CN104570184B - 一种可集成窄带微型滤光器 - Google Patents
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Abstract
一种可集成窄带微型滤光器，涉及一种滤光器。设有衬底、介质薄膜层结构和金属光栅；介质薄膜层结构设于衬底上表面，介质薄膜层结构设有至少2层介质薄膜层，每层介质薄膜层的折射率不同，金属光栅设于介质薄膜层结构上表面，金属光栅为一维金属光栅或二维金属光栅。通过调节光栅周期、介质薄膜层折射率和厚度，可以调节滤光器通带的中心波长和带宽。具有较小尺寸，有利于在微光学系统和光电器件中集成应用。用于集成微光学系统、或被集成在光电器件中实现滤光功能。可以制作在透明介质衬底上，做为单元器件在微光学系统中使用，也可以集成在光电器件中做为一个结构单元，对光电器件所发射光实现滤光功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤光器，尤其是涉及基于金属微纳结构的一种可集成窄带微型滤光器。
背景技术
滤光器是光学系统和光电器件中的一个重要组成部分。随着人们对高性能、智能化、便携化光电产品的需求，滤光器的微型化、集成化成为一个重要技术课题。具有高品质、窄带宽的透射性超薄滤光器在微光学系统和器件中尤其具有重要作用，它不仅可以是其中具有滤光功能的独立单元，也可以做为较复杂光电器件的结构单元被集成于其中而发挥滤光功能。
对于微型滤光器，基于Fabry-Perot谐振效应的腔式结构是其中最常用、效果也较好的一种【如以下文献所涉及：1、B.Y.Jung,N.Y.Kim,C.Lee,C.K.Hwangbo,and C.Seoul,Appl.Opt.41,3312(2002)；2、G.Lu,B.Cheng,H.Shen,Y.Zhou,et al.,Appl.Phys.Lett.89,223904(2006)；3、H.Zhang,J.Shi,W.Wang,S.Guo,M.Liu,H.You,and D.Ma,J.Lumin.,122-133,652(2007)；4、Z.Y.Wen,G.Chen,and J.G.Wang,Spectrosc.Spect.Anal.26,1955(2006).】。这种滤光器结构的前后反射镜可以是金属薄膜、或多层周期性介质薄膜组成的布拉格(Bragg)反射镜。这种结构一般受到腔体长度限制，滤光带宽较宽；而要使带宽较窄，就需要反射镜反射系数很大或(和)腔体长度较大；而腔体长度较大时，高次谐振带来较小相邻通带间距。所以这种结构有时不适用于非常紧凑的微型化光学系统和器件对高品质滤光功能的要求。而且要在芯片上集成对应于不同谐振波长的Fabry-Perot谐振腔阵列，就需要使不同单元内谐振腔的长度或(和)腔内介质的折射率不同。这对于目前常用的平面工艺来说，是较难在制造上实现的。自从发现了具有周期性纳米孔阵列的金属薄膜所具有的“异常”透射现象【参见文献：5、T.W.Ebbesen,J.J.Lezec,H.F.Ghaemi,T.Thio,and P.A.Wolff,Nature 391,667(1998)】以来，许多研究开发人员提出了基于此类金属薄膜中周期性纳米孔(或缝)的多种结构，通过改变芯片平面内不同单元内纳米孔(缝)的尺寸、形状和组合【参见文献：6、Z.Sun,Y.S.Jung,and H.K.Kim,Appl.Phys.Lett.83,3021(2003)；7、C.Genet,and T.W.Ebbesen,Nature 445,39(2007)；8、C.Y.Chen,M.W.Tsai,T.H.Chuang,Y.T.Chang,and S.C.Lee,Appl.Phys.Lett.91,063108(2007)；9、A.Battula and S.C.Chen,Appl.Phys.Lett.89,131113(2006)；10、A.P.Hibbins,M.J.Lockyear,and J.R.Sambles,J.Appl.Phys.99,124903(2006)；11、K.H.Su,Q.H.Wei,and X.Zhang,Appl.Phys.Lett.88,063118(2006)；12、C.Cheng,J.Chen,Q.Y.Wu,F.F.Ren,J.Xu,Y.X.Fan,and H.T.Wang,Appl.Phys.Lett.91,111111(2007)】，它们展现了实现新一代集成可调光学滤波器的应用潜力。但是它们也存在一些局限。比如，由于基于其中表面等离激元波(Surface Plasmon，SP)谐振效应，光波在透射的谐振过程中损耗较大，使得这种基于纳米孔(缝)阵列的光学滤波器具有较宽的通带宽度(以半宽高来算，即FWHM，一般为约100～200nm)。
发明内容
本发明的目的在于提供可用于微光学系统和光电器件的一种可集成窄带微型滤光器。
本发明设有衬底、介质薄膜层结构和金属光栅；
介质薄膜层结构设于衬底上表面，介质薄膜层结构设有至少2层介质薄膜层，每层介质薄膜层的折射率不同，金属光栅设于介质薄膜层结构上表面，金属光栅为一维金属光栅或二维金属光栅。
所述衬底可为半导体衬底或透明介质衬底；所述半导体衬底可为用于制作所涉及光电器件的半导体基底材料；所述透明介质衬底可为绝缘体介质薄膜层，如氧化硅(包括石英)、氧化铝、氮化硅、以及塑料或其它聚合物等。
所述金属光栅采用的金属材料可选用良导体，如金、银、铜、铝等，选用的金属材料具有尽可能小的对光的吸收率特性，而且等离子体频率(body plasmon frequency)须大于所适用的光波频率。所述金属光栅的金属层厚度可为20～100nm，金属光栅的周期可为200～10000nm，金属光栅的内开口部分的宽度一般应小于周期一半，优选10～5000nm。所述二维金属光栅可为网状二维金属光栅或岛状二维金属光栅。
所述介质薄膜层结构的介质薄膜层材料可采用绝缘体材料或半导体材料，绝缘体材料可为二氧化硅、氮化硅、氧化铝等；半导体材料可选用在所涉及光谱范围内对光波无吸收或低吸收的半导体材料，如硅、锗、III-V族或II-VI族化合物半导体等。所述介质薄膜层结构的总厚度可为20～2000nm。
本发明提出一种基于金属微纳结构的新型滤光器结构，其通带半高宽可为几十纳米、乃至几纳米，且具有较高的通带透射率。概括地说，它是在一层具有一定尺寸要求的超薄金属纳米光栅结构的下面附加引入了具有多层介质的波导结构。通过调节光栅周期、介质薄膜层折射率和厚度，可以调节滤光器通带的中心波长和带宽。
与现有技术比较，本发明具有如下突出优点：
本发明在原理上完全不同于文献[1-4]中所述的具有Fabry-Perot谐振腔结构的滤光器。跟文献[5-12]中基于金属薄膜中周期性纳米孔(或缝)的滤光器结构相比较，不是基于纳米孔(缝)中表面等离激元波的谐振增强透射来实现滤光，而是通过金属光栅中金属层下方的表面等离激元波模式或金属层中反对称表面等离激元波模式与多层介质薄膜中的光波导模式相互耦合所造成的Fano谐振模式而形成；它具有较窄的滤光通带、和较低的边侧透射带。本发明所述的一种可集成窄带微型滤光器在工艺上与现行的平面微纳加工工艺兼容，具有较小尺寸，有利于在微光学系统和光电器件中集成应用。用于集成微光学系统、或被集成在光电器件中实现滤光功能。本发明介质薄膜中的不同层薄膜材料具有不同的折射率，且在衬底存在情况下在多层介质薄膜中具有折射率较高的一层，从而形成光波导结构，即在透射式金属光栅下方引入一个光波导结构。通过介质结构中光波导模式和金属光栅中等离激元模式的耦合，形成低损耗混合模等离激元模式的Fano谐振模式，其表现为在透射谱上出现一个较窄的通带谱峰，用以实现滤光功能。本发明所述的一种可集成窄带微型滤光器可以制作在透明介质衬底上，做为单元器件在微光学系统中使用，也可以集成在光电器件中做为一个结构单元，对光电器件所发射光实现滤光功能。
附图说明
图1为本发明实施例1(金属光栅为一维金属光栅)的结构示意图(侧视)。
图2为图1的横截面结构示意图。
图3是本发明实施例2(金属光栅为二维金属光栅)的结构示意图(侧视)。
图4是本发明实施例3(金属光栅为岛状二维金属光栅)的结构示意图(侧视)。
图5为基于实施例1结构的计算模型中有关结构尺寸的符号表示及其定义示意图。其中，tm表示金属光栅层的厚度；p表示金属光栅的周期；s表示金属光栅中的缝隙宽度；nL表示具有相对较低折射率的介质薄膜层材料的折射率；nH表示具有相对较高折射率的介质薄膜层材料的折射率；ns表示衬底材料的折射率；tL表示具有相对较低折射率的介质薄膜层厚度；tH表示具有相对较高折射率的介质薄膜层厚度。在计算中设定金属材料为银，衬底介质折射率ns＝nL。
图6为采用有限时域差分法(Finite-Difference Time-Domain,FDTD)模拟计算的如图5所示结构对垂直入射的TM偏振光(入射光偏振方向与光栅条的方向垂直)的透射光谱。其中，金属材料为银；相关介质材料的折射率为ns＝nL＝1.5，nH＝2；结构参数分别为：tm＝40nm,p＝400nm,s＝80nm,tL＝100nm,tH＝200nm。衬底材料足够厚(设为半无限大)。由图6可见，透射光谱中，在真空波长λ≈675nm处有一半高宽为约12nm的谱峰，可做为本发明所述的一种可集成窄带微型滤光器的滤光通带。
图7为采用有限时域差分法模拟计算的如图5所示结构在金属光栅厚度不同时对垂直入射的TM偏振光的透射光谱。其中，金属材料为银；ns＝nL＝1.5，nH＝2；p＝400nm,s＝80nm,tL＝100nm,tH＝200nm；图中不同的tm分别为10nm、40nm和160nm。由图7可以看出，金属光栅的厚度需要在合适大小情况下(如tm＝40nm)才有利于实现本发明所述的一种可集成窄带微型滤光器的高品质(通带带宽窄、较低的边侧透射带)滤光功能。
图8为采用有限时域差分法模拟计算的如图5所示结构在金属光栅周期不同时垂直入射的TM偏振光的透射光谱。其中，金属材料为银；ns＝nL＝1.5，nH＝2；tm＝40nm,s＝80nm,tL＝100nm,tH＝200nm；图中不同的p分别为400nm和800nm。由图8可以看出，滤光通带的中心波长位置可随金属光栅周期的变化实现调变。
图9为采用有限时域差分法模拟计算的如图5所示结构在具有相对较低折射率的介质薄膜层厚度不同时垂直入射的TM偏振光的透射光谱。其中，金属材料为银；ns＝nL＝1.5，nH＝2；p＝400nm,tm＝40nm,s＝80nm,tH＝200nm；图中不同的tL分别为20nm、100nm和200nm。由图9可以看出，滤光通带的带宽随tL的增大而减小，如在tL＝200nm时通带半高宽小到仅为约3nm。
具体实施方式
以下实施例结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
参见图1和2，本实施例1设有衬底11，在衬底11上面设有一层具有相对较高折射率的介质薄膜层12，在介质薄膜层12上面设有一层具有相对较低折射率的介质薄膜层13，在介质薄膜层13上面设有一层周期性一维金属光栅14，在金属光栅14的金属条之间具有缝隙15。衬底11选择透明介质衬底或半导体衬底(半导体衬底可为用于制作所涉及光电器件的半导体基底材料)。介质薄膜层12选择氮化硅、氧化铝等绝缘介质或其它在所涉及光波段具有低吸收、高透射率的半导体材料；介质薄膜层12也可为半导体光电器件中在工作状态下具有较高折射率的有源区材料；介质薄膜层12也可为以上所述介质或(和)半导体材料的多层结构所组成的具有较高折射率的等效介质薄膜层。介质薄膜层13选择氧化硅等绝缘介质或其它在所涉及光波段具有低吸收、高透射率的半导体材料；介质薄膜层13也可为半导体光电器件中在工作状态下具有较低折射率的半导体材料；介质薄膜层13也可为以上所述介质或/和半导体材料的多层结构所组成的具有较低折射率的等效介质薄膜层。金属光栅14的金属材料选用良导体，如金、银、铜或铝等。金属光栅的金属层厚度为20～100nm。金属光栅的周期为200～10000nm。金属光栅内开口部分的宽度小于周期一半，为10～5000nm。介质薄膜层12和介质薄膜层13的总厚度为20～2000nm。具体结构尺寸根据应用情况而设定。
实施例2
参见图3，与实施例1类似。区别在于，金属光栅为网状二维金属光栅。本实施例2设有衬底21，在衬底21上面设有一层具有相对较高折射率的介质薄膜层22，在介质薄膜层22上面有一层具有相对较低折射率的介质薄膜层23，在介质薄膜层23上面有一层周期性网状二维金属光栅24，在网状二维金属光栅24中具有孔隙25。本实施例中，衬底21、介质薄膜层22、介质薄膜层23、二维金属光栅24的材料选择分别与实施例1中衬底11、介质薄膜层12、介质薄膜层13、一维金属光栅14的材料选择相同。
本实施例中各部分结构尺寸的选择范围与实施例1中对应部分的结构尺寸相同，具体结构尺寸依应用而设定。
实施例3
参见图4，与实施例1类似。区别在于，金属光栅为岛状二维金属光栅。本实施例3设有衬底31，在衬底31上面设有一层具有相对较高折射率的介质薄膜层32，在介质薄膜层32上面有一层具有相对较低折射率的介质薄膜层33，在介质薄膜层33上面有一层周期性岛状二维金属光栅34。该实施例中，衬底31、介质薄膜层32、介质薄膜层33、二维金属光栅34的材料选择分别与实施例1中衬底11、介质薄膜层12、介质薄膜层13、一维金属光栅14的材料选择相同。
本实施例中各部分结构尺寸的选择范围与实施例1中对应部分的结构尺寸相同，具体尺寸依应用而设定。
上述实施例1、2和3可做为滤光器独立使用或集成在微光学系统中使用，也可以集成在光电器件中做为一个具有滤光功能的结构单元使用。
本发明所述的一种可集成窄带微型滤光器，在具体实施中，首先根据应用背景、技术需要和制造工艺选择所要采用的器件结构(如实施例1、2或3)，然后再设计所采用器件结构的尺寸。如对于实施例1，首先可以根据应用中对滤光通带中心波长(λ0)的需求和对介质薄膜层12和介质薄膜层13的材料和厚度的要求，估算金属光栅14的周期；然后再通过数值计算模拟和实验验证来进一步优化器件结构的尺寸。在估算过程中，假设已知所涉及衬底、介质及金属材料的折射率以及具有不同折射率的介质薄膜层和金属层的预设厚度，先利用光波导理论用分析法计算具有“空气/金属层/低折射率介质薄膜层/高折射率介质薄膜层/衬底介质”波导结构的对于场主要分布在高折射率介质薄膜层的波导模式的复等效折射率Neff。于是，金属光栅的周期就可为p≈Re(Neff)/λ0；在此只利用其波导模式在一阶谐振条件下的透射谱峰。一般说来对于具体的应用，所涉及材料是基本确定的，于是我们可直接获得其在所涉及光谱范围的折射率分布。于是，在设计和优化过程中，我们主要是确定其结构参数。其中，金属光栅和各介质薄膜层的厚度对Neff有直接影响。一般来说，具有较高折射率的介质薄膜层12不应太厚，可大约在滤光通带中心波长的光在其中的半波长大小，以在所涉及光谱范围只有波导模式的基模存在。对于金属光栅14的厚度，一般应在所涉及光谱范围内的光在该金属中的透射深度的尺度，如几十纳米，不易太厚或太薄(参见图7所示)。对于具有较低折射率的介质薄膜层13，其厚度对滤光通带的带宽具有重要影响，随其厚度增加，通带带宽减小；但其厚度也不易太大，否则所涉及到的出于具有较高折射率介质薄膜层的波导模式和在金属层的表面等离激元波导模式间的耦合将被弱化，或出现其它波导模式，从而导致滤光通带谱峰的劣化；一般其厚度可在滤光通带中心波长的光在其中的亚波长尺度大小。
基于图5中结构所做的数值模拟计算(结果如图6～9所示)表明这种滤光器有如下一些特点。如图6所示，在较大的透射光谱范围内有一个很窄的透射通带，两边无其它在谱峰强度上可以比拟的侧峰，满足高品质滤光器的基本要求。如图7所示，在设计中，金属光栅的厚度需要合适。如金属光栅太薄，背景透射光在较大光谱范围内都会很强；而太厚，则在用于滤光的窄带透射峰的长波长边侧会出现一个带宽较宽、而透射率较高的透射谱峰，这不利于实现高品质(通带带宽窄、较低的边侧透射带)滤光功能。如图8所示，在这种滤光器的设计中，可以通过对金属光栅周期的变化来调节滤光通带中心波长的位置；而且可以在较广的光谱范围内进行调节。如图9所示，在这种滤光器的设计中，可以通过调节低折射率介质薄膜层的厚度来调节滤光通带的带宽。一般来说，低折射率介质薄膜层越厚，滤光通带带宽越小；但是太厚，滤光通带带宽减小同时，滤光通带透射率峰值会变小。所以在器件的设计中需要根据实际需要进行折衷、优化。
Claims (6)
1.一种可集成窄带微型滤光器，其特征在于，设有衬底、介质薄膜层结构和金属光栅；
介质薄膜层结构设于衬底上表面，介质薄膜层结构设有至少2层介质薄膜层，每层介质薄膜层的折射率不同，金属光栅设于介质薄膜层结构上表面，金属光栅为一维金属光栅或二维金属光栅；所述金属光栅的金属层厚度为20～100nm，金属光栅的周期为200～10000nm，金属光栅的内开口部分的宽度为10～5000nm。
2.如权利要求1所述一种可集成窄带微型滤光器，其特征在于，所述衬底为半导体衬底或透明介质衬底；所述半导体衬底用于制作所涉及光电器件的半导体基底材料；所述透明介质衬底为绝缘体介质薄膜层，所述绝缘体介质薄膜层为氧化硅、氧化铝、氮化硅或塑料绝缘体介质薄膜层。
3.如权利要求1所述一种可集成窄带微型滤光器，其特征在于，所述金属光栅采用的金属材料选用金、银、铜或铝。
4.如权利要求1所述一种可集成窄带微型滤光器，其特征在于，所述二维金属光栅为网状二维金属光栅或岛状二维金属光栅。
5.如权利要求1所述一种可集成窄带微型滤光器，其特征在于，所述介质薄膜层结构的介质薄膜层材料采用绝缘体材料或半导体材料，绝缘体材料为二氧化硅、氮化硅或氧化铝；半导体材料选用硅、锗、III-V族或II-VI族化合物半导体。
6.如权利要求1所述一种可集成窄带微型滤光器，其特征在于，所述介质薄膜层结构的总厚度为20～2000nm。
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