当物理结构的尺寸缩小至分子或原子级别，并且至少有一个维度处于纳米尺度范围内时，它们展现出的行为，特别是与能量（例如光）的交互方式，与宏观尺度下的物体截然不同。这种现象对光学系统的意义重大，主要体现在两个方面。首先，这种独特的物理特性为光学元件的设计者开辟了全新的功能领域。其次，通过调整这些纳米结构的尺寸、形状、间距以及所用材料，可以实现近乎无限的光学功能变化，因为最终的光学性能完全由这些微观结构所调控。

如今，光学元件与电路的设计者正面临双重压力：一方面要满足不断提升的性能和功能需求，另一方面还要持续降低成本并缩小产品体积。基于传统大尺寸光学元件构建的光路，尽管经过多年发展已具备一定的效率优势，但在实现消费电子（如光存储、数字成像和显示）、工业光学（如传感器和控制系统）以及光通信（如收发器和光路控制器）等领域所需的成本控制与集成度方面，依然面临重大技术瓶颈。

在设计高性价比的光学元件和电路时，一个核心难题在于，当前的光学器件在与半导体器件的集成度、密度、多样性、可制造性、可用性及可靠性等方面存在明显差距。造成这种差距的关键原因包括：首先，在大多数情况下，实现不同的光学功能往往需要使用不同的物理材料，这就必然涉及多种分散的制造工艺，从而限制了生产效率，阻碍了集成深度的提升，并推高了单个元件的成本。更棘手的是，许多分立光学元件的固有光学特性相对固定，这不仅限制了设计者的选择空间，也降低了设计的可移植性——这与半导体设计中元件的灵活性和可复用性形成了强烈反差。

基于纳米结构的光学组件，即“纳米光学”，为解决上述成本问题提供了新路径，它将集成光学组件的设计推向了新的密度、成本和可靠性水平。通过精确控制光路中纳米结构的尺寸、形状和周期，纳米光学组件可以实现各种实用的光学效果，从而形成一套功能增强的光学元件“构建模块”。这些独立的模块不仅自身拥有卓越的光学性能，还能以多种配置轻松与其他光学材料集成。此外，这些纳米光学模块还能实现自我集成，从而在增加光学组件设计灵活性的同时，减少元件数量，提升组件与系统的可靠性。

图1：纳米光栅结构横截面的扫描电镜照片

何为纳米结构光学元件？

纳米光学元件是基于在光学基板上按周期性排列的纳米级结构而成，这些结构的关键尺寸远小于通过它们的光的波长。对于工作在红外、可见光和紫外波段的应用，这些结构的有效尺寸范围从几百纳米到不足10纳米不等。为了实现预期的光学效果，这些纳米结构只需具备相当于光波长的极小一部分的厚度即可。相比之下，传统光学元件通常需要尺寸远大于光波长的结构，这既是为了实现所需的光学特性，也是为了便于制造。图1展示了一个典型的一维亚波长光栅结构的横截面扫描电镜图像。纳米光学也可以通过一维、二维甚至三维的纳米结构来实现。

根据纳米结构的排布方式及其构成材料，这些器件可以实现以下功能：

• 偏振器

• 偏振分束器和合束器

• 波片

• 滤光片

• 微透镜

• 增透膜和散光涂层

此外，纳米光学结构的精确物理行为可以通过严格的衍射光栅理论以及麦克斯韦方程组的边界条件进行精确模拟。与传统的大尺寸光学结构相比，它们在反射、折射、衍射和干涉方面展现出不同的特性。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。根据其对光波特性（偏振、相位、波长和传播方式）的影响，纳米光学功能大致可分为四类。

图2：纳米光学元件与入射光相互作用，产生透射和反射函数

偏振管理

某些纳米光学器件能够透射一种偏振方向的光，同时反射与之垂直的偏振光。通过调整结构参数和增透膜，可以精确控制透射和反射部分的插入损耗以及它们的消光比，以满足不同应用的需求。亚波长光栅所需的有效层厚度小于1微米。这些特性赋予了纳米光学偏振分束器/合束器一些独特的优势。首先，由于结构尺寸远小于光波长，其形状因子可以做到极其微小，甚至接近入射光束本身的大小。其次，由于纳米结构不吸收光，因此这类偏振分束器/合束器具有很高的功率处理能力。第三，亚波长光栅只表现出零级衍射效应，不存在更高级次的衍射，从而在很宽的波长范围内（例如，同一种光栅结构可在980至1800纳米波段内用作偏振分束器/合束器）都能实现均匀的光学性能，并且具有宽的接受角（相对于垂直入射约±20°）。在其他波段也存在类似效应。

相位与波长管理

同样，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，可以制造出延迟量低至波长千分之一（且具有极佳的横向均匀性）的零级波片。利用特定应用的带宽特性，还可以构建波长管理功能，如窄带和宽带光学滤波器（包括偏振相关和偏振无关的滤波器），以实现各种所需的带宽形状。

传播管理

纳米光学器件还能够调控光的聚焦特性，从而实现增透膜、散光结构、透镜阵列和闪耀光栅等功能。如果与电或磁驱动器结合，还可以构建出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全新的构建模块。集成方式主要有两种：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。

分立式纳米光学器件为混合集成光学电路的设计者提供了更丰富的“工具箱”，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、光耦合效率以及与其它技术的兼容性方面优于传统的大尺寸光学器件。恰当的材料选择可以确保在广泛的光功率和环境要求下性能保持一致。此外，材料的选择或与其他技术的直接集成能够简化跨技术接口的衔接。通过为光学组件和模块设计提供广泛的基础构建模块，纳米光学元件能够催生新的功能，以及功能的新颖组合。

在制造混合集成光学元件方面，纳米光学元件同样优势显著。这些元件的宽视角特性简化了装配过程中的对准要求，从而缩短了制造时间并降低了成本。此外，通过合理选择材料，纳米光学元件具有出色的坚固性（可在-200至400摄氏度的温度范围内工作），使其能够承受各种复杂的制造工艺。

图3：通过组合像素阵列和分层结构，纳米光学可以实现单片集成，从而创造出复杂的光学功能

单片集成与制造

通过一种能够同时制造像素阵列和堆叠式纳米光学结构的单一制造工艺，实现了纳米光学器件的单片集成，从而产生复合的光学效应（图3）。这种技术可以将相邻的光学器件合并为一个单一的器件，例如，在一个光学芯片上同时集成偏振器和波片。加入光敏层则可以构建光学控制电路，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，可以为确定入射光的偏振和相位状态提供高速反馈装置。

纳米图案转移技术

尽管纳米光学器件拥有巨大的潜力和独特的优势，但长期以来，其研究主要停留在理论和模拟层面，因为制造过程困难且成本高昂。为了使这些器件能够适用于大规模、低成本的商业应用，关键在于开发一种制造效率能与半导体制造相媲美的生产技术。

一般来说，纳米级结构可以通过多种方法制造，如电子束光刻、全息光刻、自对准结构生长等。然而，这些方法在商业应用中都有其局限性，包括成本高、工艺复杂、良率低、产量小以及对多种结构生产的适应性有限。纳米图案转移技术是一种晶圆级的光刻制造方法，成功地克服了这些限制。

该工艺包含四个关键步骤：

1. 选取一块刻有目标纳米图案互补结构的母版。

2. 将母版与涂有光刻胶的晶圆接触，将图案转移到光刻胶上。

3. 使用反应离子刻蚀技术选择性去除光刻胶，从而将纳米图案最终转移到目标材料上。

4. 进行后处理，在纳米结构上添加保护性和功能性薄膜层。
   该工艺流程如图4所示。

由于纳米图案转移是通过直接的物理接触而非能量束来创建纳米结构刻蚀掩模，因此可以避免光刻胶中光的衍射、散射和干涉效应对制造分辨率的限制。

图4：纳米图案转移是一种高度可重复的晶圆级工艺，用于制造纳米光学元件

处理完成后，晶圆会经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。用于光学系统的纳米光学器件尺寸可以小至1毫米×1毫米，而在较厚的基板上，尺寸范围可从0.1毫米到数十毫米。制造这些器件所用的母版通常采用一种称为“亚波长结构”的技术来制作关键部件，这种技术可以通过全息、电子束光刻等多种方法实现。由于母版可以被复制并重复使用，因此可以采用复杂、多步骤、多工艺的方法来创建精密的纳米结构图案。由于这些初始的工具制作步骤无需在每次生产晶圆时重复，因此投资成本可以在特定纳米光学设备的整个生产周期中进行分摊。通过使用带有不同纳米结构图案的母版，相同的制造工艺可以生产出全系列的光学组件。

图5：纳米晶圆被切割成纳米光学芯片，用于光学系统

作为一种晶圆级制造技术，纳米图案转移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复制制造生产线来实现规模扩张。在同一条生产线上，通过选择合适的母版并调整工艺参数，可以生产出不同的器件。它既可以作为单步工艺运行，也可以作为多步工艺运行，从而制造出简单的单层器件或复杂的多层器件。

由于纳米图案转移是一种高度可扩展、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难以实现。纳米光学所具备的多种光学功能以及易于集成的特点，正在改变集成光学元件的设计规则。目前已有的纳米光学器件，如偏振器、偏振分束器/合束器、波片和滤波器等，已经可以直接应用于混合集成。随着更多纳米光学“构建模块”功能的涌现，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，将拥有前所未有的灵活性和创造力。