一種集成式帶通濾波器和光譜儀制造技術(shù)

本實(shí)用新型專利技術(shù)公開了一種集成式帶通濾波器和光譜儀。本實(shí)用新型專利技術(shù)的集成式帶通濾波器包括一金屬層，金屬層中形成貫通的微米或納米孔陣列，通過金屬微米或納米孔的光的特征波長λ近似滿足以下公式：λ≈nD。這里，n是金屬孔中填充材料的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取１緦?shí)用新型專利技術(shù)的集成式帶通濾波器中每個金屬孔都是一個帶通濾波器，通過改變金屬孔的大小，可以將大量選通波長不同的微型帶通濾波器，通過一次加工的辦法大規(guī)模集成在很小的芯片上。

An integrated band pass filter and spectrometer

The utility model discloses an integrated band pass filter and a spectrometer. The utility model integrated bandpass filter includes a metal layer, micro or nano hole array through the metal layer is formed, by characteristic wavelength of metal micro or nano hole light approximation satisfies the following formula: lambda = nD. Here, n is the refractive index of the filler material in the metal hole. D is the diameter or width of the metal hole. The utility model is integrated for each hole in the metal band pass filter is a band-pass filter, by changing the metal hole size, can be a lot of gating wavelength different miniature bandpass filter, large-scale integrated in a small chip by a processing method.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種集成式帶通濾波器和光譜儀
本技術(shù)涉及一種光學(xué)領(lǐng)域，特別是涉及一種集成式帶通濾波器和光譜儀。
技術(shù)介紹
物質(zhì)的光譜含有物質(zhì)的大量化學(xué)信息，每一種物質(zhì)均有對應(yīng)的特征光譜，因此探測物質(zhì)的光譜可以分析物質(zhì)的化學(xué)組分，在地理遙感、污染遙感監(jiān)測、無創(chuàng)醫(yī)療診斷以及軍事目標(biāo)的識別等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，目前的光譜分析技術(shù)主要依賴光柵分光或者多個分立帶通濾波片進(jìn)行分光，前者體積龐大，速度慢，不能滿足小型化、快速化的應(yīng)用要求；而后者只能探測少數(shù)幾個波長上的信息。本技術(shù)提出通過制備垂直納米或微米柱體并進(jìn)一步形成垂直的金屬孔，研究結(jié)果表明：不同直徑的金屬孔透過的波長也不同，即金屬孔的直徑與透過該金屬孔的光的波長之間存在相應(yīng)的關(guān)系。本技術(shù)通過一次性大規(guī)模形成直徑不同的金屬孔陣列，因而可以對入射光在大量波長上進(jìn)行分光，從而實(shí)現(xiàn)微型的高精度的光譜分光。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)針對上述技術(shù)問題，提出了一種集成式帶通濾波器和光譜儀，其可以將大量選通波長不同的微型帶通濾波器，通過一次加工大規(guī)模集成在很小的芯片上，具有高集成度的優(yōu)點(diǎn)。本技術(shù)的一個方面是提供了一種集成式帶通濾波器，包括：包括一金屬層，金屬層中形成貫通的微米或納米孔陣列，通過金屬微米或納米孔的光的特征波長λ近似滿足以下公式：λ≈nD，這里，n是金屬孔中填充材料的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取１炯夹g(shù)的又一個方面是提供了一種光譜儀，包括：前述的集成式帶通濾波器，以及設(shè)置在所述帶通濾波器下方的光電探測器，其中，所述集成式帶通濾波器的每個金屬孔底部均設(shè)有一個探測器以將不同波長的光轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號。本技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1、本技術(shù)的集成式帶通濾波器中每個金屬孔都是一個帶通濾波器，通過改變金屬孔的大小，可以將大量選通波長不同的微型帶通濾波器，通過一次加工的辦法大規(guī)模集成在很小的芯片上；2、本技術(shù)的工藝與CMOS工藝兼容，成本低。3、本技術(shù)的濾波器陣列對不同波長的光進(jìn)行同時分光，具有速度快的優(yōu)點(diǎn)。附圖說明圖1為本技術(shù)的集成式帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本技術(shù)的集成式帶通濾波器的一種制造方法的示意圖。圖3為以鍺為填充材料的不同直徑的金屬微米孔陣列在中紅外區(qū)域的透射峰的示意圖。圖4為本技術(shù)的集成式帶通濾波器的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本技術(shù)的光譜儀的一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式在下列說明中，為了提供對本技術(shù)的徹底了解而提出許多具體細(xì)節(jié)。本技術(shù)可在不具有部分或所有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他情況下，為了不對本技術(shù)造成不必要的混淆，不詳述眾所周知的過程操作。雖然本技術(shù)將結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)行說明，但應(yīng)當(dāng)理解的是，這并非旨在將本技術(shù)限制于這些實(shí)施例。圖1為本技術(shù)的集成式帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本技術(shù)的集成式帶通濾波器包括一金屬層1，該金屬層1中形成貫通的微米或納米孔陣列即金屬微米或納米孔陣列2，通過該金屬微米或納米孔(金屬孔)2的光的特征波長λ近似滿足以下公式：λ≈nD(1)這里，n是金屬孔2中填充材料5的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取１炯夹g(shù)中，所述金屬層1中的金屬可以為任意金屬，比如可以是常見的鋁或金。本技術(shù)中，金屬孔2的高度(深度，從金屬層的一面貫通至另一面的距離)至少大于所需選通的波長，既可以保證對光的過濾效果，也不至于造成過多的損耗。本實(shí)施例中，所述金屬孔2為圓柱體。在另外的實(shí)施例中，金屬孔也可以為方柱體或者橫截面為六邊形的柱體。所述金屬孔2中的填充材料5為不吸收所需要選通的波長的光的材料。例如，所需要選通的波長的光是中紅外波段的光，則該材料可以是鍺。最近的研究結(jié)果表明，相較于其他常用材料，中紅外波段光穿透鍺材料時的損耗小。在其他實(shí)施例中，如果所需要選通的波長的光是可見光，則該材料可以是SiO2等介電材料。另外，所述金屬孔2中可以不具有填充材料(即去除填充材料)，則金屬孔2中的折射系數(shù)為1。另外，而金屬微米或納米孔陣列2與透過孔的光強(qiáng)有關(guān)，陣列越密，光強(qiáng)越大。金屬孔2的排布方式可以正方形，也可以是蜂窩型。上述金屬微米或納米孔2的物理尺寸及排布方式等可以通過仿真軟件設(shè)計(jì)來確定。仿真軟件例如可采用流行商業(yè)Lumerical的FDTDSolution模塊。通過FDTDSolution模塊設(shè)計(jì)金屬納米或微米孔的物理尺寸以及排布方式，可以使其吸收光譜位于所需波長范圍之內(nèi)。具體地，選定仿真區(qū)域并設(shè)置X、Y方向?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件，光源由X、Y方向線偏振光相疊加，以模擬平行光并沿Z方向傳播，即可模擬納米或微米孔的濾波效果并得到透射譜圖(如圖3)。通過仿真軟件，可獲得金屬孔2選通的具體波長取決于單個金屬孔2的直徑，即近似滿足前述公式(1)。圖3為以鍺為填充物的不同直徑微米孔陣列在中紅外區(qū)域的透射峰的示意圖。圖3中，橫軸為波長，縱軸為透過率。不同形式的曲線代表不同波長的光。圖中左上角的標(biāo)識D標(biāo)識微米線的直徑，后面數(shù)字的單位是納米。例如，實(shí)線代表的是波長為1200納米的光。從圖中可知，通過調(diào)整納米或微米金屬孔的直徑，就可以使透射峰有效地覆蓋需要的波段。另外，本技術(shù)中，為了在較高集成度的基礎(chǔ)上盡量減弱同一陣列當(dāng)中納米或微米柱體之間的相互影響，較佳地，干法蝕刻的情況下，所述金屬孔陣列的占空比為大約1:3，所述占空比表示在柱體陣列的俯視圖中XY平面(水平面)的孔內(nèi)面積與孔外面積之比。圖2為本技術(shù)的集成式帶通濾波器的一種制造方法的示意圖。如圖2(a)～(d)所示，制造方法包括以下步驟a～d。步驟a、在襯底基板上形成規(guī)定形狀的掩膜版3，所述襯底基板4為不吸收特定波長的光的材料，如圖2(a)所示。襯底基板的材料可根據(jù)需要選通的波長而定，例如需要選通中紅外波長的光，則不吸收特定波長的光的材料可以為鍺，其不吸收中紅外波段的光。掩膜版3例如采用金屬圓片，金屬圓片3是通過光刻在鍺片表面形成的包含不同直徑的微米圓點(diǎn)的多個點(diǎn)陣，熱蒸金屬并浸入丙酮剝離，剩余下來的金屬圓片圖案用作掩膜，以用于下一步驟的蝕刻來形成微米或納米柱體陣列。這里舉例的金屬圓片掩膜版是干法刻蝕時需要金屬作為刻蝕的掩模版。金屬材料需要與干法刻蝕工藝兼容，一般選用鋁或鉻。另外，對于干法刻蝕法，掩模版也可以是其它材料，比如光刻膠。另外，掩膜版的規(guī)定形狀決定后面步驟中形成的金屬孔的形狀，可以是圓形或方形或六邊形。步驟b、利用蝕刻技術(shù)形成多個微米或納米柱體即微米或納米柱體陣列5，如圖2(b)所示。步驟b中所述蝕刻技術(shù)為干法蝕刻或濕法化學(xué)蝕刻。為了保證側(cè)壁較高的垂直度，例如，蝕刻可以采用Non-boschprocess慢速工藝，通過優(yōu)化兩種反應(yīng)氣體SF6，C4F8的比例以及偏壓和功率等參數(shù)，可以取得最佳的蝕刻結(jié)果。蝕刻完成后，可以通過掃描電子顯微鏡觀察測量納米線的直徑及高度，以驗(yàn)證所得到的微米或納米柱體陣列是否滿足要求。這里，納米或微米柱體的目的是為了方便制造金屬納米或微米孔，對金屬納米或微米孔起支撐作用。步驟c、在所述整個微米或納米柱體陣列上和柱體側(cè)壁表面以及柱體底部的襯底表面各向同性地沉積一層金屬薄層1，為了達(dá)到各向同性的效果，金屬的沉積辦法可以是離子濺射工藝或者原子層沉積工藝，如圖2(c)所示。這里的金屬可以是任意金屬，比如本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種集成式帶通濾波器，其特征在于，包括一金屬層，金屬層中形成貫通的微米或納米孔陣列，通過金屬微米或納米孔的光的特征波長λ近似滿足以下公式：λ≈nD這里，n是金屬孔中填充材料的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取?

【技術(shù)特征摘要】
1.一種集成式帶通濾波器，其特征在于，包括一金屬層，金屬層中形成貫通的微米或納米孔陣列，通過金屬微米或納米孔的光的特征波長λ近似滿足以下公式：λ≈nD這里，n是金屬孔中填充材料的折射系數(shù)，D是金屬孔的直徑或?qū)挾取?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述金屬孔中的填充材料為不吸收所需要選通的波長的光的材料，或者所述金屬孔中不具有填充材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波器，其特征在于，所述金屬孔為圓柱體或方柱體或橫截面為六邊形的柱體。4...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：但亞平，
申請(專利權(quán))人：揚(yáng)中市恒海電子科技有限公司，
類型：新型
國別省市：江蘇,32