[发明专利]一种阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学滤波器，尤其是涉及一种基于金属微纳结构的谐振腔，用于集成微光学系统的阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器。

背景技术

随着科技发展和人们生产、生活对光电产品高性能、智能化和便携化的需求，相关器件的微型化、集成化便成为研究开发的一个重要课题。其中光学滤波器是光电系统中的一个重要组成部分。尤其是制备在芯片上的可调变集成光学滤波器，对于彩色显示(参见文献：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))、芯片级光谱分析(参见文献：4、Z.Y.Wen，G.Chen，and J.G.Wang，Spectrosc.Spect.Anal.26，1955(2006))和生物化学传感(参见文献：5、G.Lu，B.Cheng，H.Shen，Y.Zhou，et al.，Appl.Phys.Lett.89，223904(2006))等都有重要的意义。基于Fabry-Perot谐振效应的滤波器是其中最常用、效果也最好的一种光学滤波器。但是要在芯片上集成对应于不同谐振波长的Fabry-Perot谐振腔阵列，就需要使不同单元内谐振腔的长度或(和)腔内介质的折射率不同。这对于目前常用的平面工艺来说，是较难在制造上实现的。自从发现了具有周期性纳米孔阵列的金属薄膜所具有的“异常”透射现象(参见文献：6、T.W.Ebbesen，J.J.Lezec，H.F.Ghaemi，T.Thio，and P.A.Wolff，Nature391，667(1998))以来，许多研究开发人员提出了基于此类金属薄膜中周期性纳米孔(或缝)的多种结构，通过改变芯片平面内不同单元内纳米孔(缝)的尺寸、形状和组合(参见文献：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))，它们展现了实现新一代集成可调光学滤波器的应用潜力。但是它们也存在一些局限，比如，跟具有同样厚度的Fabry-Perot滤波器(其中谐振腔两端部分透射和反射的金属膜厚度为～20纳米厚)相比较，这种基于纳米孔(缝)阵列的光学滤波器具有较宽的通带宽度(以半宽高来算，即FWHM)。同时，当加工这样的纳米孔(缝)已是相当困难、昂贵、而且低效的工艺时，要使不同单元内孔(缝)阵列的结构尺寸有微小的变化，则需要加工精度控制在深纳米量级，这是非常困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于目前平面微纳加工工艺可实现的阵列式微谐振腔可调集成光学滤波器。

本发明的技术方案是在两层极薄的金属薄膜之间加入一层金属光栅，在不同的器件单元内金属光栅的周期不同，所通过光波的谐振波长也不同，从而实现在谐振波长附近一定波长范围的通带。

本发明设有衬底，在衬底上设有一层金属薄膜(称下层金属薄膜)，在下层金属薄膜上设有介质层，在介质层中间镶嵌着金属光栅层，在介质层上又设有一层金属薄膜(称上层金属薄膜)。金属光栅层设有若干阵列单元，在不同的阵列单元内金属光栅的周期不同。

衬底可为透明介质衬底或半导体衬底，其中的半导体衬底可为已经制作了光电子器件的半导体芯片。