[发明专利]基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器

说明书

本发明提供的是一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，属于微纳光电子领域，滤波器包括波导层，缓冲层和金属纳米盘，在波导层1上覆盖有缓冲层2，在缓冲层2上刻蚀有纳米金属盘3，4阵列，金属盘3和4分别组成的行会进行交叉排布。通过改变滤波器周期P，可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵。本发明可以实现对对覆盖整个可见光谱的光的操纵，且具有偏振相关特性，可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度，能应用在高分辨率彩色显示中。

(一)技术领域

本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器

(二)背景技术

在自然界中，许多动植物都有着美丽丰富的色彩。它们通过其表面的特殊微结构衍射、反射和散射光以呈现不同的颜色。例如，在甲虫中，颜色源于皮肤上微结构的散射；而在蝴蝶中，颜色是来源于翅膀的反射。表面等离子体结构颜色是由金属微粒与光的相互作用而产生的颜色。因此，通过改变物体表面的微结构，可以控制光和物质之间的相互作用，以达到改变物体颜色的目的。例如，在中世纪，就已经有通过在陶瓷中掺杂金属纳米粒子来制备彩色陶瓷的技术，这是结构颜色在生活中的应用。陶瓷中金属纳米颗粒的存在使得材料能够吸收和散射特定光波，从而使得我们可以通过肉眼看到表面的不同颜色。

近年来随着微纳加工技术以及表面等离子体共振(SPRs)技术的发展，利用人工制造的金属微纳结构成为了产生结构色的主要方法。金属微纳结构可以有效地将光子和金属中的自由电子耦合从而让表面等离激元共振吸收(或辐射)特定频率的可见光，产生表面等离激元结构色。与普通化学染料相比，表面等离激元结构色结构色具有环保、易制造、不易褪色、持久性好、色彩控制方便等优点。基于这些优点，表面等离子体彩色滤光片在超高分辨率成像、液晶显示系统、CMOS数字集成电路和发光二极管中有着重要的应用。对于离激元结构色的研究近年来的研究重点转移到薄膜、周期性纳米结构上，以克服传统彩色过滤中遇到的尺度和耐久性问题。L.J.Guo团队设计了一种基于银纳米光栅耦合波导结构的滤光元件，通过改变Ag光栅的周期来覆盖整个可见光范围。Li等人提出了一个基于MIM(Ag/SiO₂/Ag)结构的反射型等离激元颜色超表面，可以通过改变绝缘体层的厚度来改变反射的颜色。

本文提出了一种由Al纳米盘组阵列、缓冲层和波导组成的透射式彩色滤波器。所提出的滤波器通过表面等离子体极化子(SPP)模、局域Fabry-Perot共振和波导模式的混合作用工作。通过控制纳米盘结构的尺寸、排列方式，周期，可以实现对覆盖整个可见光谱的光的操纵。它有着高透射，其透射率达到80％以上，除此之外，该滤波器还有偏振敏感特性，可以应用于彩色显示和集成光电器件方面。

(三)发明内容

本发明提供一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，通过控制等离子体纳米结构的尺寸、几何形状可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵，同时该滤波器能达到极高透色率以及拥有偏振敏感特性。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤光波器，包括Si₃N₄波导层、MgF₂缓冲层和Al纳米盘，在Si₃N₄波导层上有MgF₂缓冲层，缓冲层上刻蚀有金属Al纳米盘。Si₃N₄波导的厚度H1固定为100nm，MgF₂厚度H2固定25nm，Al盘的厚度H3固定为20nm，P为Al盘的周期，D1为大金属盘的直径，D2为小金属盘的直径，固定Al金属盘占空比为0.6。在这里，P，D1和D2之间的关系如下：2*D2＝D1，3*D2＝P。