一種可集成窄帶微型濾光器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種濾光器，尤其是涉及基于金屬微納結(jié)構(gòu)的一種可集成窄帶微型濾光器。
【背景技術(shù)】
[0002]濾光器是光學系統(tǒng)和光電器件中的一個重要組成部分。隨著人們對高性能、智能化、便攜化光電產(chǎn)品的需求，濾光器的微型化、集成化成為一個重要技術(shù)課題。具有高品質(zhì)、窄帶寬的透射性超薄濾光器在微光學系統(tǒng)和器件中尤其具有重要作用，它不僅可以是其中具有濾光功能的獨立單元，也可以做為較復(fù)雜光電器件的結(jié)構(gòu)單元被集成于其中而發(fā)揮濾光功能。
[0003]對于微型濾光器，基于Fabry-Perot諧振效應(yīng)的腔式結(jié)構(gòu)是其中最常用、效果也較好的一種【如以下文獻所涉及:1、B.Y.Jung, N.Y.Kim, C.Lee, C.K.Hwangbo, andC.Seoul, App1.0pt.41, 3312 (2002) ;2、G.Lu, B.Cheng, H.Shen, Y.Zhou, et al., App1.Phys.Lett.89, 223904 (2006) ;3、H.Zhang, J.Shi, ff.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).】。這種濾光器結(jié)構(gòu)的前后反射鏡可以是金屬薄膜、或多層周期性介質(zhì)薄膜組成的布拉格(Bragg)反射鏡。這種結(jié)構(gòu)一般受到腔體長度限制，濾光帶寬較寬；而要使帶寬較窄，就需要反射鏡反射系數(shù)很大或(和)腔體長度較大；而腔體長度較大時，高次諧振帶來較小相鄰?fù)◣чg距。所以這種結(jié)構(gòu)有時不適用于非常緊湊的微型化光學系統(tǒng)和器件對高品質(zhì)濾光功能的要求。而且要在芯片上集成對應(yīng)于不同諧振波長的Fabry-Perot諧振腔陣列，就需要使不同單元內(nèi)諧振腔的長度或(和)腔內(nèi)介質(zhì)的折射率不同。這對于目前常用的平面工藝來說，是較難在制造上實現(xiàn)的。自從發(fā)現(xiàn)了具有周期性納米孔陣列的金屬薄膜所具有的“異?！蓖干洮F(xiàn)象【參見文獻:5、T.ff.Ebbesen, J.J.Lezec, H.F.Ghaemi, T.Th1, and P.A.Wolff, Nature 391，667 (1998)】以來，許多研宄開發(fā)人員提出了基于此類金屬薄膜中周期性納米孔(或縫)的多種結(jié)構(gòu)，通過改變芯片平面內(nèi)不同單元內(nèi)納米孔(縫)的尺寸、形狀和組合【參見文獻:6、Z.Sun, Y.S.Jung, and
H.K.Kim, Appl.Phys.Lett.83, 3021 (2003) ;7、C.Genet, and T.ff.Ebbesen, Nature445，39 (2007) ;8、C.Y.Chen, M.ff.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.ffu, F.F.Ren, J.Xu, Y.X.Fan, and Η.T.Wang, App1.Phys.Lett.91, 111111(2007)】，它們展現(xiàn)了實現(xiàn)新一代集成可調(diào)光學濾波器的應(yīng)用潛力。但是它們也存在一些局限。比如，由于基于其中表面等離激元波(Surface Plasmon，SP)諧振效應(yīng)，光波在透射的諧振過程中損耗較大，使得這種基于納米孔(縫)陣列的光學濾波器具有較寬的通帶寬度(以半寬高來算，即FWHM，一般為約100?200nm)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供可用于微光學系統(tǒng)和光電器件的一種可集成窄帶微型濾光器。
[0005]本發(fā)明設(shè)有襯底、介質(zhì)薄膜層結(jié)構(gòu)和金屬光柵；
[0006]介質(zhì)薄膜層結(jié)構(gòu)設(shè)于襯底上表面，介質(zhì)薄膜層結(jié)構(gòu)設(shè)有至少2層介質(zhì)薄膜層，每層介質(zhì)薄膜層的折射率不同，金屬光柵設(shè)于介質(zhì)薄膜層結(jié)構(gòu)上表面，金屬光柵為一維金屬光柵或二維金屬光柵。
[0007]所述襯底可為半導(dǎo)體襯底或透明介質(zhì)襯底；所述半導(dǎo)體襯底可為用于制作所涉及光電器件的半導(dǎo)體基底材料；所述透明介質(zhì)襯底可為絕緣體介質(zhì)薄膜層，如氧化硅(包括石英)、氧化鋁、氮化硅、以及塑料或其它聚合物等。
[0008]所述金屬光柵采用的金屬材料可選用良導(dǎo)體，如金、銀、銅、鋁等，選用的金屬材料具有盡可能小的對光的吸收率特性，而且等離子體頻率(body plasmon frequency)須大于所適用的光波頻率。所述金屬光柵的金屬層厚度可為20?lOOnm，金屬光柵的周期可為200?lOOOOnm，金屬光柵的內(nèi)開口部分的寬度一般應(yīng)小于周期一半，優(yōu)選10?5000nm。所述二維金屬光柵可為網(wǎng)狀二維金屬光柵或島狀二維金屬光柵。
[0009]所述介質(zhì)薄膜層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)薄膜層材料可采用絕緣體材料或半導(dǎo)體材料，絕緣體材料可為二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等；半導(dǎo)體材料可選用在所涉及光譜范圍內(nèi)對光波無吸收或低吸收的半導(dǎo)體材料，如硅、鍺、II1-V族或I1-VI族化合物半導(dǎo)體等。所述介質(zhì)薄膜層結(jié)構(gòu)的總厚度可為20?2000nmo
[0010]本發(fā)明提出一種基于金屬微納結(jié)構(gòu)的新型濾光器結(jié)構(gòu)，其通帶半高寬可為幾十納米、乃至幾納米，且具有較高的通帶透射率。概括地說，它是在一層具有一定尺寸要求的超薄金屬納米光柵結(jié)構(gòu)的下面附加引入了具有多層介質(zhì)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)光柵周期、介質(zhì)薄膜層折射率和厚度，可以調(diào)節(jié)濾光器通帶的中心波長和帶寬。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下突出優(yōu)點:
[0012]本發(fā)明在原理上完全不同于文獻[1-4]中所述的具有Fabry-Perot諧振腔結(jié)構(gòu)的濾光器。跟文獻[5-12]中基于金屬薄膜中周期性納米孔(或縫)的濾光器結(jié)構(gòu)相比較，不是基于納米孔(縫)中表面等離激元波的諧振增強透射來實現(xiàn)濾光，而是通過金屬光柵中金屬層下方的表面等離激元波模式或金屬層中反對稱表面等離激元波模式與多層介質(zhì)薄膜中的光波導(dǎo)模式相互耦合所造成的Fano諧振模式而形成；它具有較窄的濾光通帶、和較低的邊側(cè)透射帶。本發(fā)明所述的一種可集成窄帶微型濾光器在工藝上與現(xiàn)行的平面微納加工工藝兼容，具有較小尺寸，有利于在微光學系統(tǒng)和光電器件中集成應(yīng)用。用于集成微光學系統(tǒng)、或被集成在光電器件中實現(xiàn)濾光功能。本發(fā)明介質(zhì)薄膜中的不同層薄膜材料具有不同的折射率，且在襯底存在情況下在多層介質(zhì)薄膜中具有折射率較高的一層，從而形成光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即在透射式金屬光柵下方引入一個光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過介質(zhì)結(jié)構(gòu)中光波導(dǎo)模式和金屬光柵中等離激元模式的耦合，形成低損耗混合模等離激元模式的Fano諧振模式，其表現(xiàn)為在透射譜上出現(xiàn)一個較窄的通帶譜峰，用以實現(xiàn)濾光功能。本發(fā)明所述的一種可集成窄帶微型濾光器可以制作在透明介質(zhì)襯底上，做為單元器件在微光學系統(tǒng)中使用，也可以集成在光電器件中做為一個結(jié)構(gòu)單元，對光電器件所發(fā)射光實現(xiàn)濾光功能。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明實施例1 (金屬光柵為一維金屬光柵)的結(jié)構(gòu)不意圖(側(cè)視)。
[0014]圖2為圖1的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明實施例2 (金屬光柵為二維金屬光柵)的結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視)。
[0016]圖4是本發(fā)明實施例3 (金屬光柵為島狀二維金屬光柵)的結(jié)構(gòu)示意圖(側(cè)視)。
[0017]圖5為基于實施例1結(jié)構(gòu)的計算模型中有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的符號表示及其定義示意圖。其中，乜表不金屬光柵層的厚度；p表不金屬光柵的周期；s表不金屬光柵中的縫隙寬度表示具有相對較低折射率的介質(zhì)薄膜層材料的折射率；nH表示具有相對較高折射率的介質(zhì)薄膜層材料的折射率；ns表示襯底材料的折射率；t ^表示具有相對較低折射率的介質(zhì)薄膜層厚度；tH表示具有相對較高折射率的介質(zhì)薄膜層厚度。在計算中設(shè)定金屬材料為銀，襯底介質(zhì)折射率ns= n Lο
[0018]圖6為采用有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)模擬計算的如圖5所不結(jié)構(gòu)對垂直入射的TM偏振光(入射光偏振方向與光柵條的方向垂直)的透射光譜。其中，金屬材料為銀；相關(guān)介質(zhì)材料的折射率為ns= n L= 1.5，ηΗ= 2 ;結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為:tm= 40nm, p = 400nm, s = 80nm, t L= lOOnm, t H= 200nm。襯底材料足夠厚(設(shè)為半無限大)。由圖6可見，透射光譜中，在真空波長λ ~ 675nm處有一半高寬為約12nm的譜峰，可做為本發(fā)明所述的一種可集成窄帶微型濾光器的濾光通帶。
[0019]圖7為采用有限時域差分法模擬計算的如圖5所示結(jié)構(gòu)在金屬光柵厚度不同時對垂直入射的TM偏振光的透射光譜。其中，金屬材料為銀；ns= nL= 1.5，nH= 2 ；p = 400nm, s=80nm, tL= lOOnm, t H= 200nm ;圖中不同的 t m分別為 10nm、40nm 和 160nm。由圖 7 可以看出，金屬光柵的厚度需要在合適大小情況下(如tm= 40nm)才有利于實現(xiàn)本發(fā)明所述的一種可集成窄帶微型濾光器的高品質(zhì)(通帶帶寬窄