CN111257982A - 一种单晶硅光栅导模共振滤波器 - Google Patents

一种单晶硅光栅导模共振滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单晶硅光栅导模共振滤波器。滤波器基于单晶硅光栅制作导模共振结构，实现对线偏振光的光谱滤波，并通过改变单晶硅光栅的周期和高折射率薄膜的厚度来调节共振峰。其中TM线偏振光滤波器包括高折射率薄膜层锗、单晶硅光栅层；TE线偏振光滤波器包括二氧化硅薄膜层、锗薄膜层及单晶硅光栅层。TM、TE模式的线偏振光垂直入射到单晶硅三角形光栅上，在反射方向上实现对入射光谱的滤波。该反射滤光片结构中的单晶硅光栅采用湿法刻蚀，结构加工无需进行反应离子刻蚀，降低了此类器件的制备成本和难度。

Description

一种单晶硅光栅导模共振滤波器
技术领域
本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种单晶硅光栅导模共振滤波器。
背景技术
导模共振滤波器是一种新型的、独特的光学滤波器，它能在较宽的波长范围内以接近100％的效率反射窄带的波长，在具有适当高空间频率的衍射元件施加的零阶条件下，可以实现共振，使得所有高阶衍射波都消失。共振波导光栅滤波器由于其独特的性能和简单的结构，为新型滤波器的设计提供了一种潜在的选择。此外，导模共振滤波器在生物传感器、宽带反射器和偏振器等领域有着广泛的应用。然而，尽管导模共振滤波器具有独特的优点，但周期、槽深、导波层厚度等参数对其影响很大。目前，许多工作都集中在改进导模共振滤波器的设计上，以降低制造难度并且获得高质量的性能。目前为止，导模共振滤波器的制备过程中，大部分是通过离子束刻蚀来转移掩模的，而在实际制作过程中，掩模的准确转移、刻蚀时间和刻蚀率的控制对滤波器的最终性能表现起重要作用，并且离子束刻蚀机是一种昂贵的设备，这无疑提高了这种器件的加工成本。
由此可见，现有技术中的导模共振滤波器的制造具有成本高昂的缺点。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种单晶硅光栅导模共振滤波器。
为实现本发明的目的，提供一种单晶硅光栅导模共振滤波器，包括：锗薄膜层和单晶硅光栅层；所述单晶硅光栅层的顶端具有多个尺寸相同的锯齿状突起，各个锯齿状突起的底边均在底边直线上，各个锯齿状突起的两条侧边与底边直线所成的夹角相等；所述锗薄膜层为将锗镀在所述锯齿状突起的表面形成的第一薄膜层；所述锗薄膜层是入射面，亦是反射面，用于接收垂直入射的TM线偏振光，然后再作为反射面用于反射出反射光线。
其中在一个实施例中，所述TM线偏振光以垂直于所述底边直线的方向入射到所述锗薄膜层表面，再从所述锗薄膜层表面反射出来得到反射光线，所述反射光线是0级光，反射方向跟入射方向完全相反。
在一个实施例中，所述单晶硅光栅层构成所述单晶硅光栅导模共振滤波器的基底。
其中在一个实施例中，所述单晶硅光栅层的各组侧面相互平行。
在一个实施例中，所述单晶硅光栅导模共振滤波器还包括：二氧化硅抗反层，所述二氧化硅抗反层为将二氧化硅镀在所述锗薄膜层表面形成的第二薄膜层。
在一个实施例中，所述TE线偏振光以垂直于所述底边直线的方向入射到所述二氧化硅抗反层表面，再从所述二氧化硅抗反层表面反射出来得到反射光线，所述反射光线是0级光，反射方向跟入射方向完全相反。
在一个实施例中，各个锯齿状突起的底边长范围设定为1-2μm。
在一个实施例中，所述第一薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
其中，所述夹角等于54.74度。
其中，所述第二薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
上述单晶硅光栅导模共振滤波器，利用单晶硅的各向异性，通过采用化学湿法刻蚀来制备单晶硅光栅结构，为基于单晶硅光栅的导模共振滤波器的制作提供了更方便的途径。并且，这种单晶硅导模共振滤波器制备工艺简单，避免了使用离子束刻蚀机这样的昂贵设备，减低了制作成本，经济效益高，应用广泛。
附图说明
图1是一个实施例的针对TM偏振光的单晶硅导模共振滤波器结构示意图；
图2是一个实施例的针对TE偏振光的单晶硅导模共振滤波器结构示意图；
图3是一个实施例的TM线偏振光入射下的反射谱线仿真图；
图4是一个实施例的TE线偏振光入射下的反射谱线仿真图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1所示，图1为一个实施例中，针对TM偏振光的单晶硅导模共振滤波器结构示意图，包括：锗薄膜层1和单晶硅光栅层2；所述单晶硅光栅层2的顶端具有多个尺寸相同的锯齿状突起，各个锯齿状突起的底边均在底边直线上，各个锯齿状突起的两条侧边与底边直线所成的夹角相等；所述锗薄膜层1为将锗镀在所述锯齿状突起的表面形成的第一薄膜层；所述锗薄膜层1是入射面，亦是反射面，用于接收垂直入射的TM线偏振光，然后再作为反射面用于反射出反射光线。
上述底边直线为经过各个锯齿状突起的底边的一条直线。
本专利涉及的滤波器分两种结构，一种是针对TE线偏振光，另一种是针对TM线偏振光。针对不同偏振光，选择不同的结构。共同点是都基于单晶硅光栅，表面都镀锗薄膜。如图1所示实施例，是针对TM线偏振光，滤波器结构包括锗薄膜层1和单晶硅光栅层2。本实施例中的单晶硅光栅导模共振滤波器，是基于单晶硅光栅制作导模共振结构，实现对线偏振光的光谱滤波。通过改变单晶硅光栅的周期和高折射率薄膜的厚度，实现对共振峰的调节。该滤波器可对TM和TE线偏振光进行滤波。
在一个实施例中，所述单晶硅光栅层2构成所述单晶硅光栅导模共振滤波器的基底。
所述单晶硅光栅层2顶端的多个尺寸相同的锯齿状突起由各向异性湿法刻蚀获得，根据单晶硅光栅的湿法刻蚀工艺，由于单晶硅111面上的排列比在100面上的排列更为紧密，碱性溶液对100面蚀刻的速度比111面快得多，经过长时间刻蚀便形成一个单晶硅三角形光栅，以此作为导模共振滤波器的基底，在这种基底上构筑导模共振结构。通过化学湿法刻蚀制备的单晶硅光栅结构，光栅周期和槽型结构较好。并且，湿法刻蚀得到的光栅，其槽型结构是由单晶硅固定晶面构成，参数误差较小。
在一个实施例中，所述TM线偏振光以垂直于所述底边直线的方向入射到所述锗薄膜层1表面，再从所述锗薄膜层1表面反射出来得到反射光线，所述反射光线是0级光，反射方向跟入射方向完全相反。
本实施例中，当TM模式的线偏振光垂直入射到结构上，在反射方向上实现滤波。并且，入射光是TM模式的线偏振光，反射光仍然是TM模式的线偏振光，由于所述单晶硅光栅导模共振滤波器的工作是基于导模共振结构，因此反射光线在反射方向上得到一个共振峰，可以对特定波长的光线实现自动滤波，在设计的波长处获得高反射效率。
其中，在一个实施例中，所述单晶硅光栅层2的各组侧面相互平行。
参考图1所示，在一个实施例中，所述单晶硅光栅层2的顶端具有多个尺寸相同的锯齿状突起，各个锯齿状突起的底边均在同一条底边直线上，各个锯齿状突起的两条侧边与底边直线所成的夹角相等，因此所述单晶硅光栅层2的各组侧面相互平行，即沿相同方向延伸的各组侧面相互平行。
其中，在一个实施例中，所述单晶硅光栅导模共振滤波器还包括：二氧化硅抗反层3，所述二氧化硅抗反层3为将二氧化硅镀在所述锗薄膜层1表面形成的第二薄膜层。
参考图2所示，图2为一个实施例中，针对TE偏振光的单晶硅导模共振滤波器结构示意图，针对TE线偏振光的滤波器结构包括二氧化硅抗反层3、锗薄膜层1和单晶硅光栅层2。所述第二薄膜层为将二氧化硅镀在所述锗薄膜层1表面形成的一个二氧化硅薄膜层。
在一个实施例中，所述TE线偏振光以垂直于所述底边直线的方向入射到所述二氧化硅抗反层3表面，再从所述二氧化硅抗反层3表面反射出来得到反射光线，所述反射光线是0级光，反射方向跟入射方向完全相反。
本实施例中，TE模式的线偏振光垂直入射到结构上后，在反射方向上实现滤波。并且，入射光是TE模式的线偏振光，反射光仍然是TE模式的线偏振光，由于所述单晶硅光栅导模共振滤波器的工作是基于导模共振结构，因此反射光线在反射方向上得到一个共振峰，可以对特定波长的光线实现自动滤波。
在一个实施例中，所述锯齿状突起的底边长范围设定为1-2μm。
本专利的滤波器结构将单晶硅光栅层2作为基底，所述单晶硅光栅层2的顶端具有多个尺寸相同的锯齿状突起，所述锯齿状突起的底边长范围设定为1-2μm。
在一个实施例中，所述第一薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
所述第一薄膜层为将锗镀在所述锯齿状突起的表面形成的一个锗薄膜层，锗薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
在一个实施例中，所述夹角等于54.74度。
所述单晶硅光栅层2的顶端具有多个尺寸相同的锯齿状突起，各个锯齿状突起的底边均在底边直线上，各个锯齿状突起的两条侧边与底边直线所成的夹角是相等的，数值为54.74度。
在一个实施例中，所述第二薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
在该实施例中，所述二氧化硅抗反层3为将二氧化硅镀在所述锗薄膜层1表面形成的一个二氧化硅薄膜层，将上述二氧化硅薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
在一个实施例中，如图1所示的单晶硅三角形光栅层基角θ(也就是各个锯齿状突起的两条侧边与底边直线所成的夹角)设定为54.74度，当光栅层的周期Λ(也就是锯齿状突起的底边长)分别为1.3μm和1.4μm时，锗薄膜层的厚度都为dg1＝400nm时，如图3所示，可在分别在2.26μm和2.43μm处实现针对TM线偏振光的反射式滤波。
在一个实施例中，如图4所示，为TE线偏振光的反射式光谱，当光栅层的周期Λ分别为1.1μm和1.2μm，锗薄膜的厚度dg2＝400nm，二氧化硅抗反薄膜层的厚度为dw2＝400nm时，可在分别在1.91μm和2.09μm处，实现针对TE线偏振光的反射式滤波。
通过对结构的计算仿真可知，随着薄膜层厚度和光栅周期的变化，可实现对滤波峰值的调控。
本专利的单晶硅光栅导模共振滤波器，在使用时，当TM(TM是指线偏振光的电场振动方向与线条方向垂直)、TE(TE是指线偏振光的电场振动方向与线条方向平行)模式的线偏振光垂直入射到结构上，在反射方向上获得滤波光谱。本专利涉及的滤波器可降低制作成本，具有制备工艺简单，经济效益高，应用广泛等优点。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，包括：锗薄膜层(1)和单晶硅光栅层(2)；所述单晶硅光栅层(2)的顶端具有多个尺寸相同的锯齿状突起，各个锯齿状突起的底边均在底边直线上，各个锯齿状突起的两条侧边与底边直线所成的夹角相等；所述锗薄膜层(1)为将锗镀在所述锯齿状突起的表面形成的第一薄膜层；所述锗薄膜层(1)是入射面，亦是反射面，用于接收垂直入射的TM线偏振光，然后再作为反射面用于反射出反射光线。
2.根据权利要求1所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述单晶硅光栅层(2)构成所述单晶硅光栅导模共振滤波器的基底。
3.根据权利要求2所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述TM线偏振光以垂直于所述底边直线的方向入射到所述锗薄膜层(1)表面，再从所述锗薄膜层(1)表面反射出来得到反射光线，所述反射光线是0级光，反射方向跟入射方向完全相反。
4.根据权利要求1所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述单晶硅光栅层(2)的各组侧面相互平行。
5.根据权利要求4所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述单晶硅光栅导模共振滤波器还包括：二氧化硅抗反层(3)，所述二氧化硅抗反层(3)为将二氧化硅镀在所述锗薄膜层(1)表面形成的第二薄膜层。
6.根据权利要求5所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，TE线偏振光以垂直于所述底边直线的方向入射到所述二氧化硅抗反层(3)表面，再从所述二氧化硅抗反层(3)表面反射出来得到反射光线，所述反射光线是0级光，反射方向跟入射方向完全相反。
7.根据权利要求6所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，各个锯齿状突起的底边长范围设定为1-2μm。
8.根据权利要求1所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述第一薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
9.根据权利要求8所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述夹角等于54.74度。
10.根据权利要求5所述的单晶硅光栅导模共振滤波器，其特征在于，所述第二薄膜层的厚度范围设定为200-600nm。
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