CN100575998C - 一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器 - Google Patents

Abstract

一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，涉及一种光学滤波器。提供一种基于目前平面微纳加工工艺可实现的阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器。设有衬底，衬底上设下层金属薄膜，在下层金属薄膜上设介质层，在介质层中间镶嵌金属光栅层，在介质层上设上层金属薄膜。金属光栅层设若干阵列单元，在不同的阵列单元内金属光栅的周期不同。因在衬底上的两层金属薄膜之间夹一层镶嵌有金属光栅的介质层，在芯片平面的不同集成单元内金属光栅具有不同的周期，从而调节了不同单元内的等效折射率。当光波通过这种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器时，不同的阵列单元具有不同的谐振波长，于是在谐振波长附近的一定波谱宽度内形成一个透射通带，起到滤波作用。

Description

一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器

技术领域

本发明涉及一种光学滤波器，尤其是涉及一种基于金属微纳结构的谐振腔，用于集成微光学***的阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器。

背景技术

随着科技发展和人们生产、生活对光电产品高性能、智能化和便携化的需求，相关器件的微型化、集成化便成为研究开发的一个重要课题。其中光学滤波器是光电***中的一个重要组成部分。尤其是制备在芯片上的可调变集成光学滤波器，对于彩色显示(参见文献：1、B.Y.Jung，N.Y.Kim，C.Lee，C.K.Hwangbo，and C.Seoul，Appl.Opt.41，3312(2002)；2、S.Han，C.Huang，and Z.H.Lu，J.Appl.Phys.97，093102(2005)；3、H.Zhang，J.Shi，W.Wang，S.Guo，M.Liu，H.You，and D.Ma，J.Lumin.，122-133，652(2007))、芯片级光谱分析(参见文献：4、Z.Y.Wen，G.Chen，and J.G.Wang，Spectrosc.Spect.Anal.26，1955(2006))和生物化学传感(参见文献：5、G.Lu，B.Cheng，H.Shen，Y.Zhou，et al.，Appl.Phys.Lett.89，223904(2006))等都有重要的意义。基于Fabry-Perot谐振效应的滤波器是其中最常用、效果也最好的一种光学滤波器。但是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：6、T.W.Ebbesen，J.J.Lezec，H.F.Ghaemi，T.Thio，and P.A.Wolff，Nature391，667(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：7、Z.Sun，Y.S.Jung，and H.K.Kim，Appl.Phys.Lett.83，3021(2003)；8、C.Genet，and T.W.Ebbesen，Nature 445，39(2007)；9、C.Y.Chen，M.W.Tsai，T.H.Chuang，Y.T.Chang，and S.C.Lee，Appl.Phys.Lett.91，063108(2007)；10、A.Battula and S.C.Chen，Appl.Phys.Lett.89，131113(2006)；11、A.P.Hibbins，M.J.Lockyear，and J.R.Sambles，J.Appl.Phys.99，124903(2006)；12、K.H.Su，Q.H.Wei，and X.Zhang，Appl.Phys.Lett.88，063118(2006)；13、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，跟具有同样厚度的Fabry-Perot滤波器(其中谐振腔两端部分透射和反射的金属膜厚度为～20纳米厚)相比较，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)。同时，当加工这样的纳米孔(缝)已是相当困难、昂贵、而且低效的工艺时，要使不同单元内孔(缝)阵列的结构尺寸有微小的变化，则需要加工精度控制在深纳米量级，这是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于目前平面微纳加工工艺可实现的阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器。

本发明的技术方案是在两层极薄的金属薄膜之间加入一层金属光栅，在不同的器件单元内金属光栅的周期不同，所通过光波的谐振波长也不同，从而实现在谐振波长附近一定波长范围的通带。

本发明设有衬底，在衬底上设有一层金属薄膜(称下层金属薄膜)，在下层金属薄膜上设有介质层，在介质层中间镶嵌着金属光栅层，在介质层上又设有一层金属薄膜(称上层金属薄膜)。金属光栅层设有若干阵列单元，在不同的阵列单元内金属光栅的周期不同。

衬底可为透明介质衬底或半导体衬底，其中的半导体衬底可为已经制作了光电子器件的半导体芯片。

下层金属薄膜、金属光栅和上层金属薄膜的金属材料可选用良导体，如金、银、铜和铝等，选用的金属材料一方面满足尽可能小的对光的吸收率，另一方面满足金属的体等离子体频率(body plasmon frequency)须大于所适用的光波频率。上层金属薄膜和下层金属薄膜的厚度应很小，厚度可为5～100nm。上层金属薄膜和下层金属薄膜之间的间距可为20～1000nm。金属光栅层的厚度可为5～1000nm，金属光栅层的金属光栅的周期可为10～10000nm，金属光栅内开口部分的宽度可为5～10000nm。

设于上层金属薄膜与下层金属薄膜之间的介质层(也是围绕金属光栅的介质)可采用介质材料，如二氧化硅、氮化硅、氧化铝等。介质层的厚度可为20～1000nm。

金属光栅层中的金属光栅可为一维金属光栅或二维金属光栅。

本发明也可以是在微光学***中悬空，即在作用区域将衬底刻蚀刻蚀或结构转移而去掉。

本发明与传统的Fabry-Perot谐振腔滤波器相比较，本发明不是通过谐振腔的长度(即介质层厚度)或谐振腔的介质材料的折射率变化来调变透射光的谐振波长，而是通过改变谐振腔介质内所镶嵌的金属光栅的结构(主要是周期)来调变透射光的谐振波长。本发明在工艺上也较与现行的平面微纳加工工艺兼容，且滤波器的通带宽度(以半高宽评价)和在谐振波长处的透射率都非常相近。本发明与文献(6～13)中所述的纳米孔(缝)滤波器相比较，在工艺难度上大大减小，透射光通带宽度更窄，且谐振波长处的透射率更大，具有多方面的优势。

附图说明

图1为本发明实施例1(采用一维金属光栅)沿垂直于金属光栅条的横截面内的结构示意图。

图2为图1的逐层分解示意图。

图3为本发明实施例2(采用二维金属光栅)沿垂直于金属光栅条的横截面内的结构示意图。

图4为图3的逐层分解示意图。

图5为本发明实施例3(采用网状二维金属光栅)沿垂直于金属光栅条的横截面内的结构示意图。

图6为图5的逐层分解示意图。

图7为本发明实施例4的结构示意图。在图7中，是将实施例1、2或3的不同周期的结构单元集成到一个芯片上，形成阵列型滤波器件，每个单元对应不同的透射谐振波长；单元1：波长λ₁，单元2：波长λ₂，单元3：波长λ₃……单元n：波长λ_n；相应于金属光栅层的周期P1，周期P2，周期P3……周期Pn。

图8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坐标定义。其中黑色区域表示金属，t表示上下两层金属薄膜的厚度，设它们相等；h表示金属光栅的厚度；p表示金属光栅的周期；w表示金属光栅中金属部分在横向的宽度；L表示上下两层金属膜之间的距离；s表示金属光栅与上下两层金属薄膜之间的距离，在计算中设金属光栅位于上下两层金属薄膜的中间；可以看出：L＝h+2s。

图9为用有限时域差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)模拟的如图8所示结构在金属光栅的周期不同时所对应的透射光谱。在图9中，设t＝20nm，L＝200nm，h＝100nm，w＝30nm，s＝50nm，金属为银，结构上下以及上下金属薄膜间的介质都设为空气；横坐标为波长λ(nm)，纵坐标为透射率；其中，不同光谱曲线所对应的不同周期为：p＝100，120，150，200，300，400，800nm；“p＝∞”表示上下两层金属薄膜之间无金属光栅时用有限时域差分法算得得透射光谱；标有“TMM”的曲线表示上下两层金属薄膜之间无金属光栅时用转移矩阵法(Transfer Matrix Method，TMM)算得的透射光谱。

图10为通过建立物理模型计算得到的上下两层金属薄膜之间微纳结构材料等效折射率随周期变化的曲线。在图10中，横坐标为周期p(nm)，纵坐标为等效折射率N_eff；其中标有“AMXMA(TMM)”的曲线是基于图10中用有限时域差分法算得不同周期的谐振波长，将上下两层金属薄膜间的结构和材料视为一种等效介质X，然后基于(空气-金属-等效介质-金属-空气，或简称AMXMA)的多层结构通过转移矩阵法(TMM)找到一个对应于用有限时域差分法所算得的谐振波长的折射率，此即为等效介质X的等效折射率；标有“CWGA”的曲线是视其中的金属光栅为相互耦合的波导阵列，利用有关耦合波导阵列(CoupledWaveguide Arrays，或简称CWGA)理论(参考文献：14、X.Fan，G.P.Wang，J.C.Lee，and C.T.Chan，Phys.Rev.Lett.97，073901(2006))算得的等效折射率随周期变化的曲线。

图11为本发明实施例5的结构示意图。在图11中，以3个超单元为例说明，可有更多的超单元，此结构适用与具有较宽波谱范围滤波的调变；超单元1中包括单元1：波长λ₁，单元2：波长λ₂……单元n：波长λ_n；超单元2中包括单元n+1：波长λn+1，单元n+2：波长λn+2……单元m：波长λm；超单元3中包括单元m+1：波长λm+1，单元m+2：波长λm+2……单元l：波长λl。既是将具有不同厚度(上下两层金属膜之间距离)不同的实施例4结构作为“超单元”集成到一个芯片上，每个超单元对应不同的透射谐振波长范围。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

图1～2给出一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器的单元结构的实施例1的示意图。该结构设有衬底11，在衬底11上面设有下层金属薄膜12，在下层金属薄膜12上面有一层其中镶嵌有一维金属光栅15的介质层14，在介质层14上面再有上层金属薄膜13。衬底11可选择如透明介质衬底或半导体衬底(其中的半导体衬底可为已经制作了光电子器件的半导体芯片)；下层金属薄膜12、上层金属薄膜13和金属光栅层15可选择如金、银、铜和铝等良导体金属材料；介质层14可选择如二氧化硅、氮化硅、氧化铝等高透射率介质材料。下层金属薄膜12和上层金属薄膜13的厚度应与光波在其中的透射深度(～20nm)同量级，如可选择在5～100nm之间。下层金属薄膜12和上层金属薄膜13之间的间距(也即介质层14的厚度)可在20～1000nm之间。金属光栅层15的厚度可在5～1000nm之间。金属光栅层15的周期约在10～10000nm之间。金属光栅层15内开口部分的宽度可在5～10000nm之间。具体尺寸依应用而设计和确定。

图3～4给出一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器的单元结构的实施例2的示意图。该结构设有衬底21，在衬底21上面设有下层金属薄膜22，在下层金属薄膜22上面有一层其中镶嵌有岛状二维金属光栅25的介质层24，在介质层24上面再有上层金属薄膜23。衬底21可选择如透明介质衬底或半导体衬底(其中的半导体衬底可为已经制作了光电子器件的半导体芯片)；下层金属薄膜22、上层金属薄膜23和金属光栅层25可选择如金、银、铜和铝等良导体金属材料；介质层24可选择如二氧化硅、氮化硅、氧化铝等高透射率介质材料。下层金属薄膜22和上层金属薄膜23的厚度应与光波在其中的透射深度(～20nm)同量级，如可选择在5～100nm之间。下层金属薄膜22和上层金属薄膜23之间的间距(也即介质层24的厚度)可在20～1000nm之间。金属光栅层25的厚度可在5～1000nm之间。金属光栅层25在垂直方向上的两个周期都约在10～10000nm之间。金属光栅层25内岛之间的距离可在5～10000nm之间。具体尺寸依应用而设计和确定。

图5～6给出一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器的单元结构的实施例3的示意图。该结构设有衬底31，在衬底31上面设有下层金属薄膜32，在下层金属薄膜32上面有一层其中镶嵌有网状二维金属光栅35的介质层34，在介质层34上面再有上层金属薄膜33。衬底31可选择如透明介质衬底或半导体衬底(其中的半导体衬底可为已经制作了光电子器件的半导体芯片)；下层金属薄膜32、上层金属薄膜33和金属光栅层35可选择如金、银、铜和铝等良导体金属材料；介质层34可选择如二氧化硅、氮化硅、氧化铝等高透射率介质材料。下层金属薄膜32和上层金属薄膜33的厚度应与光波在其中的透射深度(～20nm)同量级，如可选择在5～100nm之间。下层金属薄膜32和上层金属薄膜33之间的间距(也即介质层34的厚度)可在20～1000nm之间。金属光栅层35的厚度可在5～1000nm之间。金属光栅层35在垂直方向上的两个周期都约在10～10000nm之间。金属光栅层35内网孔的边长可在5～10000nm之间。具体尺寸依应用而设计和确定。

图7给出实施例4的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器的示意图。该结构设有衬底41，在衬底41上面设有下层金属薄膜42，在下层金属薄膜42上面有一层其中镶嵌有金属光栅45(为实施例1、2或3中的一维或二维金属光栅)的介质层44，在介质层44上面再有上层金属薄膜43。其中该实施例中集成了不同单元内的结构于同一芯片上，各单元为实施例1、2或3的结构，但在不同单元内金属光栅的周期(P1，P2，P3，...，Pn)随在芯片上的位置变化而不同，不同的单元也对应于不同的透射谐振波长(λ1，λ2，λ3，...，λn)。其中，器件各部分的材料选择和结构尺寸可选择如前面实施例1、2或3的材料和结构来确定。对于芯片上不同的结构单元具有相同厚度和相连的下层金属薄膜42、上层金属薄膜43以及介质层44。

实施例1、2、3可作为光学滤波器独立使用或集成在其它微光学***中使用，也可以集成在同一芯片上如实施例4，形成阵列结构使用。

对于本发明的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，在具体实施中，可以首先根据需要和所具备的制造工艺选择所要采用的器件结构(如实施例1、2、3、或4)，然后再设计所器件结构的尺寸。如对于实施例1和采用实施例1为单元结构的实施例4，初步地，正向设计可首先根据CWGA理论(参见文献14)的计算金属光栅的等效折射率与金属光栅结构尺寸之间的关系，然后在利用转移矩阵法确定基于所得上下两层金属膜间等效介质的透射谐振波长与等效折射率之间的关系，这样也就确定了透射谐振波长与金属光栅结构尺寸(尤其是其周期)之间的关系，从而可以根据需要来设计器件结构。在CWGA理论的应用中，金属光栅可以被看作是横向相互耦合的波导阵列，光波通过作为等效介质的波导阵列时的等效折射率可以定义为：N_eff＝Re(β/k₀)，其中k₀＝2π/λ₀是光波在真空中的波矢，λ₀是真空波长，β＝(β_s+β_a)/2是光波在波导阵列中的传播常数，β_s和β_a分别是光波在波导阵列中传播时对称和反对称模式的传播常数，它们由下式计算：

$\frac{(1-b)}{(1+b)}=\±e^{\mathrm{wq}},$

其中b＝[(ε_mκ+ε_dq)-(ε_mκ-ε_dq)e^-2κ(p-w)]ε_mκ/[(ε_mκ+ε_dq)+(ε_mκ-ε_dq)e^-2κ(p-w)]ε_dq， $\mathrm{\κ}=\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_d},$ $q=\sqrt{{\mathrm{\β}}_{s,a}^2-k_0^2{\mathrm{\ϵ}}_m},$ ε_d和ε_m是构成等效介质的金属光栅(也即波导阵列)中介质和金属的介电常数，“±”表示相邻波导间的对称和反对称耦合。图10中标有“CWGA”的曲线给出了用此法算得的对于不同金属光栅周期的等效介质的等效折射率N_eff与周期之间的关系(设t＝20nm，L＝200nm，h＝100nm，w＝30nm，s＝50nm，金属为银，结构上下以及上下金属薄膜间的介质都设为空气)。

在设计中，如果所需包括的波谱范围较广，但是由于受到制造工艺和物理本质因素的限制而使可以调变的波长范围不能够宽时，可在较大的尺度范围内(比如几十微米)由多个实施例1、2或3结构单元组成一个“超单元”(如实施例4)，在不同的“超单元”设计不同的谐振腔长度(即上下两层金属膜间的距离)，由多个“超单元”构成整个器件，如图11所示实施例5。其中51为衬底，52为衬底上的金属薄膜，53为各个超单元中镶嵌有金属光栅的介质层，54为各个超单元中位于介质层上的金属薄膜。

Claims (9)

1.一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于设有衬底，在衬底上设有下层金属薄膜，在下层金属薄膜上设有介质层，在介质层中间镶嵌着金属光栅层，在介质层上又设有上层金属薄膜，金属光栅层设有若干阵列单元，在不同的阵列单元内金属光栅的周期不同。

2.如权利要求1所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于衬底为透明介质衬底或半导体衬底。

3.如权利要求2所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于半导体衬底为已经制作了光电子器件的半导体芯片。

4.如权利要求1所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于下层金属薄膜、金属光栅和上层金属薄膜的金属材料为良导体，良导体选自金、银、铜或铝。

5.如权利要求1所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于上层金属薄膜和下层金属薄膜的厚度为5～100nm。

6.如权利要求1或5所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于上层金属薄膜和下层金属薄膜之间的间距为20～1000nm。

7.如权利要求1所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于金属光栅层的厚度为5～1000nm。

8.如权利要求1所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于介质层为二氧化硅介质层、氮化硅介质层或氧化铝介质层；介质层的厚度为20～1000nm。

9.如权利要求1或7所述的一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器，其特征在于金属光栅层中的金属光栅为一维金属光栅或二维金属光栅。

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