De hoge brekingsindex zorgt voor een grotere ontwerpflexibiliteit, waardoor het gebruik van fijnere roosterperioden mogelijk wordt. Wanneer de roosterperiode wordt teruggebracht tot nanoschaal, nemen de diffractiehoeken van omgevingslicht aanzienlijk toe - waardoor het licht vaak buiten het waarnemingsbereik van het menselijk oog wordt verschoven - waardoor de zichtbaarheid van afleidend diffractielicht visueel wordt verminderd.

Vanuit het perspectief van golfoptica is de fasevector die door een rooster aan invallend licht wordt verleend, direct evenredig met de golflengte en omgekeerd evenredig met de roosterperiode; bijgevolg resulteert een kleinere periode in een grotere afbuighoek voor het afgebogen licht. Voor licht dat onder grote hoeken invalt, zorgt een te kleine roosterperiode ervoor dat het afgebogen licht verschuift buiten het ringvormige gebied van de K-ruimte van de golfgeleider die geleide modi ondersteunt, waardoor het effectieve gezichtsveld wordt beperkt. Om een ​​breed gezichtsveld met full-colour transmissie in een monolithisch systeem te bereiken, moeten te kleine rasterperioden worden vermeden.

Het voordeel van siliciumcarbide (SiC) bij het verzachten van het 'regenboogeffect' komt fundamenteel voort uit de ontwerpflexibiliteit die wordt geboden door de hoge brekingsindex. Structuren met een hoge brekingsindex comprimeren de effectieve golflengte van licht, waardoor aanzienlijk kleinere roosterperioden mogelijk zijn. Een periode van 300 nm is bijvoorbeeld haalbaar op een SiC-substraat, terwijl op conventionele glassubstraten doorgaans 500 nm vereist is. Bij een vaste invalshoek vermindert dit periodecompressie-effect aanzienlijk de spreidingshoekvariantie over verschillende golflengten. Experimentele gegevens geven aan dat SiC-gebaseerde roosters binnen het zichtbare lichtbereik van 400-700 nm ongeveer 40% minder spreidingshoekvariantie vertonen dan roosters gemaakt van conventionele materialen. Door een geoptimaliseerd ontwerp kan strooilicht dat verantwoordelijk is voor het regenboogeffect weggeleid worden van het zichtbare bereik van het menselijk oog, waardoor de verschijning van regenboogartefacten effectief wordt onderdrukt.

Bovendien wijst onderzoek uit dat het gebruik van een ontwerp met een SiC-substraat in combinatie met een meerlaagse SiO2/TiO2/ITO-dunnefilmstructuur de zichtbare lichtreflectie op het lensoppervlak effectief kan verminderen, waardoor de lichttransmissie wordt verbeterd. Enerzijds minimaliseert de meerlaagse structuur de kleurafwijking veroorzaakt door lichtreflectie, waardoor het regenboogeffect indirect wordt verzacht; aan de andere kant blokkeert de meerlaagse dunne-filmstructuur blauw licht, wat ook helpt het regenboogeffect te verminderen – omdat blauw licht een kortere golflengte heeft en gevoeliger is voor verspreiding, een primaire oorzaak van het regenboogeffect.

De uitzonderlijke hardheid en chemische stabiliteit van siliciumcarbide maken het bij uitstek geschikt voor precisieprocessen zoals nano-imprint-lithografie en elektronenbundellithografie, waardoor de uiterst nauwkeurige fabricage van sub-micron-roosterstructuren mogelijk wordt om het probleem van het regenboogeffect op te lossen.

Bron: xiamenzhongxinjingyan