[发明专利]一种基于浅刻圆盘结构的高品质因子介质纳米天线及其应用

说明书

本发明提供一种基于浅刻圆盘结构的高品质因子介质纳米天线及其在光谱选择中的应用。该介质纳米天线包括超薄硅膜以及设置在超薄硅膜上的硅圆盘周期阵列。本发明的介质纳米天线，采用对光具有极低吸收的硅作为介质材料，可以实现无损地传递光学信号。其低损耗的特性可在获得较高光谱选择性的同时减小光学信号的衰减。并通过浅刻圆盘结构的磁谐振激发波导中的束缚模式形成导模共振，可以实现高品质因子、极窄带宽(小于2纳米)的波长选择。本发明的介质纳米天线基于绝缘体上硅，其制备与微电子互补金属氧化物半导体工艺兼容，可以实现大面积低成本制备。采用浅刻圆盘结构制备的介质纳米天线可以在近红外波段实现自由空间光的光谱选择，其品质因子能够达到864。

技术领域

本发明属于光学纳米器件技术领域，具体涉及一种基于浅刻圆盘结构的高品质因子介质纳米天线及其应用。

背景技术

在现代光学系统中，光学元件的集成化和小型化已成为当下的发展趋势，因而亚波长尺度的微纳光学元件便是解决这一需求重要的一环。以往近红外光学系统中的波长选择的元件主要采用金属-介质-金属反射镜或者是多层介质薄膜组成的结构滤光片，进而实现对单色光或者波长范围的筛选。

金属-介质-金属反射镜由于金属本身有一定的吸收损耗，限制了其最大反射率，而且金属趋肤效应的存在，在高强度光强下，容易造成反射镜表面变形，影响光束质量。多层介质薄膜由两种及以上不同折射率的介质材料交替沉积多层构成，一般对于各层的厚度和成膜质量的误差容忍度较低，因而对于制备工艺和膜层厚度的控制都提出了很高的要求，且多层的结构限制了器件整体的最小尺寸。

单层介质膜实现的滤波器中，单一渐变材料光栅(CN 106772741A)利用渐变折射率介质来代替多层膜，降低了多层膜的尺寸限制，但存在着加工困难的问题。介质棒阵列(CN 108919401A)利用磁谐振实现了单一简单结构的窄带滤波器，但是仍有500纳米的高度限制，且带宽为2.1nm，在设计波长上品质因子仅有348(由法诺线型拟合公式计算得到)。

综上所述，目前没有一种超薄结构实现极高光谱选择性的高品质因子全介质微纳光学元件。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺点和不足，利用介质材料在入射光照射下会极化并产生内部位移电流的极子谐振特性，提出了一种基于浅刻圆盘结构的高品质因子介质纳米天线及其在光谱选择中应用，利用这种结构中激发高品质因子的导模共振，实现特定波长的极高选择性。

一种基于浅刻圆盘结构的高品质因子介质纳米天线，包括超薄硅膜以及设置在超薄硅膜上的硅圆盘周期阵列。

上述技术方案中，以超薄硅膜作为提供高品质因子束缚模式的波导层，在其上曝光掩膜层并刻蚀出超浅圆盘的周期阵列构成的器件。该器件在垂直入射的光源照射下，会在反射光谱中只允许特定波长的光反射，亦即在透射光谱中只有特定波长的光被滤除。

作为优选，所述圆盘与超薄硅膜一体设置。加工时，直接采用刻蚀工艺，在硅膜原位形成所述的圆盘。

上述技术方案中，当光源垂直入射到周期阵列的圆盘上，入射光通过圆盘耦合到超薄硅膜中形成导模共振。在没有圆盘时，超薄硅膜内的波导模式不能与自由空间光耦合，是束缚模式。由于圆盘与超薄硅膜是同种介质材料，使得在圆盘内部的磁谐振与超薄硅膜中的波导模式发生耦合，激发超薄硅膜中特定波长的波导模式变成泄露模式，形成导模共振，进而实现对光源的光谱选择。

作为优选，所述超薄硅膜为以氧化硅为衬底的硅膜。

上述技术方案中，所述超薄硅膜可以采用在氧化硅衬底上通过磁控溅射或者化学气相沉积方法生长得到。所述氧化硅衬底为所述超薄硅膜提供支撑，增强所述超薄硅膜的机械强度。

作为优选，所述氧化硅衬底的厚度为350μm～2mm，所述超薄硅膜的厚度为120nm～3μm。