專利名稱：一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學濾波器，尤其是涉及一種基于金屬微納結(jié)構(gòu)的諧振腔，用于集成微 光學系統(tǒng)的陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器。
技術(shù)背景隨著科技發(fā)展和人們生產(chǎn)、生活對光電產(chǎn)品高性能、智能化和便攜化的需求，相關(guān)器件 的微型化、集成化便成為研究開發(fā)的一個重要課題。其中光學濾波器是光電系統(tǒng)中的一個重 要組成部分。尤其是制備在芯片上的可調(diào)變集成光學濾波器，對于彩色顯示(參見文獻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))、芯片級光譜分析(參見文獻 4、 Z. Y. Wen， G. Chen, and J. G. Wang, Spectrosc. Spect. Anal. 26， 1955 (2006))和生物化學傳 感(參見文獻5、 G. Lu， B. Cheng, H. Shen， Y. Zhou, et al., Appl. Phys. Lett. 89， 223904 (2006)) 等都有重要的意義?；贔abry-Perot諧振效應(yīng)的濾波器是其中最常用、效果也最好的一種光 學濾波器。但是要在芯片上集成對應(yīng)于不同諧振波長的Fabry-Perot諧振腔陣列，就需要使不 同單元內(nèi)諧振腔的長度或(和)腔內(nèi)介質(zhì)的折射率不同。這對于目前常用的平面工藝來說， 是較難在制造上實現(xiàn)的。自從發(fā)現(xiàn)了具有周期性納米孔陣列的金屬薄膜所具有的"異常"透 射現(xiàn)象(參見文獻6、 T. W. Ebbesen， J. J. Lezec， H. F. Ghaemi， T. Thio, and P. A. Wolff, Nature 391,667(1998))以來，許多研究開發(fā)人員提出了基于此類金屬薄膜中周期性納米孔(或縫) 的多種結(jié)構(gòu)，通過改變芯片平面內(nèi)不同單元內(nèi)納米孔(縫)的尺寸、形狀和組合(參見文獻: 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) )，它們展現(xiàn)了實現(xiàn)新一代集成可調(diào)光學濾波器的應(yīng)用潛力。但是它們也存在一些局限，比如，跟具有同樣厚度的Fabry-Perot濾波器(其中諧振腔兩端部分透射和反射的金屬膜 厚度為 20納米厚)相比較，這種基于納米孔(縫)陣列的光學濾波器具有較寬的通帶寬度 (以半寬高來算，即FWHM)。同時，當加工這樣的納米孔(縫)已是相當困難、昂貴、而 且低效的工藝時，要使不同單元內(nèi)孔(縫)陣列的結(jié)構(gòu)尺寸有微小的變化，則需要加工精度 控制在深納米量級，這是非常困難的。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種基于目前平面微納加工工藝可實現(xiàn)的陣列式微諧振腔可調(diào)集 成光學濾波器。本發(fā)明的技術(shù)方案是在兩層極薄的金屬薄膜之間加入一層金屬光柵，在不同的器件單元 內(nèi)金屬光柵的周期不同，所通過光波的諧振波長也不同，從而實現(xiàn)在諧振波長附近一定波長 范圍的通帶。本發(fā)明設(shè)有襯底，在襯底上設(shè)有一層金屬薄膜(稱下層金屬薄膜)，在下層金屬薄膜上設(shè) 有介質(zhì)層，在介質(zhì)層中間鑲嵌著金屬光柵層，在介質(zhì)層上又設(shè)有一層金屬薄膜(稱上層金屬 薄膜)。金屬光柵層設(shè)有若干陣列單元，在不同的陣列單元內(nèi)金屬光柵的周期不同。襯底可為透明介質(zhì)襯底或半導(dǎo)體襯底，其中的半導(dǎo)體襯底可為已經(jīng)制作了光電子器件的 半導(dǎo)體芯片。下層金屬薄膜、金屬光柵和上層金屬薄膜的金屬材料可選用良導(dǎo)體，如金、銀、銅和鋁 等，選用的金屬材料一方面滿足盡可能小的對光的吸收率，另一方面滿足金屬的體等離子體 頻率(body plasmon frequency)須大于所適用的光波頻率。上層金屬薄膜和下層金屬薄膜的 厚度應(yīng)很小，厚度可為5 100nm。上層金屬薄膜和下層金屬薄膜之間的間距可為20 1000 nm。金屬光柵層的厚度可為5 1000nm，金屬光柵層的金屬光柵的周期可為10 10000nm， 金屬光柵內(nèi)開口部分的寬度可為5 10000nm。設(shè)于上層金屬薄膜與下層金屬薄膜之間的介質(zhì)層(也是圍繞金屬光柵的介質(zhì))可采用介 質(zhì)材料，如二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等。介質(zhì)層的厚度可為20 1000nm。金屬光柵層中的金屬光柵可為一維金屬光柵或二維金屬光柵。本發(fā)明也可以是在微光學系統(tǒng)中懸空，即在作用區(qū)域?qū)⒁r底刻蝕刻蝕或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移而去掉。 本發(fā)明與傳統(tǒng)的Fabry-Perot諧振腔濾波器相比較，本發(fā)明不是通過諧振腔的長度(即介 質(zhì)層厚度)或諧振腔的介質(zhì)材料的折射率變化來調(diào)變透射光的諧振波長，而是通過改變諧振 腔介質(zhì)內(nèi)所鑲嵌的金屬光柵的結(jié)構(gòu)(主要是周期)來調(diào)變透射光的諧振波長。本發(fā)明在工藝 上也較與現(xiàn)行的平面微納加工工藝兼容，且濾波器的通帶寬度(以半高寬評價)和在諧振波長處的透射率都非常相近。本發(fā)明與文獻(6 13)中所述的納米孔(縫)濾波器相比較，在 工藝難度上大大減小，透射光通帶寬度更窄，且諧振波長處的透射率更大，具有多方面的優(yōu) 勢。


圖i為本發(fā)明實施例1 (采用一維金屬光柵)沿垂直于金屬光柵條的橫截面內(nèi)的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖2為圖1的逐層分解示意圖。圖3為本發(fā)明實施例2 (采用二維金屬光柵)沿垂直于金屬光柵條的橫截面內(nèi)的結(jié)構(gòu)示 意圖。圖4為圖3的逐層分解示意圖。圖5為本發(fā)明實施例3 (采用網(wǎng)狀二維金屬光柵)沿垂直于金屬光柵條的橫截面內(nèi)的結(jié) 構(gòu)示意圖。圖6為圖5的逐層分解示意圖。圖7為本發(fā)明實施例4的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖7中，是將實施例l、 2或3的不同周期的結(jié) 構(gòu)單元集成到一個芯片上，形成陣列型濾波器件，每個單元對應(yīng)不同的透射諧振波長；單元1:波長入i，單元2:波長入2，單元3:波長入3……單元IU波長入n;相應(yīng)于金屬光柵層的周期P1，周期P2，周期P3……周期Pn。圖8為基于實施例1結(jié)構(gòu)的計算模型中有關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸的符號表示及其坐標定義。其中黑 色區(qū)域表示金屬，t表示上下兩層金屬薄膜的厚度，設(shè)它們相等；h表示金屬光柵的厚度；p 表示金屬光柵的周期；W表示金屬光柵中金屬部分在橫向的寬度；L表示上下兩層金屬膜之 間的距離；S表示金屬光柵與上下兩層金屬薄膜之間的距離，在計算中設(shè)金屬光柵位于上下兩 層金屬薄膜的中間；可以看出L=h+2s。圖9為用有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)模擬的如圖8所示結(jié) 構(gòu)在金屬光柵的周期不同時所對應(yīng)的透射光譜。在圖9中，設(shè)t=20 nm, L=200 nm, h=100 nm, w=30nm，S=50nm,金屬為銀，結(jié)構(gòu)上下以及上下金屬薄膜間的介質(zhì)都設(shè)為空氣；橫坐標為波 長入(nm),縱坐標為透射率；其中，不同光譜曲線所對應(yīng)的不同周期為p=100， 120， 150， 200， 300， 400， 800 nm; "p=^"表示上下兩層金屬薄膜之間無金屬光柵時用有限時域差分 法算得得透射光譜；標有"TMM"的曲線表示上下兩層金屬薄膜之間無金屬光柵時用轉(zhuǎn)移矩 陣法(Transfer Matrix Method, TMM)算得的透射光譜。圖10為通過建立物理模型計算得到的上下兩層金屬薄膜之間微納結(jié)構(gòu)材料等效折射率隨周期變化的曲線。在圖10中，橫坐標為周期p (nm)，縱坐標為等效折射率N^其中標 有"AMXMA (TMM)"的曲線是基于圖10中用有限時域差分法算得不同周期的諧振波長， 將上下兩層金屬薄膜間的結(jié)構(gòu)和材料視為一種等效介質(zhì)X，然后基于(空氣一金屬一等效介 質(zhì)一金屬一空氣，或簡稱AMXMA)的多層結(jié)構(gòu)通過轉(zhuǎn)移矩陣法(TMM)找到一個對應(yīng)于用 有限時域差分法所算得的諧振波長的折射率，此即為等效介質(zhì)X的等效折射率;標有"CWGA" 的曲線是視其中的金屬光柵為相互耦合的波導(dǎo)陣列，利用有關(guān)耦合波導(dǎo)陣列(Coupled Waveguide Arrays,或簡稱CWGA)理論(參考文獻14、 X. Fan， G.R Wang, J.C. Lee, and C.T. Chan, Phys. Rev. Lett. 97, 073901 (2006))算得的等效折射率隨周期變化的曲線。圖11為本發(fā)明實施例5的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖11中，以3個超單元為例說明，可有更多 的超單元，此結(jié)構(gòu)適用與具有較寬波譜范圍濾波的調(diào)變；超單元l中包括單元l:波長入j， 單元2:波長"……單元n:波長入 ;超單元2中包括單元n+1:波長入n+l，單元n+2: 波長Xn+2……單元m:波長入m;超單元3中包括單元m+l:波長人m+l，單元m+2:波 長入m+2……單元/:波長入/。既是將具有不同厚度(上下兩層金屬膜之間距離)不同的實 施例4結(jié)構(gòu)作為"超單元"集成到一個芯片上，每個超單元對應(yīng)不同的透射諧振波長范圍。
具體實施方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。圖1 2給出一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器的單元結(jié)構(gòu)的實施例1的示意圖。 該結(jié)構(gòu)設(shè)有襯底11，在襯底11上面設(shè)有下層金屬薄膜12，在下層金屬薄膜12上面有一層其 中鑲嵌有一維金屬光柵15的介質(zhì)層14，在介質(zhì)層14上面再有上層金屬薄膜13。襯底11可 選擇如透明介質(zhì)襯底或半導(dǎo)體襯底(其中的半導(dǎo)體襯底可為已經(jīng)制作了光電子器件的半導(dǎo)體 芯片)；下層金屬薄膜12、上層金屬薄膜13和金屬光柵層15可選擇如金、銀、銅和鋁等良 導(dǎo)體金屬材料；介質(zhì)層14可選擇如二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等高透射率介質(zhì)材料。下層金 屬薄膜12和上層金屬薄膜13的厚度應(yīng)與光波在其中的透射深度( 20nm)同量級，如可選 擇在5 100nm之間。下層金屬薄膜12和上層金屬薄膜13之間的間距(也即介質(zhì)層14的厚 度)可在20 1000 nm之間。金屬光柵層15的厚度可在5 1000 nm之間。金屬光柵層15 的周期約在10 10000nm之間。金屬光柵層15內(nèi)開口部分的寬度可在5 10000 nm之間。 具體尺寸依應(yīng)用而設(shè)計和確定。圖3 4給出一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器的單元結(jié)構(gòu)的實施例2的示意圖。 該結(jié)構(gòu)設(shè)有襯底21，在襯底21上面設(shè)有下層金屬薄膜22，在下層金屬薄膜22上面有一層其 中鑲嵌有島狀二維金屬光柵25的介質(zhì)層24，在介質(zhì)層24上面再有上層金屬薄膜23。襯底21可選擇如透明介質(zhì)襯底或半導(dǎo)體襯底(其中的半導(dǎo)體襯底可為已經(jīng)制作了光電子器件的半 導(dǎo)體芯片)；下層金屬薄膜22、上層金屬薄膜23和金屬光柵層25可選擇如金、銀、銅和鋁 等良導(dǎo)體金屬材料；介質(zhì)層24可選擇如二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等高透射率介質(zhì)材料。下 層金屬薄膜22和上層金屬薄膜23的厚度應(yīng)與光波在其中的透射深度( 20nm)同量級，如 可選擇在5 100nm之間。下層金屬薄膜22和上層金屬薄膜23之間的間距(也即介質(zhì)層24 的厚度)可在20 1000nm之間。金屬光柵層25的厚度可在5 1000 nm之間。金屬光柵層 25在垂直方向上的兩個周期都約在10 10000nm之間。金屬光柵層25內(nèi)島之間的距離可在 5 10000 nm之間。具體尺寸依應(yīng)用而設(shè)計和確定。
圖5 6給出一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器的單元結(jié)構(gòu)的實施例3的示意圖。 該結(jié)構(gòu)設(shè)有襯底31，在襯底31上面設(shè)有下層金屬薄膜32，在下層金屬薄膜32上面有一層其 中鑲嵌有網(wǎng)狀二維金屬光柵35的介質(zhì)層34，在介質(zhì)層34上面再有上層金屬薄膜33。襯底 31可選擇如透明介質(zhì)襯底或半導(dǎo)體襯底(其中的半導(dǎo)體襯底可為已經(jīng)制作了光電子器件的半 導(dǎo)體芯片)；下層金屬薄膜32、上層金屬薄膜33和金屬光柵層35可選擇如金、銀、銅和鋁 等良導(dǎo)體金屬材料；介質(zhì)層34可選擇如二氧化硅、氮化硅、氧化鋁等高透射率介質(zhì)材料。下 層金屬薄膜32和上層金屬薄膜33的厚度應(yīng)與光波在其中的透射深度( 20nm)同量級，如 可選擇在5 100nm之間。下層金屬薄膜32和上層金屬薄膜33之間的間距(也即介質(zhì)層34 的厚度)可在20 1000nm之間。金屬光柵層35的厚度可在5 1000 nm之間。金屬光柵層 35在垂直方向上的兩個周期都約在10 10000nm之間。金屬光柵層35內(nèi)網(wǎng)孔的邊長可在5 10000nm之間。具體尺寸依應(yīng)用而設(shè)計和確定。
圖7給出實施例4的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器的示意圖。該結(jié)構(gòu)設(shè)有襯 底41，在襯底41上面設(shè)有下層金屬薄膜42，在下層金屬薄膜42上面有一層其中鑲嵌有金屬 光柵45 (為實施例l、 2或3中的一維或二維金屬光柵)的介質(zhì)層44，在介質(zhì)層44上面再有 上層金屬薄膜43。其中該實施例中集成了不同單元內(nèi)的結(jié)構(gòu)于同一芯片上，各單元為實施例 1、 2或3的結(jié)構(gòu)，但在不同單元內(nèi)金屬光柵的周期(Pl，P2,P3,…,Pn)隨在芯片上的位置變 化而不同，不同的單元也對應(yīng)于不同的透射諧振波長aiA2,X3，…, ai)。其中，器件各部分 的材料選擇和結(jié)構(gòu)尺寸可選擇如前面實施例1、 2或3的材料和結(jié)構(gòu)來確定。對于芯片上不同 的結(jié)構(gòu)單元具有相同厚度和相連的下層金屬薄膜42、上層金屬薄膜43以及介質(zhì)層44。
實施例l、 2、 3可作為光學濾波器獨立使用或集成在其它微光學系統(tǒng)中使用，也可以集 成在同一芯片上如實施例4，形成陣列結(jié)構(gòu)使用。
對于本發(fā)明的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，在具體實施中，可以首先根據(jù)
7需要和所具備的制造工藝選擇所要采用的器件結(jié)構(gòu)(如實施例1、 2、 3、或4)，然后再設(shè)計 所器件結(jié)構(gòu)的尺寸。如對于實施例1和采用實施例1為單元結(jié)構(gòu)的實施例4，初步地，正向 設(shè)計可首先根據(jù)CWGA理論(參見文獻14)的計算金屬光柵的等效折射率與金屬光柵結(jié)構(gòu) 尺寸之間的關(guān)系，然后在利用轉(zhuǎn)移矩陣法確定基于所得上下兩層金屬膜間等效介質(zhì)的透射諧 振波長與等效折射率之間的關(guān)系，這樣也就確定了透射諧振波長與金屬光柵結(jié)構(gòu)尺寸(尤其
是其周期)之間的關(guān)系，從而可以根據(jù)需要來設(shè)計器件結(jié)構(gòu)。在CWGA理論的應(yīng)用中，金屬 光柵可以被看作是橫向相互耦合的波導(dǎo)陣列，光波通過作為等效介質(zhì)的波導(dǎo)陣列時的等效折 射率可以定義為A^二Re(^/A。)，其中&^2;r/;io是光波在真空中的波矢，^是真空波長，
"=(^+"。)/2是光波在波導(dǎo)陣列中的傳播常數(shù)，A和A分別是光波在波導(dǎo)陣列中傳播時對 稱和反對稱模式的傳播常數(shù)，它們由下式計算
祠 ，
A:",-fe ， "V《-fe ， ^和^是構(gòu)成等效介質(zhì)的金屬光柵(也即波導(dǎo)陣列)中 介質(zhì)和金屬的介電常數(shù)，"±"表示相鄰波導(dǎo)間的對稱和反對稱耦合。圖10中標有"CWGA" 的曲線給出了用此法算得的對于不同金屬光柵周期的等效介質(zhì)的等效折射率A^與周期之間
的關(guān)系(設(shè)t20nm，L-200nm，t^l00nm，^30nm，s-50nm,金屬為銀，結(jié)構(gòu)上下以及上下 金屬薄膜間的介質(zhì)都設(shè)為空氣)。
在設(shè)計中，如果所需包括的波譜范圍較廣，但是由于受到制造工藝和物理本質(zhì)因素的限 制而使可以調(diào)變的波長范圍不能夠?qū)挄r，可在較大的尺度范圍內(nèi)(比如幾十微米)由多個實 施例1、 2或3結(jié)構(gòu)單元組成一個"超單元"(如實施例4)，在不同的"超單元"設(shè)計不同的諧振 腔長度(即上下兩層金屬膜間的距離)，由多個"超單元"構(gòu)成整個器件，如圖11所示實施例5。 其中51為襯底，52為襯底上的金屬薄膜，53為各個超單元中鑲嵌有金屬光柵的介質(zhì)層，54 為各個超單元中位于介質(zhì)層上的金屬薄膜。
權(quán)利要求
1.一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于設(shè)有襯底，在襯底上設(shè)有下層金屬薄膜，在下層金屬薄膜上設(shè)有介質(zhì)層，在介質(zhì)層中間鑲嵌著金屬光柵層，在介質(zhì)層上又設(shè)有上層金屬薄膜，金屬光柵層設(shè)有若干陣列單元，在不同的陣列單元內(nèi)金屬光柵的周期不同。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于襯底為透 明介質(zhì)襯底或半導(dǎo)體襯底。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于半導(dǎo)體襯 底為已經(jīng)制作了光電子器件的半導(dǎo)體芯片。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于下層金屬 薄膜、金屬光柵和上層金屬薄膜的金屬材料為良導(dǎo)體，良導(dǎo)體選自金、銀、銅或鋁。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于上層金屬 薄膜和下層金屬薄膜的厚度為5 100nm。
6. 如權(quán)利要求1或5所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于上層 金屬薄膜和下層金屬薄膜之間的間距為20 1000nm。
7. 如權(quán)利要求1所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于金屬光柵 層的厚度為5 1000nm。
8. 如權(quán)利要求1或7所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于金屬 光柵層的金屬光柵的周期為10 10000nm，金屬光柵內(nèi)開口部分的寬度為5 10000nm。
9. 如權(quán)利要求1所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于介質(zhì)層為 二氧化硅介質(zhì)層、氮化硅介質(zhì)層或氧化鋁介質(zhì)層；介質(zhì)層的厚度為20 1000nm。
10. 如權(quán)利要求1或7所述的一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，其特征在于金 屬光柵層中的金屬光柵為一維金屬光柵或二維金屬光柵。
全文摘要
一種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器，涉及一種光學濾波器。提供一種基于目前平面微納加工工藝可實現(xiàn)的陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器。設(shè)有襯底，襯底上設(shè)下層金屬薄膜，在下層金屬薄膜上設(shè)介質(zhì)層，在介質(zhì)層中間鑲嵌金屬光柵層，在介質(zhì)層上設(shè)上層金屬薄膜。金屬光柵層設(shè)若干陣列單元，在不同的陣列單元內(nèi)金屬光柵的周期不同。因在襯底上的兩層金屬薄膜之間夾一層鑲嵌有金屬光柵的介質(zhì)層，在芯片平面的不同集成單元內(nèi)金屬光柵具有不同的周期，從而調(diào)節(jié)了不同單元內(nèi)的等效折射率。當光波通過這種陣列式微諧振腔可調(diào)集成光學濾波器時，不同的陣列單元具有不同的諧振波長，于是在諧振波長附近的一定波譜寬度內(nèi)形成一個透射通帶，起到濾波作用。
文檔編號G02B6/12GK101261345SQ200810070878
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者孫志軍 申請人:廈門大學