CN103245996A - 一种阵列式多光谱滤光片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阵列式多光谱滤光片及其制作方法，属于微纳米滤光片领域。解决现有微流控芯片中多通道阵列化检测的集成化问题。该滤光片只包括二维金属光栅层、缓冲层、波导层和基底四层结构。本发明还提供了滤光片的制作方法，是利用二维金属光栅的导模共振原理，通过调节光栅周期实现不同波长的选择。通过缓冲层的厚度还可以调节透过波长的半波带宽。通过调节二维金属光栅层的合适的占空比，可以减少旁瓣。因此，本发明的方法制作的阵列式多光谱滤光片相对于其他可调谐滤光片来说，具有结构简单、旁瓣低、半波带宽可调、透过率高、与偏振无关等突出优点。应用本发明的滤光片，能够实现微流控芯片的集成化。

Description

一种阵列式多光谱滤光片及其制作方法

技术领域

本发明涉及微纳米滤光片领域，具体涉及一种阵列式多光谱滤光片及其制作方法。

背景技术

窄带F-P型薄膜干涉滤光片是一种常见的干涉型滤光片。目前，这种滤光片的设计还基于传统的F-P（法布里-珀罗）型干涉滤波仪。传统的F-P型干涉滤波仪是由两个平行放置的介质板内表面镀高反射膜，形成两反射面；再在两反射面之间夹入很薄的电介质透明层；当复色光通过时，由于干涉作用，对不同波长的光，有些光通过干涉而加强，有些光因为干涉而相消，所以多色光通过干涉后，就只有特定波长的光了，从而起到滤光作用。通过调节F-P腔的长度或者腔内介质折射率实现不同波长的选择，得到可调谐干涉滤光片。可调谐干涉滤光片适用于微流控芯片中多通道阵列化检测。

上述可调谐干涉滤光片通过调节F-P腔的长度实现波长可调，是通过外部连接压电陶瓷的压电效应或者静电力和结构的耦合作用而实现的；通过调节腔内介质折射率实现波长可调通常是利用外部电压精确控制腔内液晶材料的折射率变化而实现的。通过F-P腔设计的可调谐滤光片虽然可以实现多波长的选择，但是外部控制系统相对复杂，不便于微流控芯片中多通道阵列化检测的集成化。

发明内容

本发明为了解决现有微流控芯片中多通道阵列化检测的集成化问题，而提供了一种适用于微流控芯片集成化的阵列式多光谱滤光片及其制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种阵列式多光谱滤光片，该阵列式多光谱滤光片包括四层结构，其结构由上到下依次为二维金属光栅层、缓冲层、波导层和基底；

所述基底材料与缓冲层材料相同；

所述波导层的厚度H范围为：0～h_max，h_max为模序数m=1时最小工作波长对应的波导层截止厚度，计算公式如下：

$h_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2\sqrt{n^2-n_s^2}};$

式中λ_min为最小工作波长；

n为波导层材料的折射率，n_s为基底材料的折射率，并且n＞n_s；

所述波导层材料的折射率大于缓冲层材料的折射率；

所述二维金属光栅层材料的反射率大于90%。

在上述技术方案中，所述的二维金属光栅层材料为金，铝或银。

在上述技术方案中，所述基底材料与缓冲层材料为二氧化硅、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PC（聚碳酸酯）中的一种；所述波导层材料为二氧化钛、氧化铝、硫化锌、氮化硅和硒化锌中的一种。

在上述技术方案中，所述的二维金属光栅层的占空比为0.8～0.9，优选二维金属光栅层的占空比为0.85。

一种阵列式多光谱滤光片的制作方法，该制作方法包括以下步骤：

步骤一、在基底上制作波导层，波导层的厚度H范围为：0～h_maxμm，h_max为模序数m=1时最小工作波长对应的波导层截止厚度，计算公式如下：

$h_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2\sqrt{n^2-n_s^2}};$

式中λ_min为最小工作波长；

n为波导层材料的折射率，n_s为基底材料的折射率，并且n＞n_s；

步骤二、在波导层上制作缓冲层；波导层材料的折射率大于缓冲层材料的折射率；

步骤三、在缓冲层上制作二维金属光栅层；二维金属光栅层材料的反射率大于90%。

在上述技术方案中，所述的二维金属光栅层材料为金，铝或银。

在上述技术方案中，所述基底材料与缓冲层材料为二氧化硅、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PC（聚碳酸酯）中的一种；所述波导层材料为二氧化钛、氧化铝、硫化锌、氮化硅和硒化锌中的一种。

在上述技术方案中，步骤三中所述的二维金属光栅层的占空比为0.8～0.9，优选二维金属光栅层的占空比为0.85。

本发明的一种阵列式多光谱滤光片及其制作方法的有益效果是：

本发明提供的阵列式多光谱滤光片，结构示意图如附图1，该滤光片包括二维金属光栅层、缓冲层、波导层和基底四层结构，并且缓冲层材料与基底材料相同。由于缓冲层和基底也可以称为波导层的上包层和下包层，并且缓冲层材料与基底材料相同，因此该滤光片的波导层结构为对称波导结构。由于二维金属光栅的结构对称性，透射峰值波长与入射光的偏振方向无关，大大提高了吸光度检测过程中入射光的利用效率。其中，缓冲层是用来调节最大透射波长的半波带宽。因此，相对于其他可调谐滤光片来说，本发明的滤光片具有结构简单、旁瓣低、半波带宽可调、透过率高、与偏振无关等突出优点。应用本发明的滤光片，能够实现微流控芯片的集成化。

本发明提供的阵列式多光谱滤光片的制作方法是利用二维金属光栅的导模共振原理，通过调节光栅周期实现不同波长的选择。导模共振是指当亚波长光栅的高衍射级次与光栅波导或者临近光栅结构波导层的导模位相匹配时发生共振，发生共振的导模由于光栅的周期调制转化为泄漏模式发生反射或者透射。共振模式主要取决于光栅的周期结构。因此，通过调节光栅周期可以实现不同波长的选择。附图2为本发明的阵列式多光谱滤光片的不同光栅周期P的二维金属光栅的设计示例图。附图3是设计示例中光栅周期P不同时，不同波长对应的透射谱线，随着周期的增加最大峰值波长红移。

本发明提供的阵列式多光谱滤光片的制作方法，通过调节二维金属光栅层的合适的占空比，可以减少旁瓣。图5为实施例中二维金属光栅层的占空比对透射谱线的影响关系图，当占空比f=0.7时，透过率高达85%，但是此时在峰值波长附近会出现另一个次峰值，该峰值是由于二维金属光栅衍射过程中引起的，为了尽量避免该次峰的产生，选择金属光栅的占空比f=0.8～0.9，最优占空比f=0.85。图5中显示，当占空比f=0.85时，没有次峰产生。因此本发明的制作方法制作的滤光片具有旁瓣低的优点。并且，由于二维金属光栅的结构对称性，透射峰值波长与入射光的偏振方向无关，大大提高了吸光度检测过程中入射光的利用效率。因此该阵列式多光谱滤光片的制作方法适用范围较广，可以用于任何微米尺度下需要多波长的场合，如CMOS成像、生物传感等。

本发明提供的阵列式多光谱滤光片的制作方法，通过加入缓冲层，实现调节透过波长的半波带宽。缓冲层的加入可以调节光栅层与波导层之间的耦合强度，从能量守恒的角度考虑，缓冲层的厚度越大，耦合强度越小，峰值透过率变化不大，半波带宽变窄。附图4可以说明。

附图说明

图1为本发明的阵列式多光谱滤光片的结构示意图。

图2为本发明的阵列式多光谱滤光片的不同光栅周期P的二维金属光栅的设计示例图。

图3为光栅周期P不同时，不同波长对应的透射谱线图。

图4为缓冲层的厚度改变引起透射曲线的变化图。

图5为二维金属光栅层的占空比对透射谱线的影响关系图。

图1中的附图标记表示为：

1-二维金属光栅层，2-缓冲层，3-波导层，4-基底，P-光栅周期，f-占空比。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明提出了一种适用于微流控芯片集成化的阵列式多光谱滤光片，是利用二维金属光栅的导模共振原理，设计了通过调节光栅周期可以实现不同波长的选择而制作的可调谐滤光片。该滤光片包括二维金属光栅层1、缓冲层2、波导层3和基底4四层结构（如附图1所示），并且缓冲层材料与基底材料相同。由于缓冲层和基底也可以称为波导层的上包层和下包层，并且缓冲层材料与基底材料相同，因此该滤光片的波导层结构为对称波导结构。

二维金属光栅层1的材料可根据需要的波长范围进行选择，如红外波段选择金，可见光波段选择铝或者银，用于调节入射光的波矢。选择金属作为光栅层材料是为了利用金属对波导层消逝场边界条件的影响将共振模式转换为峰值透过波长。

缓冲层2材料为二氧化硅、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PC（聚碳酸酯）中的一种。缓冲层2既可以称为波导层的上包层，是用来调节最大透射波长的半波带宽。

波导层3材料为二氧化钛、氧化铝、硫化锌、氮化硅和硒化锌中的一种。波导层3是用来支持共振模式，其厚度H范围为：0～h_maxμm，h_max为模序数m=1时最小工作波长对应的波导层截止厚度，计算公式如下：

$h_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2\sqrt{n^2-n_s^2}};$

式中λ_min为最小工作波长；

n为波导层材料的折射率，n_s为基底材料的折射率，并且n＞n_s。

基底4材料为石英玻璃（主要成分为二氧化硅）、有机塑料PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PC（聚碳酸酯）中的一种。基底4可以作为波导层的下包层。

本发明还提供了阵列式多光谱滤光片的制作方法，该方法利用二维金属光栅的导模共振原理，设计了通过调节光栅周期可以实现不同波长的选择；通过调节缓冲层的厚度还可以调节透过波长的半波带宽。并且，由于二维金属光栅的结构对称性，透射峰值波长与入射光的偏振方向无关，大大提高了吸光度检测过程中入射光的利用效率。因此该阵列式多光谱滤光片的制作方法适用范围较广，可以用于任何微米尺度下需要多波长的场合，如CMOS成像、生物传感等。

导模共振是指当亚波长光栅的高衍射级次与光栅波导或者临近光栅结构波导层的导模位相匹配时发生共振，发生共振的导模由于光栅的周期调制转化为泄漏模式发生反射或者透射。由于本发明的二维金属光栅层结构为亚波长结构，设计过程中，仿真设计是基于RCWA方法（严格耦合波分析方法）。RCWA方法是将各级衍射波按空间谐波进行展开，通过麦克斯韦方程组可以得到一组耦合波方程，求解耦合波方程系数矩阵的本征值和本征矢方程得到各级次空间谐波的振幅形式解，最后通过边界条件来求得反射和透射的振幅及衍射效率，因此调节空间谐波的阶数可以得到电磁场的精确解。

亚波长二维金属光栅层结构使入射光的波矢发生改变，只有零级衍射波可以自由传输，其他高级次衍射波均为消逝波形式，当某一级次的消逝波的波矢和波导层中所支持的某一导模相位匹配时，发生共振。共振模式由于光栅周期P的调制发生泄漏。共振模式主要取决于光栅的周期结构。

波导层的导模模式必须满足横向谐振条件：

k₀nHcosθ-2φ_s=mπ           式（1）

其中

为自由空间的波数；n为波导层材料的折射率；H为波导层的厚度。由于设计波导层结构为对称式，所以波导层上、下表面由于全反射引起的相位变化φ_s相同，TE和TM模式下φ_s分别为：

${\mathrm{\φ}}_s={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-n_s^2}}{n\cos \mathrm{\θ}}\right)$ （TE模式）

${\mathrm{\φ}}_s={\tan }^{-1}\left({\left(\frac{n}{n_s}\right)}^2\frac{\sqrt{n^2{\sin }^2\mathrm{\θ}-n_s^2}}{n\cos \mathrm{\θ}}\right)$ （TM模式）

其中n_s为基底材料的折射率。

金属光栅层衍射之后第i衍射级的传播常数β_i=k₀(nsinθ+iλ/P)，我们设计中为了得到单一波长，只选择第一级即i=1。用第i级传播常数代入相位变化公式中，

$H\sqrt{n^2{k}_0^2-{\mathrm{\β}}_i^2}-2{\tan }^{-1}\left({\left(\frac{n}{n_s}\right)}^{2j}\sqrt{\frac{{\mathrm{\β}}_i^2-n_s^2{k}_0^2}{n^2{k}_0^2-{\mathrm{\β}}_i^2}}\right)=\mathrm{m\π}$ 式（2）

其中j为0（TE）或1（TM），正入射时β_i=2π/P，从式（2）中可以看出光栅周期P改变时，满足谐振条件的波长也发生改变，该波长即最大反射波长或最大透射波长，所以通过调节光栅周期可以实现不同波长的选择。

实施例

选择在可见光以及红外波段均具有较高的反射率（>90%）的铝（Al）作为二维金属光栅层的材料。缓冲层材料为二氧化硅（SiO₂，折射率n=1.46），厚度为0.1μm；波导层材料为二氧化钛（TiO₂，折射率n=2.5），厚度为0.1μm；基底为石英玻璃片（主要材料为SiO₂，折射率n=1.46）。

各个参数的选择：

1.占空比

占空比影响峰值透过波长的透过率，如附图5所示。该图说明当占空比f=0.7时，透过率高达85%，但是此时在峰值波长附近会出现另一个次峰值，该峰值是由于二维金属光栅衍射过程中引起的，为了尽量避免该次峰的产生，可以选择金属光栅的占空比f=0.8～0.9。本实施例中选择二维金属光栅的最优占空比f=0.85。

2.二维光栅周期、波导层厚度和缓冲层厚度

对于波导层的厚度和缓冲层的厚度，可以根据单模条件和所需要的带宽进行相应的设计，即式（2），首先假定单模条件，初步选定波导层厚度为0.1μm，给定设计波长计算出二维光栅的周期，光栅周期P=0.3μm，仿真计算。当波导层不满足单模条件时，透过谱线中会出现多于2个最大透过峰值。最后可以根据半波带宽设计需要选择缓冲层的厚度，在验证不同周期P下对应不同的透射峰值波长时，选择缓冲层的厚度为0.1μm。

设计完成的阵列式多光谱滤光片可以通过以下加工方法加工：

首先用酒精溶液超声清洗基底石英玻璃片，清洗完毕后，用氮气吹干备用；其次，利用PECVD（等离子体增强化学气相沉积法）依次在基底上沉积厚度为0.1μm的波导层二氧化钛和厚度为0.1μm的缓冲层二氧化硅；再通过溅射的方式在缓冲层上加工二维金属光栅层铝；接下来在二维金属光栅层上加工一层光刻胶并利用电子束曝光技术加工出，占空比f=0.85的所需二维金属光栅层的图形，显影；最后利用ICP（反应耦合等离子体）干法刻蚀技术加工二维金属光栅层，得到所需要的阵列式多光谱滤光片。

图3是保持占空比f等其它参数不变，调节光栅周期P分别为0.25μm，0.3μm，0.35μm，0.4μm得到的透射谱线。该图说明随着周期的增加最大峰值波长红移。

图4是不同厚度的缓冲层下不同波长对应的透射谱线，缓冲层的厚度h分别为0，0.05μm，0.1μm，0.15μm，0.2μm，0.25μm。该图说明不同缓冲层下峰值波长稍微蓝移。即缓冲层厚度越大，半波带宽越小，同时峰值波长发生较小的偏移。

在其他的具体实施方式中，二维金属光栅的占空比也可以为f=0.8～0.9之间的其他值，即避免在峰值波长附近出现另一个次峰值的合理的占空比的范围内调整，这里不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种阵列式多光谱滤光片，该阵列式多光谱滤光片包括四层结构，其结构由上到下依次为二维金属光栅层、缓冲层、波导层和基底；其特征在于，

所述基底材料与缓冲层材料相同；

所述波导层的厚度H范围为：0～h_max，h_max为模序数m=1时最小工作波长对应的波导层截止厚度，计算公式如下：

$h_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2\sqrt{n^2-n_s^2}};$

式中λ_min为最小工作波长；

n为波导层材料的折射率，n_s为基底材料的折射率，并且n＞n_s；

所述波导层材料的折射率大于缓冲层材料的折射率；

所述二维金属光栅层材料的反射率大于90%。

2.如权利要求1所述的阵列式多光谱滤光片，其特征在于，所述的二维金属光栅层材料为金，铝或银。

3.如权利要求1所述的阵列式多光谱滤光片，其特征在于，所述基底材料与缓冲层材料为二氧化硅、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PC（聚碳酸酯）中的一种；所述波导层材料为二氧化钛、氧化铝、硫化锌、氮化硅和硒化锌中的一种。

4.如权利要求1所述的阵列式多光谱滤光片，其特征在于，所述的二维金属光栅层的占空比为0.8～0.9。

5.如权利要求4所述的阵列式多光谱滤光片，其特征在于，所述的二维金属光栅层的占空比为0.85。

6.如权利要求1所述的阵列式多光谱滤光片的制作方法，其特征在于，该制作方法包括以下步骤：

步骤一、在基底上制作波导层，波导层的厚度H范围为：0～h_maxμm，h_max为模序数m=1时最小工作波长对应的波导层截止厚度，计算公式如下：

$h_{\max }=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{2\sqrt{n^2-n_s^2}};$

式中λ_min为最小工作波长；

n为波导层材料的折射率，n_s为基底材料的折射率，并且n＞n_s；

步骤二、在波导层上制作缓冲层；波导层材料的折射率大于缓冲层材料的折射率；

步骤三、在缓冲层上制作二维金属光栅层；二维金属光栅层材料的反射率大于90%。

7.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述的二维金属光栅层材料为金，铝或银。

8.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述基底材料与缓冲层材料为二氧化硅、PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）和PC（聚碳酸酯）中的一种；所述波导层材料为二氧化钛、氧化铝、硫化锌、氮化硅和硒化锌中的一种。

9.如权利要求6所述的制作方法，其特征在于，步骤三中所述的二维金属光栅层的占空比为0.8～0.9。

10.如权利要求9所述的制作方法，其特征在于，步骤三中所述的二维金属光栅层的占空比为0.85。

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