一种可集成窄带微型滤光器的制造方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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, 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).】。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.ff.Ebbesen, J.J.Lezec, H.F.Ghaemi, T.Th1, and P.A.Wolff, Nature 391，667 (1998)】以来，许多研宄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.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】
[0004]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。
[0005]本发明设有衬底、介质薄膜层结构和金属光栅；
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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?lOOnm，金属光栅的周期可为200?lOOOOnm，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。
[0009]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、II1-V族或I1-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?2000nmo
[0010]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。
[0011]与现有技术比较，本发明具有如下突出优点:
[0012]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】
[0013]图1为本发明实施例1 (金属光栅为一维金属光栅)的结构不意图(侧视)。
[0014]图2为图1的横截面结构示意图。
[0015]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)。
[0016]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)。
[0017]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，乜表不金属光栅层的厚度；p表不金属光栅的周期；s表不金属光栅中的缝隙宽度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；t ^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= n Lο
[0018]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所不结构对垂直入射的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= n L= 1.5，ηΗ= 2 ;结构参数分别为:tm= 40nm, p = 400nm, s = 80nm, t L= lOOnm, t H= 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。
[0019]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= lOOnm, t H= 200nm ;图中不同的 t m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