CN107907924A - 折射率可调的金属介质复合光学薄膜 - Google Patents

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韦欣
胡晓斌
李健
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Abstract

一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜，所述复合光学薄膜包括金属条带和介质条带；其中，所述金属条带与所述介质条带交替排列，形成周期性结构，相邻金属条带与位于相邻金属条带之间的介质条带形成金属‑介质‑金属波导结构。本发明的折射率可调的金属介质复合光学薄膜折射率可以调节、工作波段可以调节、导电性良好。

Description

折射率可调的金属介质复合光学薄膜
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜。
背景技术
光学薄膜技术发展至今已经非常成熟，并且已经广泛应用于从日常生活到工业生产再到前沿科学研究的各个方面。其最常见的用途包括增反、抗反、滤波、透明电极等。
常规光学薄膜的折射率是确定的数值，无法进行灵活的调节。而很多应用场景对光学薄膜的折射率有着严格的要求。这就导致常规光学薄膜无法满足一些应用场景的需求，转而需要以更复杂的解决方案来实现相应的功能。比如，理想的空气-介质界面上的抗反射光学薄膜只需要一层折射率为空气与介质折射率乘积的平方根，同时厚度为该折射率下四分之一工作波长的光学薄膜即可。但是很难找到能够满足相应折射率需要的光学薄膜。于是目前常见的抗反、增反、滤波光学薄膜都是由不同折射率的多层光学膜组合成特定的光学膜系来实现。这样不但增大了设计难度，而且提高了了制造成本。另一方面，在光电子器件中通常需要用介质光学薄膜来实现增反或者增透的功能，同时需要利用导电薄膜来实现电流扩展与电流收集的功能。而常规光学薄膜不具有导电特性，导电薄膜又不具备光学薄膜透明的特性，少数透明电极材料虽然能够同时具备透明与导电的特性，但其电导率远不如金属薄膜理想。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜，所述复合光学薄膜包括金属条带和介质条带；其中，
所述金属条带与所述介质条带交替排列，形成周期性结构，相邻金属条带与位于相邻金属条带之间的介质条带形成金属-介质-金属波导结构。
优选地，所述金属条带与所述介质条带都是矩形条带。
优选地，所述金属条带和所述介质条带的宽度均小于工作波长，为亚波长量级。
优选地，所述金属-介质-金属波导在工作波段同时支持TE模式与TM模式的光传输。
优选地，所述金属-介质-金属波导所支持的波导模式的模式折射率通过介质条带的宽度调节。
优选地，所述折射率可调的金属介质复合光学薄膜的折射率通过介质条带的宽度调节。
优选地，所述折射率可调的金属介质复合光学薄膜的工作波长范围为可见光到微波波段。
优选地，所述金属条带的材料为金、银、铜或铝。
从上述技术方案可以看出，本发明的折射率可调的金属介质复合光学薄膜具有以下有益效果：
(1)相较于现有的光学薄膜，本发明通过对低色散与低损耗的TE与TM波导模式的模式折射率的调节可以实现对该光学薄膜折射率的调节；
(2)利用连续的金属条带作为薄膜的构成部分，使得该光学薄膜具备有良好的导电性；
(3)相较于传统薄膜只能适应特定工作波长，该光学薄膜的工作波长可以调节到可见光到微波波段任意范围内。
附图说明
图1为本发明实施例1中折射率可调的金属介质复合光学薄膜的剖面结构示意图；
图2为本发明实施例1中折射率可调的金属介质复合光学薄膜的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例1中通过调节介质条带宽度来调节复合光学薄膜对TE入射光折射率的实部的结果；
图4为本发明实施例1中通过调节介质条带宽度来调节复合光学薄膜对TE入射光折射率的虚部的结果；
图5为本发明实施例1中通过调节介质条带宽度来调节复合光学薄膜对TM入射光折射率的实部的结果；
图6为本发明实施例1中通过调节介质条带宽度来调节复合光学薄膜对TM入射光折射率的虚部的结果；
其中：1金属条带；2介质条带。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜，所述复合光学薄膜包括金属条带和介质条带；其中，所述金属条带与所述介质条带交替排列，形成周期性结构，相邻金属条带与位于相邻金属条带之间的介质条带形成金属-介质-金属波导结构。本发明的折射率可调的金属介质复合光学薄膜折射率可以调节、工作波段可以调节、导电性良好。
具体地，本发明提供一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜，所述复合光学薄膜包括金属条带和介质条带；其中，
所述金属条带与所述介质条带交替排列，形成周期性结构，相邻金属条带与位于相邻金属条带之间的介质条带形成金属-介质-金属波导结构。
所述金属条带与所述介质条带都是矩形条带。
所述金属条带和所述介质条带的宽度均小于工作波长，为亚波长量级。
所述金属-介质-金属波导在工作波段同时支持TE模式与TM模式的光传输。
所述金属-介质-金属波导所支持的波导模式的模式折射率通过介质条带的宽度调节。
所述复合光学薄膜的折射率通过介质条带的宽度调节。
所述复合光学薄膜的工作波长范围为可见光到微波波段。
所述金属条带的材料为金、银、铜或铝。
所述介质条带的材料为该波片工作波段内无吸收的介质，如二氧化硅、氮化硅等无机介质材料或者聚酰亚胺、PMMA等有机介质材料。
以下结合具体实施例和附图，对本发明提供的一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例1提供了一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜。图1为本发明实施例1中折射率可调的金属介质复合光学薄膜的剖面示意图，其中，其中z坐标方向代表垂直于薄膜方向，x、y坐标方向代表薄膜平面方向。如图1所示，该折射率可调的金属介质复合光学薄膜包括：
金属条带1，金属条带宽度为w1，厚度为d；
介质条带2，介质条带宽度为w2，厚度为d。
金属条带与介质条带在x-y平面内交替排列，形成一维周期性结构，周期为P(P＝w1+w2)，该周期性结构即为所述金属介质复合光学薄膜，薄膜厚度为d。
其中，所述金属条带宽度w1远小于工作波长，但大于工作波长下光波在金属中的趋肤深度；所述介质条带宽度w2小于工作波长。
相邻金属条带与相邻金属条带之间的介质条带构成金属-介质-金属波导，波导传输方向为垂直于薄膜方向，即沿z轴方向。
入射光耦合进入波导后可以以波导模式传输，偏振方向平行于条带方向，即沿y轴方向的入射光以TE模式传输；偏振方向垂直于条带方向，即沿x轴方向的入射光以TM模式传输。
其中，TE与TM模式的有效折射率nTE与nTM分别可以由以下表达式求得：
表达式中w2为介质层宽度，k0为工作波长的真空波矢，εd为介质条带的介电常数，εm为金属条带的介电常数。TE与TM模式的有效折射率由金属条带与介质条带的介电常数以及介质条带宽度共同决定。
通过调节介质条带宽度可以对TE与TM模式的有效折射率进行灵活的调控，从而实现对该金属介质复合光学薄膜的折射率的调控。
对于不同的工作波段，同样可以通过调节介质条带的宽度来实现对薄膜折射率的调控，因而该复合光学薄膜的工作波段可以在可见光到微波波段范围内进行灵活的调节。
该金属介质复合光学薄膜由连续的金属条带与介质条带构成，连续的金属条带具有良好的导电性，因而该复合光学薄膜同时具有良好的导电性。
本实施例中考虑的工作波段为1000～2000nm，金属条带的材料为银、介质条带的材料为氮化硅，金属条带的宽度为150nm，通过改变介质条带的宽度可以实现对工作波段内该金属介质复合光学薄膜的折射率。
入射光沿z轴方向入射(即垂直于薄膜方向)，电矢量在xy平面内，电矢量方向沿y轴方向时定义为为TE光分量，电矢量方向沿x轴方向时定义为为TM光分量。
图3为在不同的介质条带宽度w2下，该复合光学薄膜对工作波段内TE光的折射率的实部；图4为在不同的介质条带宽度w2下，该复合光学薄膜对工作波段内TE光的折射率的虚部。可以看到该薄膜对TE入射光的折射率的实部与虚部都可以通过改变介质条带的宽度来进行调节。同时该复合光学薄膜的虚部极小，表明复合薄膜对TE入射光的吸收损耗很低。
图5为在不同的介质条带宽度w2下，该复合光学薄膜对工作波段内TM光的折射率的实部；图6为在不同的介质条带宽度w2下，该复合光学薄膜对工作波段内TM光的折射率的虚部。可以看到该薄膜对TM入射光的折射率的实部与虚部都可以通过改变介质条带的宽度来进行调节。同时该复合光学薄膜的虚部极小，表明复合薄膜对TM入射光的吸收损耗很低。
综上所述，本发明折射率可调的金属介质复合光学薄膜，通过对低色散、低损耗的波导模式有效折射率的调节来调节复合光学薄膜的折射率；并利用波导结构工作波段可以通过结构参数来进行灵活调节的特点可以实现复合光学薄膜工作波段的灵活调节；同时利用导电性良好的连续的金属条带作为薄膜的主要构成部分，使得该复合光学薄膜同时具备良好的导电特性。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述复合光学薄膜包括金属条带和介质条带；其中，
所述金属条带与所述介质条带交替排列，形成周期性结构，相邻金属条带与位于相邻金属条带之间的介质条带形成金属-介质-金属波导结构。
2.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述金属条带与所述介质条带都是矩形条带。
3.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述金属条带和所述介质条带的宽度均小于工作波长，为亚波长量级。
4.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述金属-介质-金属波导在工作波段同时支持TE模式与TM模式的光传输。
5.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述金属-介质-金属波导所支持的波导模式的模式折射率通过介质条带的宽度调节。
6.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述折射率可调的金属介质复合光学薄膜的折射率通过介质条带的宽度调节。
7.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述折射率可调的金属介质复合光学薄膜的工作波长范围为可见光到微波波段。
8.根据权利要求1所述的折射率可调的金属介质复合光学薄膜，其特征在于，所述金属条带的材料为金、银、铜或铝。
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Citations (3)

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