【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于納米表面光學領域，具體涉及一種高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器。
技術介紹
1、窄帶光學濾波器在光通信，光譜成像以及傳感等領域有廣泛的應用。過去，基于法布里波羅共振的薄膜光學濾波器已經被研究。薄膜光學濾波器是基于薄膜干涉原理，其是由多層電介質膜或金屬膜組成。當入射光入射到器件時，由于介質或者金屬膜界面的反射、折射等相互作用，會形成多次干涉和反射，在光傳播的方向形成共振模式，使得特定波長的光被選擇性地反射或透射，達到濾波的效果。薄膜光學濾波器的層數多，在長波波段由于各層薄膜材料的膨脹系數不同從而使薄膜產生裂紋。且由于薄膜層數多，薄膜光學濾波器的制備工藝十分復雜。
2、基于納米表面周期性結構光學濾波器包括全電介質導模共振光學濾波器、等離子體共振光學濾波器以及混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器。納米表面周期性結構光學濾波器是利用周期性表面結構對自由空間的光提供額外的動量補償，從而將自由空間的光耦合進濾波器結構中，激發出橫向傳播的導模模式，由于入射光和導模模式的耦合作用可以將特定波長的光透過或者反射。全電介質導模共振光學濾波器由于電介質材料對光波能量的吸收小，因而，全電介質導模共振光學濾波器的傳輸效率接近百分之百，光譜線寬也可達到皮米級別。然而由于全電介質導模共振光學濾波器的表面結構的厚度足夠厚才可提供相應的相位補償，這給納米表面加工帶來了極大的挑戰。等離子體共振光學濾波器利用金屬表面周期性結構來耦合自由空間的光，金屬的厚度一般小于100納米，加工工藝簡單。然而由于金屬材料對光波能量的吸
技術實現思路
1、針對現有技術存在的問題，本專利技術的目的是提供一種結構簡單，與現有的集成電路制備工藝相兼容，高品質因子的混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器。
2、為了達到上述目的，本專利技術所采用的技術方案為：
3、一種高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，包括襯底層，以及襯底層上向上依次疊加的高折射率電介質層、低折射率電介質層和金屬光柵層；其中：
4、所述襯底層為低折射率透明電介質材料，用于支撐光學濾波器的主體結構；
5、所述高折射率電介質層的材料的折射率大于低折射率電介質層的材料、襯底層的材料的折射率；
6、所述金屬光柵層為具有周期性排列的光柵結構，在一個器件周期內包括三根金屬條，其中中間金屬條的寬度大于旁邊兩根金屬條的寬度，相當于在器件結構中加入了結構微擾；通過調節中間金屬條的寬度調節耦合模式的輻射損耗進而調節濾波器的品質因子。
7、本專利技術中，襯底層材料采用石英玻璃襯底或者氟化鎂襯底；高折射率層材料選自二氧化鈦、氮化硅或硅中任一種；低折射率層材料選自氟化鎂或二氧化硅中任一種。
8、本專利技術中，金屬光柵層材料選自金、銀或者鋁中任一種。可見光波段選擇鋁，近紅外及更長的波段選擇金或者銀。
9、本專利技術中，在器件的工作波段，高折射率電介質層材料無吸收損耗；襯底層，高折射率電介質層以及低折射率電介質層的光吸收率接近零。
10、本專利技術中，增加低折射率電介質層的厚度可以減小等離子體模式和導模模式耦合強度的耦合強度，從而減小器件的吸收損耗。然而隨著等離子體模式和導模模式之間耦合的降低，器件的透射率也會顯著降低，因此，低折射率電介質層的厚度只在10-250nm之間變化。這個區間根據器件工作波長的不同應作相應調整；具體的實施例中，器件的工作波段在近紅外波段時，低折射率電介質層的厚度在30-200nm之間變化時，隨著厚度增加，品質因子增大。
11、本專利技術中，器件的工作波段在近紅外波段時，結構中微擾的變化，即在一個器件周期內，旁邊兩根金屬條的寬度為600nm，中間金屬光柵的寬度從600-1100nm之間變化；具體的實施例中，中間金屬光柵的寬度在800nm-1100nm之間變化時，隨著微擾減小，品質因子增大。
12、本專利技術中，金屬光柵的厚度范圍為40-60nm；厚度大于60納米會使濾波器的旁帶增大。
13、本專利技術中，器件工作波長為近紅外波段時，在一個器件周期內，旁邊兩根金屬條的寬度為600nm，中間金屬光柵的寬度在800-1100nm之間；低折射層的厚度在160-235nm之間。
14、本專利技術中，器件是偏振依賴的，入射光的電場方向沿光柵周期性排列的方向，磁場方向沿光柵條狀方向。
15、本專利技術中，通過改變金屬光柵的周期線性調節光學濾波器的共振波長。
16、在本專利技術光學濾波器中，當入射光入射到濾波器結構上時，周期性金屬光柵結構在橫向方向上為入射光提供額外的動量補償，激發了金屬光柵表面的局域等離子體共振模式。同時由于襯底層和低折射率層的折射率相對高折射率層的折射率低，則在高折射率層會激發導模模式。透射率峰來源于等離子體共振模式和導模模式之間的耦合作用，增加低折射率層的厚度減小局域等離子體共振模式和導模模式之間的耦合強度，從而減小光譜線寬。從局域電磁場分布的角度來說，增加低折射率層的厚度使局域電磁場的能量拉離金屬表面，更多的分布在電介質層中，從而減小金屬材料對電磁場能量的吸收損耗，進而減小器件的光譜線寬。這是器件吸收損耗減小，品質因子增大的原因。而當調節光柵金屬條的寬度時，即在一個器件周期內，增大中間光柵條的寬度(增加一個微擾)，一個新的共振模式被激發。該模式也是源于導模模式和等離子體模式的弱耦合作用。在中間光柵條的寬度與其余兩個光柵條的寬度相等時，新激發的模式處于暗模狀態，無法被遠場的探測器探測到，當結構微擾出現并逐漸增大時，暗模轉換為亮模可以將能量泄漏到遠場從而被探測到。而結構微擾越小即中間光柵條的寬度增加的越少，入射光與亮模的耦合強度越小，更多的能量被存儲在近場不被輻射出去，因此，亮模的輻射損耗越小，器件的品質因子越大。本專利技術提出的通過增加低折射率層的厚度和中間條的寬度進而增大器件的品質因子的技術方案具有通用性，適用于可見光，近紅外、紅外等波段。
17、和現有技術相比，本專利技術的優點在于：
18、本專利技術器件結構中，未加入結構微擾時，激發了傳統的導模模式和等離子體模式的耦合模式，其品質因子大約500左右。當加入結構微擾，即在一個器件周期內，增加中間光柵的寬度時，激發了新的輻射模式。在結構微擾和低折射率層的厚度的調節下可以顯著增加器件的品質因子。
19、本專利技術的共振光學濾波器結構簡單、品質因子高，最大可以達到4.2×103，與現有的集成電路加工工藝相兼容的特點，在多光譜和高光譜成像本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特性在于，包括襯底層，以及襯底層上向上依次疊加的高折射率電介質層、低折射率電介質層和金屬光柵層；其中：
2.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，襯底層材料采用石英玻璃襯底或者氟化鎂襯底；高折射率層材料選自二氧化鈦、氮化硅或硅中任一種；低折射率層材料選自氟化鎂或二氧化硅中任一種。
3.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，金屬光柵層材料選自金、銀或者鋁中任一種；器件的工作波段為可見光波段時，金屬光柵層材料選擇鋁，器件的工作波段為近紅外及更長的波段時，選擇金或者銀。
4.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，在器件的工作波段，高折射率電介質層材料無吸收損耗，襯底層，高折射率電介質層以及低折射率電介質層的光吸收率接近零。
5.?根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，通過增加低折射率電介質層的厚度
6.?根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，金屬光柵的厚度范圍為40-60?nm。
7.?根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，器件工作波長為近紅外波段，在一個器件周期內，旁邊兩根金屬條的寬度為600nm，中間金屬光柵的寬度在800-1100?nm之間；低折射層的厚度在160-235nm之間。
8.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，器件是偏振依賴的，入射光的電場方向沿光柵周期性排列的方向，磁場方向沿光柵條狀方向；光源為平面波光源。
9.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，通過改變金屬光柵的周期線性調節光學濾波器的共振波長。
...【技術特征摘要】
1.一種高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特性在于，包括襯底層，以及襯底層上向上依次疊加的高折射率電介質層、低折射率電介質層和金屬光柵層；其中：
2.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，襯底層材料采用石英玻璃襯底或者氟化鎂襯底；高折射率層材料選自二氧化鈦、氮化硅或硅中任一種；低折射率層材料選自氟化鎂或二氧化硅中任一種。
3.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，金屬光柵層材料選自金、銀或者鋁中任一種；器件的工作波段為可見光波段時，金屬光柵層材料選擇鋁，器件的工作波段為近紅外及更長的波段時，選擇金或者銀。
4.根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離子體共振光學濾波器，其特征在于，在器件的工作波段，高折射率電介質層材料無吸收損耗，襯底層，高折射率電介質層以及低折射率電介質層的光吸收率接近零。
5.?根據權利要求1所述的高品質因子混合型金屬-電介質等離...
【專利技術屬性】
技術研發人員：賀蓉，陳成，鄭玉祥，張榮君，
申請(專利權)人：復旦大學義烏研究院，
類型：發明
國別省市：
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