CN102364360A

CN102364360A - 非偏振可调谐导膜共振滤光片系统及其测量纳米间隙的方法

Info

Publication number: CN102364360A
Application number: CN2011103411420A
Authority: CN
Inventors: 吴永刚; 伍和云; 吕刚; 王振华; 夏子奂; 刘仁臣
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2031-11-02
Also published as: CN102364360B

Abstract

本发明涉及非偏振可调谐导模共振滤光片系统及其测量纳米间隙的方法，系统由两个相同的导模共振滤光片平行相向放置构成，每个导模共振滤光片均由衬底层、波导层和光栅层构成，其中，导模共振滤光片系统为正交双光栅系统，两个导模共振滤光片的光栅层平行相向，且条纹相互垂直，两个光栅层之间为空气间隙层。通过测量入射光经过系统后TE₀模式或TM₀模式的两个分裂反射峰在光谱区域的间距，可得到两光栅之间纳米间隙的大小(<100nm)。优点是：本发明的正交双光栅结构适应于任何偏振的入射光，并可实现TE₀模式的两个分裂反射峰与TM₀模式的两个分裂反射峰在光谱区域的分离，避免TE₀和TM₀两种模式之间在测量时的可能干扰。

Description

非偏振可调谐导膜共振滤光片系统及其测量纳米间隙的方法

技术领域

本发明技术涉及导波光学、近场光学，在纳米间隙测量、光谱测量，纳米间隙测量研究领域有应用前景。

背景技术

亚微米/纳米间隙的测量是工业和科学技术发展中极为重要的问题。在半导体工业中高精度模板的制造和定位,磁记录设备中硬盘磁头飞行高度的监控，近场光存储头盘间距测量，高精度传感器的标定，MEMS 器件中微观形变的检测, 超光滑表面粗糙度和平面度的检验,标准量块的鉴定,微弱振动的测量，以及科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等的高精度测量等方面，亚微米/纳米间隙的高精度测量呈现出越来越重要的作用。

美国MIT的Moon等人为研究接近式光刻掩模与基片以及压印模板与基片之间的间距，利用啁啾-泰伯效应测量了两玻璃基板之间的间隙宽度，他们所用的方法灵敏度优于1nm，然而可测量的最小间隙仅为1μm。我国台湾国立清华大学的吴孟奇等人采用表面等离子体技术进行了纳米级间隙宽度的测量，这种技术能测量小于500nm的间隙。但是当纳米空气间隙降低至100nm时，反射率曲线不再有明显的变化，因此也就无法检测到纳米间隙的变化]。并且由于这种技术所检测的是反射峰的高度变化，其测量精度将不可避免地受光源信号强度变化，噪声信号等影响。

在外界条件(如间隙，光栅厚度，波长等)微小改变时，导模共振滤光片具有突然快速变化其光学性质的特性。当入射光波长满足导模共振滤光片共振条件时，会出现强烈的反射现象，反射率接近于1，而当入射光波长略微偏离该波长时，反射率会迅速减小，并接近于零，反射峰带宽通常小于1个纳米。因此，借助于微机电系统，通过调节元件的微米和纳米空间尺度，可以操控元件的光学性质。从而将其广泛应用于各种光学元件，如传感器，滤光片、调制器，光学开关，激光器等。当两个相同的导模共振滤光片相向平行相对放置时，它们之间的相互作用会导致共振模式的分裂。利用其中一个分裂的共振峰随两个导模共振滤光片之间相对距离的移动，可有效地检测和表征纳米间隙。同时也可通过纳米间隙的移动或扫描，构成微纳光学光谱仪器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，这种光谱选择性滤光片系统构建方法简单，可用于对纳米间隙(尤其是小于100nm间隙)进行测量。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供上述非偏振可调谐导模共振滤光片系统测量纳米间隙的方法。

本发明解决上述技术问题所采取的技术方案是：一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，由两个相同的导模共振滤光片平行相向放置构成，每个导模共振滤光片均由衬底层、波导层和光栅层构成，其中，所述的导模共振滤光片系统为正交双光栅系统，两个导模共振滤光片的光栅层平行相向，且条纹相互垂直，两个光栅层之间为空气间隙层，该空气间隙层为不大于100nm的纳米间隙。

基于导模共振滤光片的特性，本发明所提出一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，其原理是：

当一个薄膜层的折射率高于其两侧材料的折射率时，该薄膜层与两侧材料就构成了一个光波导，在一定的条件下，光波可以在薄膜层内传播而不泄露到其两侧的材料中。当两个光波导相距很近时(小于光波长)，由于沿着两个光栅层表面传播的倏逝波会发生相互作用，因而会发生偶合现象。在具体分析时，可以将这样两个近距离光波导看作是一个复杂的多层膜光波导，并应用光波导理论对其波导模式特性进行分析。

当光波垂直入射时，多层膜波导中导模的传播常数可由

表示，其中ε_n是第n个膜层的相对介电系数，k = 2π / λ，λ是真空中的波长。多层膜波导的本征值方程由

P_c A + P_c P_s B + C + P_sD = 0

来表示，其中

P_c= [ε_c－(β_n/ k)²]^1/2，

P_s= [ε_s－(β_n/ k)²]^1/2，

ε_c和ε_s分别是上衬底层和下衬底层材料的相对介电系数，A、B、C、D是多层膜波导的特征矩阵的矩阵元，由矩阵表达式

所定义，上式表示多层膜波导的特征矩阵是每层薄膜的特征矩阵的连乘。其中

，

，dn是第n层的厚度，

Figure 2011103411420100002DEST_PATH_IMAGE006

。多层膜波导的本征值方程将波导中各层膜的几何尺度特性和材料折射率特性与波导模式相连系，在通常情形，多层膜波导的本征值方程是一个超越方程，可通过计算机编程数值求解得到波导模式的色散关系。

本发明所设计的非偏振可调谐导模共振滤光片系统如附图1所示。图中正交的双光栅系统由两个完全相同的导模共振滤光片，其光栅相向平行，且条纹相互垂直放置而构成。形成一个7层的正交双光栅系统，自上而下依次为：上衬底层1、上波导层2、上光栅层3，空气间隙层4，下光栅层5，下波导层6以及下衬底层7。其中第2层和第6层的折射率均高于其两侧的衬底层和光栅层，因此它们分别与其两侧的衬底层和光栅层构成了光波导。

当一束光入射在非偏振可调谐导模共振滤光片系统(即多层膜光波导)上时，将通过衍射而进入波导，并在波导中形成相互垂直而且独立的两组传播模式。因为y方向传播的模式受到上光栅的调制，而下光栅因其条纹平行于y方向而对y方向传播的模式不产生调制作用，因此当我们在分析沿y方向传播的模式时，可以将下光栅看作为一个均匀薄膜层，并将上光栅层的传播常数看作为整个多层膜光波导的传播常数。类似地，在分析沿x方向传播的模式时，可以将上光栅看作为一个均匀薄膜层，并将下光栅层的传播常数看作为整个多层膜光波导的传播常数。在TE或TM入射时，上光栅层和下光栅层的折射率可分别用相应的等效折射率来替换。两个光栅层共同作用的结果使多层膜光波导在x-y平面内都具有了波导作用。而受到上下两个光栅层作用的传输波导光在x和y方向的分量不仅相互正交，而且互不干扰。

由于所构成的正交双光栅系统中不存在吸收，因此相应于附图1的情形，当入射光束沿负z方向相对于上光栅以TE偏振入射时，获得的透射和反射光谱应该与当入射光束沿正z方向相对于下光栅以TM偏振入射时的结果相同。而由于本发明所设计的正交双光栅系统的结构特点，入射光沿正z方向相对于下光栅以TM偏振入射，实际上等同于入射光沿负z方向相对于上光栅以TM偏振入射。因此，对于本发明构建的正交双光栅光学薄膜系统，入射光束相对于上光栅为TE偏振入射和TM偏振入射时获得的光谱透射和反射特性完全相同。

由于TE偏振入射和TM偏振入射时获得的光谱完全相同，因此仅给出TE偏振入射时的正交双光栅系统的光谱特性。当入射光束沿负z方向以TE偏振入射到上光栅时，对于沿y方向的传播分量计算，取上光栅的传播常数作为整个系统的传播常数，取上光栅的等效折射率为TE偏振入射波的等效折射率，下光栅的等效折射率为TM偏振入射波的等效折射率；而对于沿x方向的传播分量，则取下光栅的传播常数作为整个系统的传播常数，同时取上光栅的等效折射率为TE入射波的等效折射率，下光栅的等效折射率为TM入射波的等效折射率。系统的光谱透射率或反射率是上述两个分量光谱的简单迭加。

将两个相同的双层导模共振光栅相向平行放置，并使两个光栅的条纹之间互相垂直，形成两光栅间空气隙大小可调谐的正交双光栅导模共振滤光系统。此种正交双光栅结构适应于任何偏振的入射光。适当选择光栅层的折射率调制强度，厚度，以及波导层折射率与厚度，可实现TE₀模式的两个分裂反射峰与TM₀模式的两个分裂反射峰在光谱区域的分离，可避免TE₀和TM₀模式之间在测量时的可能干扰。以TE偏振入射光或TM偏振入射光或非偏振光沿着垂直于导模共振滤光片系统的方向入射，通过测量入射光经过系统后TE₀模式的两个分裂反射峰或TM₀模式的两个分裂反射峰在光谱区域的间距，可得到两光栅之间空气间隙层的大小。其中，所述的空气间隙层为不大于100nm的纳米间隙。

在上述方案的基础上，所述的衬底层为光学玻璃，波导层为二氧化钛、硫化锌、二氧化锆中的一种高折射率光学介质材料，折射率范围是2.2~2.45，光栅层为由二氧化硅、氟化镁、氟化钙中的一种低折射光学介质材料和空气构成，低折射率光学介质材料的折射率范围是1.35~1.46。

在上述方案的基础上，所述波导层的厚度范围是119~200nm，所述光栅层的厚度范围是26.4~80nm，光栅周期范围是330~1000nm。

具体的，波导层的厚度可以是119nm、125nm、130nm、135nm、140nm、145nm、150nm、155nm、160nm、165nm、170nm、175nm、180nm、185nm、190nm、195nm或200nm；

光栅层的厚度可以是26.2nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm或80nm；

光栅周期可以是330 nm、400 nm、500 nm、600 nm、700 nm、800 nm、900 nm或1000nm。

利用上述的非偏振可调谐导模共振滤光片系统测量纳米间隙的方法，以TE偏振入射光或TM偏振入射光或非偏振光沿着垂直于导模共振滤光片系统的方向入射，通过测量入射光经过系统后TE₀模式的两个分裂反射峰或TM₀模式的两个分裂反射峰在光谱区域的间距，测得导模共振滤光片系统中空气间隙层的大小，其中，所述的空气间隙层为不大于100nm的纳米间隙。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提出的一种可用于纳米间隙测量的非偏振可调谐导模共振滤光片系统具有结构简单，易于构建；

2、本发明所提出的一种可用于纳米间隙测量的非偏振可调谐导模共振滤光片系统可采用任何偏振形式的入射光作为探测光源，简化了对光源的要求；

3、当入射光经过所构建的导模共振滤光片系统的空气隙时，两光栅之间产生近场耦合作用，空气隙愈小，近场耦合作用愈强，因此此系统更适用于特别微小的间隙。相应于本发明所设计的特定结构，可测量的纳米间隙范围可小于100nm。

附图说明

图1为本发明所提出的正交双光栅系统结构示意图。

图2为波导层选用折射率为2.35的二氧化钛，光栅层材料选用折射率为1.46的二氧化硅和折射率为1的空气构成，系统中的空气间隙层为0，光栅周期为500nm，上、下两个光栅层的厚度均取为40nm，然后同时改变上、下两个波导层的厚度后得到的TE波和TM波入射的导模共振峰波长位置与波导层厚度的关系。

图3为波导层选用折射率为2.35的二氧化钛，光栅层材料选用折射率为1.46的二氧化硅和折射率为1的空气构成，系统中的空气间隙层为0，光栅周期为500nm，上、下两个波导层的厚度均为145nm，然后同时改变上、下两个光栅层厚度得到的共振峰波长位置与光栅层厚度的关系。

图4为波导层选用折射率为2.35的二氧化钛，光栅层材料选用折射率为1.46的二氧化硅和折射率为1的空气构成, 光栅周期为500nm，上、下两个光栅层厚度为40nm，光栅周期为500nm，上、下两个波导层的厚度均为145nm，然后改变两个光栅层之间的空气间隙层大小而得到的共振峰波长位置与空气间隙的关系。

图5为波导层选用折射率为2.45的硫化锌，光栅层材料选用折射率为1.38的氟化镁和折射率为1的空气构成，系统中的空气间隙层为0，光栅周期为1000nm，上、下两个光栅层的厚度均为80nm，然后同时改变上、下两个波导层的厚度后得到的TE波和TM波入射的导模共振峰波长位置与波导层厚度的关系。

图6为波导层选用折射率为2.45的硫化锌，光栅层材料选用折射率为1.38的氟化镁和折射率为1的空气构成，系统中的空气间隙层为0，光栅周期为1000nm，上、下两个波导层的厚度均为200nm，然后同时改变上、下两个光栅层厚度得到的共振峰波长位置与光栅层厚度的关系。

图7为波导层选用折射率为2.45的硫化锌，光栅层材料选用折射率为1.38的氟化镁和折射率为1的空气构成，光栅周期为1000nm，上、下两个光栅层厚度均为80nm，上、下两个波导层的厚度均为200nm，然后改变两个光栅层之间的空气间隙大小而得到的共振峰波长位置与空气间隙的关系。

图8为波导层选用折射率为2.2的氧化锆，光栅层材料选用折射率为1.35的氟化钙和折射率为1的空气构成，系统中的空气间隙层为0，光栅周期为330nm，上、下两个光栅层的厚度均为26.4nm，然后同时改变上、下两个波导层的厚度后得到的TE波和TM波入射的导模共振峰波长位置与波导层厚度的关系。

图9为波导层选用折射率为2.2的氧化锆，光栅层材料选用折射率为1.35的氟化钙和折射率为1的空气构成，系统中的空气间隙层为0，光栅周期为330nm，上、下两个波导层的厚度均为119nm，然后同时改变上、下两个光栅层厚度得到的共振峰波长位置与光栅层厚度的关系。

图10为波导层选用折射率为2.2的氧化锆，光栅层材料选用折射率为1.35的氟化钙和折射率为1的空气构成，光栅周期为330nm，上、下两个光栅层厚度均为26.4nm，上、下两个波导层的厚度均为119nm，然后改变两个光栅层之间的空气间隙大小而得到的共振峰波长位置与空气间隙的关系。

附图中标号说明

1－上衬底层； 2－上波导层； 3－上光栅层；

4－空气间隙；

5－下光栅层； 6－下波导层； 7－下衬底层。

具体实施方式

具体设计时，第一步先选定所用的光学材料。在上述方案的基础上，所述的衬底层均为光学玻璃，波导层可选用二氧化钛(TiO₂)、硫化锌(ZnS)、二氧化锆(ZrO₂)、五氧化二钽(T₂O₅)、氧化铈(CeO₂)、氧化铪(HfO₂)、氧化镁(MgO)等高折射率光学材料中的一种，光栅层可由二氧化硅(SiO₂)、氟化镁(MgF₂)、氟化钙(CaF₂)、冰晶石(Na₃AlF₆)等低折射率材料中的一种与空气构成。

第二步是选定光栅周期，并设定光栅的填充因子和计算出光栅层的等效折射率。根据正交双光栅系统所应用的光谱范围，光栅周期一般可取300~1000nm。光栅层的等效折射率是指两种不同折射率材料所构成的光栅层对入射光所产生的作用，这种作用与某一个折射率为确定值的均匀介质相当，因此该均匀介质的折射率即认为是光栅层在此特定入射条件下的等效折射率。在一级近似的条件下，光栅层对TE和TM入射光的等效折射率n_TE和n_TM可表示为

。

第三步是设定光栅层和空气隙的厚度，然后利用多层膜波导本征值方程计算TE和TM偏振入射时反射峰波长位置与波导层厚度之间的关系。为获得最大的反射峰位置随光栅间空气间隙的变化，应选用反射峰波长位置与波导层厚度关系图中的TE₀模式或TM₀模式。光栅层的厚度不可太大，应小于倏逝波在光栅层和波导层之间的穿透深度。因所设计的空气隙探测厚度小于100nm，因此先设定的空气隙厚度可选为零，以便为接着的光栅层和波导层厚度的选择留下余地。

在反射峰波长位置与波导层厚度关系图中，由于波导层的耦合作用，TE₀和TM₀模式均会产生分裂，一般在TE₀的两个分裂模式中会间有TM₀模式，同样地在TM₀的两个分裂模式中会间有TE₀模式。当波导层厚度大于某一个值时，会出现TE₀的两个分裂模式中不再间有TM₀模式，同样地，在TM₀的两个分裂模式中不再间有TE₀模式。将波导层厚度选定在略大于该值位置。

第四步是将波导层厚度设定在略大于该值位置，并仍设定空气隙厚度为零，再计算反射峰波长位置与光栅层厚度的关系。在整个光栅厚度变化范围内，会出现TE₀的分裂模式和TM₀的分裂模式所对应的两组反射峰曲线，TE₀的两个分裂模式所对应的反射峰的间距随光栅厚度的增大而减小，同样地，TM₀的两个分裂模式所对应的反射峰的间距也随光栅厚度的增大而减小。在光栅厚度较小时，TE₀与TM₀模式发生交叠，即TE₀的两个分裂模式之间有TM₀模式，而TM₀的两个分裂模式之间也有TE₀模式。在光栅厚度达到某个值时，TE₀与TM₀模式不再发生交叠，即TE₀的两个分裂模式之间不再有TM₀模式，而TM₀的两个分裂模式之间也不再有TE₀模式。将光栅层厚度选定在略大于该值位置。

在本发明中，因为光栅层的高低折射率材料的选取使光栅层的等效折射率小于波导层的折射率，因此光栅层仅起到色散的作用，而不起波导作用。两个波导层之间的间隙由空气间隙和两个光栅层所构成，光栅层厚度的增加对应的是两薄膜波导层之间间隙的增加。光栅层偏厚，会导致波导层之间的最小间隙偏大，减弱波导之间的耦合强度，从而导致探测灵敏度的降低。光栅层偏薄，则当空气间隙较小时，会产生分裂模式之间的夹杂。

第五步是在上述所选定参数的基础上，计算得到反射峰位置与空气隙的关系。

在第三至第五步中，都需要通过计算机编程数值求解多层膜波导的本征值方程。

在利用所述的非偏振可调谐导模共振滤光片系统进行纳米间隙的测量时，首先可在被测量的纳米间隙产品上安装并固定本发明所述的非偏振可调谐导模共振滤光片系统，当被测的产品产生纳米间隙变化时，将带动非偏振可调谐导模共振滤光片系统中的两个波导产生相应的纳米间隙变化。利用宽光谱光源或光谱扫描的方式垂直照射非偏振可调谐导模共振滤光片系统，将在对应的TE₀的两个分裂模式的位置测量到峰值反射，记录分裂的反射峰的相对位置随纳米间隙的变化，即可推知相应的纳米间隙的尺度。

实施例1

在上述实施方式的基础上，选取波导层材料为折射率是2.35的二氧化钛(TiO2),光栅层材料是折射率为1.46的二氧化硅(SiO2),光栅周期为500nm，光栅填充因子为f = 0.5，光栅层厚度为40nm，空气隙厚度为零，改变两个波导层的厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与波导层厚度之间的关系，见附图2所示。接着将波导层厚度选定为145nm，改变两个光栅层厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与光栅层厚度之间的关系，见附图3所示。再选定光栅层厚度为40nm，改变空气隙厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与空气隙厚度之间的关系，见附图4所示。

由附图2中看到，当波导层厚度较小时(如小于145nm)，在TE₀的两个分裂模式之间夹有一个TM₀的一个分裂模式，相应地在TM₀的两分裂模式之间夹有TE₀的一个分裂模式。然而，当波导层厚度较大时，可使TE分裂的两个模式与TM分裂的两个模式相互分离，并在某一波长段范围中不发生夹杂。如附图2中波导层厚度大于145nm时TE₀的两个分裂模式之间不再夹有TM₀模式，同样在TM₀的两个分裂模式之间不再夹有TE₀模式。因此利用波导层厚度大于145nm的结构，可以很方便地检测两个分裂模式的波长位置及差值而不受到其它模式的干扰，从而快速准确地获得纳米间隙的尺度。

由附图4看到，当入射光以x方向偏振入射，即相对于上光栅以TE偏振入射时，在整个空气间隙变化的范围内，出现两组分裂的模式。两组分裂模式之间不再出现间杂，随着空气隙的增加，分裂模式之间的差距逐渐减少，并最终趋于零。由附图4还看到，在空气隙接近于零时，分裂模式的间距随空气隙厚度的变化尤其快速，因此这一的设计特别适合于小尺度，即几个纳米到100nm范围的空气隙间距测量。

附图4中TE的两个分裂模式对应于正交双光栅系统中的上光栅，而TM的两个分裂模式对应于正交双光栅系统中的下光栅。和x方向偏振入射的情形类似，当以y方向偏振入射时，同样出现如附图4所示的共振峰波长位置与光栅之间间隙的关系，但此时TE的两个分裂模式对应于正交双光栅系统中的下光栅，而TM的两个分裂模式则对应于正交双光栅系统中的上光栅。

对于正交双光栅系统而言，无论入射的光束是TE偏振或TM偏振，或是非偏振，共振峰波长位置与光栅之间间隙的关系始终保持附图4所示的形式。从而使该系统在任意偏振入射的情形时都能获得相同的测试结果，减少了对入射光源的要求。这有助于减少光学测量系统中的光学元件，从而大大减小光学材料系统的体积，使其能更好地应用于集成光学测量系统之中。由图4看到，当空气隙由0变化到100nm时，所测量到的TE₀偏振的两个分裂模式的反射峰位置变化可达到75nm。

本例的设计适合于应用在近红外光测量范围。

实施例2

在上述实施方式的基础上，选取波导层材料为折射率是2.45的硫化锌(ZnS),光栅层材料是折射率为1.38的氟化镁(MgF₂),光栅周期为1000nm，光栅填充因子为f = 0.5，光栅层厚度为80nm，空气隙厚度为零，改变两个波导层的厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与波导层厚度之间的关系，见附图5所示。接着将波导层厚度选定为200nm，改变两个光栅层厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与光栅层厚度之间的关系，见附图6所示。再选定光栅层厚度为80nm，改变空气隙厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与空气隙厚度之间的关系，见附图7所示。由图7看到，当空气隙由0变化到100nm时，所测量到的TE₀偏振的两个分裂模式的反射峰位置变化可达到108nm。

本例的设计适合于应用在红外光测量范围。

实施例3

在上述实施方式的基础上，选取波导层材料为折射率是2.2的氧化锆(ZrO₂),光栅层材料是折射率为1.35的氟化钙(CaF₂),光栅周期为330nm，光栅填充因子为f = 0.5，光栅层厚度为26.4nm，空气隙厚度为零，改变两个波导层的厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与波导层厚度之间的关系，见附图8所示。接着将波导层厚度选定为119nm，改变两个光栅层厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与光栅层厚度之间的关系，见附图9所示。再选定光栅层厚度为26.4nm，改变空气隙厚度，并计算因此而导致的共振峰波长位置与空气隙厚度之间的关系，见附图10所示。由图10看到，当空气隙由0变化到100nm时，所测量到的TE₀偏振的两个分裂模式的反射峰位置变化可达到44nm。

本例的设计适合于应用在可见光测量范围。

Claims

1.一种非偏振可调谐导模共振滤光片系统，由两个相同的导模共振滤光片平行相向放置构成，每个导模共振滤光片均由衬底层、波导层和光栅层构成，其特征在于：所述的导模共振滤光片系统为正交双光栅系统，两个导模共振滤光片的光栅层平行相向，且条纹相互垂直，两个光栅层之间为空气间隙层，该空气间隙层为不大于100nm的纳米间隙，其中，所述的波导层均为高折射率介质材料，光栅层均由低折射率材料与空气构成。

2.根据权利要求1所述的非偏振可调谐导模共振滤光片系统，其特征在于：所述的衬底层为光学玻璃，波导层为二氧化钛、硫化锌、二氧化锆中的一种高折射率光学介质材料，折射率范围是2.2~2.45，光栅层为由二氧化硅、氟化镁、氟化钙中的一种低折射光学介质材料和空气构成，低折射率光学介质材料的折射率范围是1.35~1.46。

3.根据权利要求1所述的非偏振可调谐导模共振滤光片系统，其特征在于：所述波导层的厚度范围是119~200nm，所述光栅层的厚度范围是26.4~80nm，光栅周期范围是330~1000nm。

4.一种利用权利要求1至4之一所述的非偏振可调谐导模共振滤光片系统测量纳米间隙的方法，其特征在于：以TE偏振入射光或TM偏振入射光或非偏振光沿着垂直于导模共振滤光片系统的方向入射，通过测量入射光经过系统后TE₀模式的两个分裂反射峰或TM₀模式的两个分裂反射峰在光谱区域的间距，测得导模共振滤光片系统中空气间隙层的大小，其中，所述的空气间隙层为不大于100nm的纳米间隙。