CN105372737A - 一种基于导模共振的滤波器及其制作方法 - Google Patents

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谢继龙
贾宏志
周伟
沈新荣
曹君杰
郑拓
王辽
彭焉廷
陈明明
姜士昕
沈璐
尤贝
李子骏
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Abstract

本发明涉及一种基于导模共振的滤波器及其制作方法，在厚度为d3，折射率为n3的石英基底上镀一层折射率为n2，厚度为d2的薄膜层，形成折射率高于基底层与光栅层的薄膜层，再在薄膜层上制作一层厚度为d1的薄膜；薄膜为折射率n1的光敏性材料，此光敏性材料的折射率会根据光照而改变；在同一紫外激光光源下经过相位掩模板对光敏性材料进行曝光，再通过控制曝光时间和光源强度，得到所需的填充系数f和刻槽深度，并且形成周期性的结构，且曝光后的折射率为nh，其中填充系数f为光栅刻槽宽度和光栅周期比值。相比于传统的制作方法，可以有效的避免刻槽过深或过浅的缺点，提高导模共振滤波器的精确性和降低其制作工艺。

Description

一种基于导模共振的滤波器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种导模共振技术，特别涉及一种基于导模共振的滤波器及其制作方法。
背景技术
由于导模共振滤光片(GuidedModeResonanceFilter)优良的光学特性，自从1992年Magnusson首次提出以来，就一直是国内外光学领域研究的热点之一。随着对导模共振的理论研究，一些关于导模共振滤光片的实验结果也相继出现，验证了导模共振特性的正确性，但相对而言，对导模共振滤光片的制备的研究很少。随着二元光学科学技术的不断发展，亚波长微结构光栅受到了人们的不断重视。出现了更多关于导模共振光学元件的理论和实验方面的研究，新型导模共振光学元件的设计应用也不断涌现。
导模共振滤光片是基于导模共振效应来设计的，所谓导模共振效应是指亚波长介质光栅在一定的结构参量和入射条件下出现的一种特殊衍射现象。在物理机制上可认为是外部传播的衍射场与受调制波导的泄漏波之间的耦合，当由周期结构所产生的某一衍射波与波导所支持的某一泄漏模位相匹配时，会产生共振异常现象，通常表现为共振波长处有极高的衍射效率和极窄的带宽。
导模共振滤光片的共振效应总是受它的结构参数的影响。一般而言，导模共振滤光片的结构参数的变化会引起共振波长、线宽以及旁带等参数的变化。在导模共振滤光器中填充系数f的改变会导致共振带宽的变化，如图1所示双层导模共振滤波器的填充系数分别为0.1、0.2、0.5、0.7、0.9时相应反射率的变化，其双层导模共振滤波器的其他结构参数如下：n3＝1.52、n空气＝1.0、nh＝1.7、n1＝1.0、n2＝2.0、d1＝100nm、d2＝70nm。在导模共振滤波器中光栅的刻槽深度的改变会影响到共振波长、旁带反射率等，如图2所示当双层导模共振滤波器光栅槽深分别为50nm、100nm、150nm、120nm时，所对应的反射率，图2所表示的双层导模共振滤波器的其他结构参数如下：n3＝1.52、n空气＝1.0、nh＝1.7、n1＝1.0、n2＝2.0、d1＝100nm、d2＝70nm、f＝0.5。现在一般的导模共振滤波器的制作是采用腐蚀或机械刻画法。其中腐蚀法无非就是通过控制腐蚀的时间和速率从而达到控制填充系数f和刻槽深度的目的。尽管在制作过程中腐蚀的时间可以精确的控制但是腐蚀的速率往往得不到保障，这样也就无法得到所需的填充系数f和刻槽深度。并且在一些特定的条件下腐蚀法的工艺和成本相对较高。机械刻画法则是由于刻画速度较慢，并且很难保持工作机器和工作环境的长时间稳定，因此也很难保证共振滤波器的填充系数的精确性等。这样在传统的导模共振滤波器的制作中，就很难得到使用者所需要的十分精确的共振带宽、共振波长和旁带反射率。
发明内容
本发明是针对传统的导模共振滤波器的共振带宽、共振波长和旁带反射率的不精确的问题，提出了一种基于导模共振的滤波器及其制作方法，用曝光改变薄膜折射率的方法就能够很好的控制导模共振滤波器的填充系数和刻槽深度。与传统的导模共振滤波器功能相同，但是明显提高其精确性和降低制作工艺。
本发明的技术方案为：一种基于导模共振的滤波器，由上部光栅层、薄膜层和下部石英基底两层组成，薄膜层的折射率高于基底层和光栅层，光栅层为由光敏性材料曝光形成的周期性的结构。
所述基于导模共振的滤波器的制作方法，具体包括如下步骤：
1)、在厚度为d3，折射率为n3的石英基底上镀一层折射率为n2，厚度为d2的薄膜层，再在薄膜层上制作一层厚度为d1的薄膜，薄膜为折射率n1的光敏性材料，此光敏性材料的折射率会根据光照而改变；
2)在同一紫外激光光源下经过相位掩模板对光敏性材料进行曝光，再通过控制曝光时间和光源强度，得到所需的填充系数f和刻槽深度，并且形成周期性的结构，为光栅层，且曝光后的光栅层折射率为nh，其中填充系数f为光栅刻槽宽度和光栅周期比值。
所述光栅层的平均折射率nav>max(n3、n空气)，n空气为空气的折射率，并且nav＝[f×nh 2+(1-f)×n1 2]1/2。
所述nav、d1、d2取满足导模共振条件，d1、d2满足抗反射条件。
本发明的有益效果在于：本发明基于导模共振的滤波器及其制作方法，相比于传统的制作方法，可以有效的避免刻槽过深或过浅的缺点，提高导模共振滤波器的精确性和降低其制作工艺。
附图说明
图1为双层导模共振滤波器的填充系数对反射率的影响图；
图2为双层导模共振滤波器光栅槽深对反射率的影响图；
图3为本发明双层导模共振滤波器结构示意图。
具体实施方式
如图3所示双层导模共振滤波器结构示意图，在厚度为d3，折射率为n3的石英基底上镀一层折射率为n2，厚度为d2的薄膜层，形成折射率高于基底层与光栅层的薄膜层；再在薄膜层上制作一层厚度为d1的薄膜；薄膜为折射率为n1的光敏性材料，此光敏性材料的折射率会根据光照而改变；然后在同一紫外激光光源下或其他特定的激光光源下经过相位掩模板对光敏性材料进行曝光，结合光敏材料的特性，再通过控制曝光时间和光源强度，得到理想的填充系数f(光栅刻槽宽度和光栅周期比值)和刻槽深度，并且形成周期性的结构，且曝光后的折射率为nh，此为光栅层。光栅层的平均折射率nav>max(n3、n空气)，n空气为空气的折射率，并nav＝[f×nh 2+(1-f)×n1 2]1/2、d1、d2取满足相应的导模共振条件。当制作后的双层导模共振滤波器光栅的光学厚度d1和光栅底部薄膜的光学厚度d2需要满足抗反射条件。

Claims (4)

1.一种基于导模共振的滤波器，其特征在于，由上部光栅层、薄膜层和下部石英基底两层组成，薄膜层的折射率高于基底层和光栅层，光栅层为由光敏性材料曝光形成的周期性的结构。
2.根据权利要求1所述基于导模共振的滤波器的制作方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)、在厚度为d3，折射率为n3的石英基底上镀一层折射率为n2，厚度为d2的薄膜层，再在薄膜层上制作一层厚度为d1的薄膜，薄膜为折射率n1的光敏性材料，此光敏性材料的折射率会根据光照而改变；
2)在同一紫外激光光源下经过相位掩模板对光敏性材料进行曝光，再通过控制曝光时间和光源强度，得到所需的填充系数f和刻槽深度，并且形成周期性的结构，为光栅层，且曝光后的光栅层折射率为nh，其中填充系数f为光栅刻槽宽度和光栅周期比值。
3.根据权利要求2所述基于导模共振的滤波器的制作方法，其特征在于，所述光栅层的平均折射率nav>max(n3、n空气)，n空气为空气的折射率，并且nav＝[f×nh 2+(1-f)×n1 2]1/2。
4.根据权利要求3所述基于导模共振的滤波器的制作方法，其特征在于，所述nav、d1、d2取满足导模共振条件，d1、d2满足抗反射条件。
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