[发明专利]一种窄带光谱滤波结构及其制作方法

说明书

本发明公开了一种窄带光谱滤波结构及其制作方法，属于集成光电子领域。该结构为基于固定介质层厚度的FP型窄带光谱滤波器结构，器件主要包括顶层布拉格反射镜1、中间介质层2、底层布拉格反射镜3和基底4；所述中间介质层2为低折射率介质材料，其上有亚波长孔阵列2‑1，及其填充在孔阵列内的高折射率介质材料亚波长柱阵列2‑2。基底4为滤波结构提供刚性支撑；布拉格反射镜1、3作为FP腔的上下反射镜；中间介质层2为FP腔的介质材料，通过改变其内部周期性亚波长结构的尺寸，便可控制高低折射率介质材料的比例，进而调节介质层的有效折射率，从而在厚度保持不变的情况下实现高效率窄带宽的多波段光谱滤波效果，同时依据亚波长结构的形状类型，可使得滤波结构具备相应的偏振敏感/无关特性。

所属领域

本发明属于集成光电子领域，主要涉及结构-电磁波调控技术、光谱滤波技术、半导体制造技术等。

现有技术

近年来，光谱成像技术在深空探测、遥感遥测、军事国防、生物医学等领域得到了广泛应用，成为科学家密切关注的研究热点，它是一种将光谱分析技术与光学成像技术完美结合而产生的新型成像技术，集成了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等多领域的先进技术，不仅可以实现光谱分析技术的定性定量分析功能，还可以通过光学成像技术，获取更准确直观的目标物体信息，为分析、检测、监控、测量等应用提供更为精准的技术手段。光谱滤波是进行光谱成像的核心功能之一，实现这个功能的滤波元件是光谱成像系统中的关键部件。光的传输效率、滤色纯度、偏振依懒性等是滤波元件的重要指标。传统的滤波器件主要采用染料聚合物等材料，不仅像素尺寸大，光学效率也仅仅达到40％左右，而且耐高温、抗辐射性能差。基于亚波长结构的新型滤波器件在与半导体加工工艺的兼容性、器件稳定性等方面都明显优于传统滤波器件。

1998年，Ebbesen等人发现的金属薄膜孔洞异常透射现象[Nature,391(6668):667,1998]引发了学者对表面等离激元滤波结构的关注。表面等离激元学的提出为新型亚波长结构式滤波器件的研制提供了新思路。目前，许多科研院所已经针对某些特征尺寸在亚波长尺度的滤波结构进行了研究。2011年，日本丰田中心研究与开发实验室提出了一种基于纳米圆孔、方形孔及三角形孔的周期性阵列滤波结构，通过改变铝孔的形状、周期及阵列晶格排布方式便可达到不同的滤波效果，该结构滤波范围广且具有偏振无关特性，然而光学效率较低[Applied Physics Letters,98(9):093113,2011]；2017年，美韩两国研究人员合作开发了一款新型的硅基RGB彩色滤光片，可用于配合CMOS图像传感器持续缩小的像素尺寸要求，该结构具有能量损耗低、效率高等特点，然而其带宽较大、滤波纯度低[NanoLetters,17(5):3159,2017]；2017年，哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室研究的一种基于TiO₂的全介质二维光栅结构，可以实现对整个可见光范围内的滤波且具有较高的光学效率，然而其反射光谱曲线有两个波峰，滤波纯度低[ACS Nano,11(5):4445,2017]。综上所述，上述几种滤波结构存在光学效率低、带宽大、滤波效果差等问题，这些问题不利于亚波长结构式滤波器件在光谱成像中的实际应用。因此，迫切需要发明一种光学效率高、带宽窄的新型滤波结构。

发明内容

发明目的

为了克服传统滤波器尺寸大、透过率低，现有亚波长结构式滤波器件光学效率低、带宽大等问题，本发明提出一种基于固定介质层厚度的Fabry-Perot(FP)型窄带光谱滤波器，旨在增加滤波的光学效率、提高滤波纯度。

技术方案

本发明提出的基于固定介质层厚度的FP型窄带光谱滤波器结构参阅图1和图2。器件主要包括顶层布拉格反射镜1、中间介质层2、底层布拉格反射镜3和基底4；

所述顶层布拉格反射镜1为两种高低折射率光学材料组成的多层膜结构，具体的，由一组或多组顶层布拉格反射镜高折射率介质材料层1-1和顶层布拉格反射镜低折射率介质材料层1-2间隔排列形成；