CN110531463A - 基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器 - Google Patents

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杨宏艳
张开富
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李海鸥
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李琦
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Abstract

本发明提供的是一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，属于微纳光电子领域，滤波器包括波导层，缓冲层和金属纳米盘，在波导层1上覆盖有缓冲层2，在缓冲层2上刻蚀有纳米金属盘3，4阵列，金属盘3和4分别组成的行会进行交叉排布。通过改变滤波器周期P，可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵。本发明可以实现对对覆盖整个可见光谱的光的操纵，且具有偏振相关特性，可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度，能应用在高分辨率彩色显示中。

Description

基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器
(一)技术领域
本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器
(二)背景技术
在自然界中，许多动植物都有着美丽丰富的色彩。它们通过其表面的特殊微结构衍射、反射和散射光以呈现不同的颜色。例如，在甲虫中，颜色源于皮肤上微结构的散射；而在蝴蝶中，颜色是来源于翅膀的反射。表面等离子体结构颜色是由金属微粒与光的相互作用而产生的颜色。因此，通过改变物体表面的微结构，可以控制光和物质之间的相互作用，以达到改变物体颜色的目的。例如，在中世纪，就已经有通过在陶瓷中掺杂金属纳米粒子来制备彩色陶瓷的技术，这是结构颜色在生活中的应用。陶瓷中金属纳米颗粒的存在使得材料能够吸收和散射特定光波，从而使得我们可以通过肉眼看到表面的不同颜色。
近年来随着微纳加工技术以及表面等离子体共振(SPRs)技术的发展，利用人工制造的金属微纳结构成为了产生结构色的主要方法。金属微纳结构可以有效地将光子和金属中的自由电子耦合从而让表面等离激元共振吸收(或辐射)特定频率的可见光，产生表面等离激元结构色。与普通化学染料相比，表面等离激元结构色结构色具有环保、易制造、不易褪色、持久性好、色彩控制方便等优点。基于这些优点，表面等离子体彩色滤光片在超高分辨率成像、液晶显示系统、CMOS数字集成电路和发光二极管中有着重要的应用。对于离激元结构色的研究近年来的研究重点转移到薄膜、周期性纳米结构上，以克服传统彩色过滤中遇到的尺度和耐久性问题。L.J.Guo团队设计了一种基于银纳米光栅耦合波导结构的滤光元件，通过改变Ag光栅的周期来覆盖整个可见光范围。Li等人提出了一个基于MIM(Ag/SiO2/Ag)结构的反射型等离激元颜色超表面，可以通过改变绝缘体层的厚度来改变反射的颜色。
本文提出了一种由Al纳米盘组阵列、缓冲层和波导组成的透射式彩色滤波器。所提出的滤波器通过表面等离子体极化子(SPP)模、局域Fabry-Perot共振和波导模式的混合作用工作。通过控制纳米盘结构的尺寸、排列方式，周期，可以实现对覆盖整个可见光谱的光的操纵。它有着高透射，其透射率达到80％以上，除此之外，该滤波器还有偏振敏感特性，可以应用于彩色显示和集成光电器件方面。
(三)发明内容
本发明提供一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，通过控制等离子体纳米结构的尺寸、几何形状可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵，同时该滤波器能达到极高透色率以及拥有偏振敏感特性。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤光波器，包括Si3N4波导层、MgF2缓冲层和Al纳米盘，在Si3N4波导层上有MgF2缓冲层，缓冲层上刻蚀有金属Al纳米盘。Si3N4波导的厚度H1固定为100nm，MgF2厚度H2固定25nm，Al盘的厚度H3固定为20nm，P为Al盘的周期，D1为大金属盘的直径，D2为小金属盘的直径，固定Al金属盘占空比为0.6。在这里，P，D1和D2之间的关系如下：2*D2＝D1，3*D2＝P。
研究发现，此结构相比较于其他纳米盘彩色滤波器，具有高透射率，通过调节纳米盘的周期，能够实现对覆盖整个可见光谱的光的操纵。相较于其他金属纳米盘彩色滤波器，Al纳米盘彩色滤波器在有着高透射率以及好的品质因子的同时，Al相对更为普遍，具有较低的带间过渡损耗，且价格上也更为便宜，抗氧化能力更好，在实际应用中应用范围更广。
(四)附图说明
图1(a)为不同尺寸纳米盘阵列结构的偏振相关等离子彩色滤光片结构示意图，图1(b)为彩色滤光片YZ方向的结构示意图，图1(c)为彩色滤光片XZ方向的结构示意图。
图2为周期P从180nm～303nm的透射谱图。
图3为固定周期为240nm时，H1从80nm～120nm时的透射谱。
图4为固定周期为240nm时，H2从0nm～50nm时的透射谱。
图5为固定周期为240nm时，偏振角从0°～90°时的透射谱。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
参照图1，一种基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，包括波导层(波导层材料为Si3N4)1，缓冲层(缓冲层材料为MgF2)2，在MgF2缓冲层2上刻蚀有两种不同尺寸的金属盘(金属盘材料为Al)3，4。
其中波导层的厚度度为H1，缓冲层的厚度为H2，两种尺寸的金属盘厚度都为H3，金属盘周期为P，金属盘直径分别为D1和D2，固定2*D2＝D1，D1/P＝0.6，H1＝100nm，H2＝25m，H3＝20nm。
采用三维时域有限差分(FDTD)法对结构进行数值仿真，FDTD边界条件设置为，在z正负方向设置为完美匹配层(PML)，x和y正负方向设置为周期边界条件，x，y，z正负方向上的网格精度被设置为5nm*5nm。透射系数T定义为，T＝Pout/Pin其中Pin和Pout分别是输入和输出端口的功率。
金属盘材料选用铝，是因为相较于在可见光谱中损耗最低的金属银，金属铝在生活中更常见，价格更为便宜，具有较低的带间过渡损耗，而且有更好抗氧化抗腐蚀的能力。
图2为不同尺寸纳米盘阵列结构的偏振相关等离子彩色滤光片，在改变纳米盘阵列周期的透射谱。固定Si3N4波导层100nm，MgF2缓冲层25nm，选择周期p为180nm～303nm，当周期p为180nm、240nm和303nm时，p＝180nm处为蓝色，p＝240nm处为绿色，p＝303nm处为红色。在这三种光谱中，共振波长的透过率(最高透过率处的波长)大于80％，这表明滤波器的效率很高，同时也保证了滤波效果。此外，我们还可以得出，随着周期的增加，波普会红移的结论。
为了研究H1对透射峰的影响，如图3，选取H1从80nm～120nm变化时的透射谱图，随着L的增加透射谱产生红移,。在此基础上，透射峰的峰值也逐步增加，但是在H1超过100nm之后，透射峰值增加并不明显。
为了研究H2对透射峰的影响，发现当H2从0nm～50nm变化时的透射谱图，如图4所示，能明显看到随着H2的增加透射谱的峰值明显增加，除此之外透射谱的半峰全宽(FWHM)明显随着H2增加而减小，也就是是说明加大H2可以显著提高滤波器的品质因数。
固定P＝240nm，H1＝100nm，H2＝25nm，H3＝20nm，研究偏振角对透射峰的影响，选取偏振角由0°～90°，如图5所示，随着偏振角的增加，波峰逐渐降低，从而能够说明彩色滤波器是偏振敏感的。
本发明的彩色滤波器结构可以达到对覆盖整个可见光谱的光的操纵,且仅需要通过改变周期就能实现。本发明的滤波器能达到80％以上透射率，且对偏振敏感，厚度也极小，能够在高分辨率彩色显示以及集成光电器件方面发挥很大的作用。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围。

Claims (7)

1.基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器,包括波导层1，波导层1上覆盖有缓冲层2，在缓冲层2上刻蚀有纳米金属盘3，4阵列，金属盘3和4分别组成的行，会进行交叉排布。波导层1选择材料为Si3N4其厚度H1固定为100nm，缓冲层2的材料选择MgF2，其厚度为H2固定为25nm，纳米金属盘3,4材料选择为Al，其厚度H3固定为20nm，纳米金属盘3的直径为D1，纳米金属盘4的直径为D2，D1与D2之间的关系固定为2*D2＝D1，纳米金属盘3，4圆心之间的距离为P，为所设计滤波器的周期，金属盘3的直径D1与周期P的关系固定为D1/P＝0.6。
2.根据权利要求1所述的基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，其特征在于：所述波导层1上覆盖有缓冲层2；缓冲层2上刻蚀有纳米金属盘3，4阵列。
3.根据权利要求1所述的基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，其特征在于：金属盘阵列是由金属盘3和4分别组成的行，进行交叉排布而成。
4.根据权利要求1所述的基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，其特征在于：波导层1选择材料为Si3N4，缓冲层2的材料选MgF2，纳米金属盘3,4材料选择为Al。
5.根据权利要求1所述的基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，其特征在于：波导层1厚度H1固定为100nm，缓冲层2厚度H2固定为25nm，纳米盘3,4厚度H3固定为20nm。
6.根据权利要求1所述的基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，其特征在于：纳米金属盘3的直径D1与纳米金属盘4的直径D2之间的关系固定为2*D2＝D1。
7.根据权利要求1所述的基于铝纳米盘阵列结构偏振相关的等离子体彩色滤波器，其特征在于：纳米金属盘3的直径D1与周期P之间的关系固定为D1/P＝0.6。
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