CN111579067B - 一种具有超宽带外截止的集成窄带分光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有超宽带外截止的集成窄带分光器件，该器件自下而上由衬底、底层一维光子晶体、第一阶梯状介质层、负介电常数材料层、第二阶梯状介质层、顶层一维光子晶体组成。本发明基于Tamm态诱导透射原理，通过调整负介电常数材料层两侧介质层的厚度，控制分光器件的带通峰位，从而实现不同透射波长的窄带通滤波器在同一块衬底上集成，达到多通道同时分光的目的。本发明的分光器件在实现对不同波长分光的同时，亦具有超宽的截止带，截止范围可从深紫外到远红外，做到分光和带外截止一体化。该器件结构简单、易与探测器集成。
Description
技术领域
本发明涉及分光器技术领域，具体涉及一种基于具有超宽带外截止的集成窄带分光器件。
背景技术
光谱仪的本质是一种可以区分不同光波强度的分析仪器。通过它可以分析材料的光学信息，分子结构和化学组成。光谱技术的应用几乎涵盖了生物学、化学、物理学等所有科学领域。分光系统是制作光谱仪的核心技术之一，然而，一直以来几乎所有的光谱仪均是基于光栅或棱镜等色散型分光系统而制成，虽然这些方法大多可以在可见和近红外波段可以实现非常高的光谱分辨率，但是光栅存在加工复杂、成本高、易损等缺点，而且分辨率越高所需的光程就越长，相应的光谱仪体积就越大。此外，单个棱镜的色散能力很弱，通常需要使用棱镜组来制造光谱仪中的分光系统，并且很难通过微纳加工技术来制造传统的棱镜。在利用迈克尔逊干涉分光的光谱仪中，由于需要通过控制动镜的精确扫描，获得目标光谱像元的时间序列干涉图，然后利用傅里叶变换来获得光谱，这就要求此类光谱仪对机械结构的加工精度和扫描传送的精度要求非常严格，所以成本高，并且包含移动元件，想要得到更高的分辨率，移动的距离就要越远，体积就越大，所以这种光谱仪都具有体积大的复杂分光系统，这严重限制了光谱仪的微小型化和日常生活中的推广应用。
为了克服光栅、棱镜等分光能力的不足，滤光器阵列是上世纪80年代开发的一种微型空间滤光器，通过与探测系统结合可以构成光谱可识别的探测器，大大简化了光谱仪的分光系统，有利于微型光谱仪的发展。例如，基于Fabry-Perot(FP)滤波器制成集成滤光器件，通过改变腔层的厚度就可以改变滤光器的带通峰位，从而实现不同通道的光谱选择。但是基于FP腔的分光原理只能对某一个波段有截止的效果，在其他波段会产生严重的带外干涉杂峰干扰，影响光谱测量的准确性。为了抑制这些旁通带，通常需要在带外额外添加带通滤波器，短波旁通带添加长波通吸收滤光器即可，但是很不容易得到短波通吸收滤光器。而且制作这些长(短)波通吸收滤光器,需要几十甚至上百层的膜层才能完成，制作复杂且很难彻底消除干涉杂峰的影响。此外，这种滤光片的透过率也很低。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种具有超宽带外截止的集成窄带分光器件，基于Tamm态诱导透射原理，通过刻蚀或者镀膜工艺调整负介电常数材料层两侧介质层的厚度，控制分光器件的带通峰位，从而实现不同透射波长的分光器件在同一块衬底上集成。
本发明专利所公开的超宽带外截止的集成窄带分光器件的结构自下而上依次为衬底1，底层一维光子晶体2，第一阶梯状介质层3，负介电常数材料层4，第二阶梯状介质层5，顶层一维光子晶体6。
其中的底层一维光子晶体2为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，由两种或两种以上的不同折射率的介质材料组成，其光子禁带包含超宽带外截止的集成窄带分光器件要求透过的所有窄带波长。底层一维光子晶体2的结构包括但不限于：(HL)n、(0.5H 1.5L)n、(3H 3L)n、(HKL)n、(LKH)n，其中H为高折射率材料，K为中折射率材料，L为低折射率材料，n为膜层数且n为正整数，材料的光学厚度为中心波长的四分之一，字母前的数字代表材料厚度的变化。底层一维光子晶体2的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2。
其中的顶层一维光子晶体6为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，由两种或两种以上的不同折射率的介质材料组成，其光子禁带包含超宽带外截止的集成窄带分光器要求透过的所有窄带波长。顶层一维光子晶体6的结构包括但不限于：(HL)n、(0.5H 1.5L)n、(3H 3L)n、(HKL)n、(LKH)n，其中H为高折射率材料，K为中折射率材料，L为低折射率材料，n为膜层数且n为正整数，材料的光学厚度为中心波长的四分之一，字母前的数字代表材料厚度的变化。顶层一维光子晶体6的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2。
其中的第一阶梯状介质层3为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，第一阶梯状介质层(3)中的每一个台阶对应一个中心波长为λi的窄带光通道，其中i为台阶的编号。其中的第一阶梯状介质层(3)中的每个台阶的厚度应该满足Tamm等离激元的激发条件：
其中
代表在λi波长下第一阶梯状介质层(3)的第i个台阶的上表面反射相位，
代表λi波长下负介电常数材料层(4)的下表面反射相位，k为整数。其中的第一阶梯状介质层3可以采用刻蚀或者镀膜等方法在不同的窄带光通道处刻蚀或者镀上不同的高度。首先将底层一维光子晶体2膜系和介质层镀好，在此基础上通过对不同通道处的介质层进行刻蚀，最终获得阶梯状的介质层阵列。或者采用镀膜的方式首先将底层一维光子晶体2膜系镀好，在此基础上对不同的通道进行镀膜，最终获得阶梯状的介质层阵列。其中的第一阶梯状介质层3的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2。
其中的第二阶梯状介质层5为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，其每个台阶与第一阶梯状介质层(3)的每个台阶一一对应，第二阶梯状介质层中的每一个台阶对应一个中心波长为λi的窄带光通道，其中i既是第二阶梯状介质层(5)中台阶的编号，也是第一阶梯状介质层(3)中台阶的编号。其中的第二阶梯状介质层(5)中的每个台阶的厚度应该满足Tamm等离激元的激发条件：
其中
代表在λi波长下第二阶梯状介质层(3)的第i个台阶的上表面反射相位，
代表λi波长下负介电常数材料层(4)的上表面反射相位，k为整数。其中的第二阶梯状介质层5采用刻蚀或者镀膜等方法在不同的通道处刻蚀或者镀上不同的高度。首先在负介电常数材料层4上镀上介质层，在此基础上对不同通道处的介质层进行刻蚀，最终获得阶梯状的介质层阵列。或者采用镀膜的方式首先将负介电常数材料层4镀好，在此基础对不同通道处进行镀膜，最终获得阶梯状的介质层阵列。其中的第二阶梯状介质层5的材料包括但不限于：Si、Ge、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、Bi2O3、CdS、CdTe、CeO2、CdSe、Gr2O3、金刚石、Dy2O3、Fe2O3、GaAs、HfO2、Ho2O3、InAs、InSb、In2O3、PbTe、PbCl2、PbF2、Se、Sb2O3、Sb2S3、SnO2、Si3N4、Te、ZnO、ZnSe、SiO、ZnS、SiO2、Al2O3、AlOxNy、AlF3、BiF3、BaF2、CaF2、CeF3、CsBr、CsI、Eu2O3、Gd2O3、LiF、LaF3、La2O3、MgF2、MgO、NaF、Na3Al3F6、Nd2O3、NdF3、Pr6O11、Sc2O3、SrF2、SmF3、Sm2O3、ThF4、YbF3、Y2O3、ZrO2。
其中的负介电常数材料层4用以阻碍包括全部通道不同中心波长在内的低能量光子通过，所选的材料包括：金属、合金、超材料、超导材料。其厚度区间为[0.01μm,1μm]。
其中的衬底1用以阻碍负介电常数材料层4无法截止的高能量光子通过，所选的材料包括但不限于：硅、二氧化硅、锗、硫化锌、砷化镓、铟镓砷、碲镉汞、有色玻璃。
可选的，在衬底1下方增加增透膜，以提高窄带透过率。
本发明的优点如下：
1、通过调整负介电常数材料层两侧介质层的厚度就可以容易地获得具有不同透射峰位的一系列滤波器，并且能够容易地将其集成在单个衬底上，可以取代结构复杂、体积庞大的传统分光系统。
2、每个通道处实现窄带高透过率的同时，亦具有超宽的带外截止带，截止范围可从深紫外到远红外，使得器件本身就可以做到超宽带外截止，无需额外添加吸收滤光器，结构紧凑，可以做到分光和带外截止一体化。
3、适用范围很广，从可见到短、中、长波红外波段均适用。
下面结合附图和具体实施方式进行进一步说明。
附图说明
图1为本发明的具有超宽带外截止的集成窄带分光器件结构示意图。
图2为本发明实施例1和例3的多通道超宽带外截止的集成窄带分光器件结构示意图。
图3为本发明实施例1的16通道超宽带外截止的集成窄带分光器件，其透射波长范围覆盖1443nm-1535nm的透射谱。
图4为本发明实施例1的16通道超宽带外截止的集成窄带分光器件，其透射波长范围覆盖1443nm-1535nm的透射谱的局部放大图。
图5为本发明实施例2的64通道超宽带外截止的集成窄带分光器件，其透射波长范围覆盖716nm-825nm的透射谱。
图6为本发明实施例2的64通道超宽带外截止的集成窄带分光器件，其透射波长范围覆盖716nm-825nm的透射谱的局部放大图。
图7为本发明实施例3的32通道超宽带外截止的集成窄带分光器件，其透射波长范围覆盖787nm-841nm的透射谱。
图8为本发明实施例3的32通道超宽带外截止的集成窄带分光器件，其透射波长范围覆盖787nm-841nm的透射谱的局部放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
在本实施例中，我们展示波长范围可以覆盖1443nm-1535nm的4×4通道的超宽带外截止的集成窄带分光器件。
超宽带外截止的集成窄带分光器件的结构如图2所示，从下往上依次为：增透膜1，选用材料为SiO，厚度为200nm；衬底2，选用材料为硅；一维光子晶体3，选用材料为SiO和SiO2，膜系为(HL)^7；负介电常数材料层5，选用材料为Ag，厚度为55nm；一维光子晶体7，选用材料为SiO和SiO2，膜系为(LH)^7；第一阶梯状介质层4和第二阶梯状介质层6，选用材料为SiO2。
整个材料的膜系为Sub|(HL)^7G M G(LH)^7。其中Sub为硅衬底，H为SiO，L为SiO2，M为55nm银层，G为SiO2，通过刻蚀的方法刻蚀出16个不同厚度的阶梯状阵列。在衬底下表面镀制一层厚度为200nm的SiO增透膜。
其透射谱如图3和4所示，16个通道覆盖的1443nm-1535nm处的平均透过率超过74％，半峰宽小于8nm。可以发现，除了波长覆盖的1443nm-1535nm范围之外0.1-100μm范围内没有任何其他旁通带的产生，全部被截止掉，展现了超宽带外截止的效果，分光器件本身就具备超宽的带外截止功能，无需再额外配合其他带外截止滤光片使用。
实施例二
在本实施例中，我们展示波长范围可以覆盖716nm-825nm的8×8通道的超宽带外截止的集成窄带分光器件。
超宽带外截止的集成窄带分光器件如图1所示，从下往上依次为：衬底1，选用材料为红色透明玻璃；底层一维光子晶体2，选用材料为Ta2O5和SiO2，膜系为(LH)^6L；负介电常数材料层4，选用材料为Ag，厚度为65nm；第一介质层3和第二介质层5，材料为Ta2O5；顶层一维光子晶体6，选用材料为Ta2O5和SiO2，膜系为L(HL)^6。
整个材料的膜系为Sub|(LH)^6L G M G L(HL)^6。其中Sub为红色透明玻璃衬底，H为Ta2O5，L为SiO2，M为70nm银层，G为Ta2O5，通过镀膜的方法镀出64个不同厚度的阶梯状阵列。
其透射谱如图5和6所示，64个通道覆盖的716nm-825nm处的平均透过率超过78％，半峰宽小于7.7nm。可以发现，除了波长覆盖的716nm-825nm范围之外0.1-100μm范围内没有任何其他旁通带的产生，全部被截止掉，展现了超宽带外截止的效果，分光器件本身就具备超宽的带外截止功能，无需再额外配合其他带外截止滤光片使用。
实施例三
在本实施例中，我们展示波长范围可以覆盖787nm-841nm的32×1通道的超宽带外截止的集成窄带分光器件。
超宽带外截止的集成窄带分光器件的结构如图2所示，从下往上依次为：增透膜1，选用材料为SiO，厚度为200nm；衬底2，选用材料为红色透明玻璃；底层一维光子晶体3，选用材料为Ta2O5和SiO2，膜系为(HL)^6；负介电常数材料层5，选用材料为Ag，厚度为70nm；顶层一维光子晶体7，选用材料为Ta2O5和SiO2，膜系为1.06(3H 3L)^5；第一阶梯状介质层4和第二阶梯状介质层6，选用材料为SiO2。
整个材料的膜系为Sub|(HL)^6G M 1.82G 1.06(3H 3L)^5。其中Sub为红色透明玻璃衬底，H为Ta2O5，L为SiO2、M为70nm银层，G为SiO2，通过组合刻蚀的方法刻蚀出32个不同厚度的阶梯状阵列。在衬底下表面镀制一层厚度为200nm的SiO增透膜。
其透射谱如图7和8所示，32个通道覆盖的787nm-841nm处的平均透过率超过70％，半峰宽小于3.8nm。可以发现，除了波长覆盖的787nm-841nm范围之外0.1-100μm范围内没有任何其他旁通带的产生，全部被截止掉，展现了超宽带外截止的效果，分光器件本身就具备超宽的带外截止功能，无需再额外配合其他带外截止滤光片使用。
Claims (3)
1.一种具有超宽带外截止的集成窄带分光器件，其特征在于:
所述的超宽带外截止的集成窄带分光器件的结构自下而上依次为：衬底(1)，底层一维光子晶体(2)，第一阶梯状介质层(3)，负介电常数材料层(4)，第二阶梯状介质层(5)，顶层一维光子晶体(6)；
所述的底层一维光子晶体(2)为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，由两种或两种以上的不同折射率的介质材料组成，其光子禁带包含超宽带外截止的集成窄带分光器件要求透过的所有窄带波长；
所述的顶层一维光子晶体(6)为生长方向垂直于衬底表面的周期性交替介质薄膜，由两种或两种以上的不同折射率的介质材料组成，其光子禁带包含超宽带外截止的集成窄带分光器件要求透过的所有窄带波长；
所述的第一阶梯状介质层(3)为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，第一阶梯状介质层(3)中的每一个台阶对应一个中心波长为λi的窄带光通道，其中i为台阶的编号；所述的第一阶梯状介质层(3)中的每个台阶的厚度满足Tamm等离激元的激发条件：
其中
代表在λi波长下第一阶梯状介质层(3)的第i个台阶的上表面反射相位，
代表λi波长下负介电常数材料层(4)的下表面反射相位，k为整数；
所述的第二阶梯状介质层(5)为一维阶梯状或者二维阶梯状介质层，其每个台阶与第一阶梯状介质层(3)的每个台阶一一对应，第二阶梯状介质层中的每一个台阶对应一个中心波长为λi的窄带光通道，其中i既是第二阶梯状介质层(5)中台阶的编号，也是第一阶梯状介质层(3)中台阶的编号；所述的第二阶梯状介质层(5)中的每个台阶的厚度满足Tamm等离激元的激发条件：
其中
代表在λi波长下第二阶梯状介质层(3)的第i个台阶的上表面反射相位，
代表λi波长下负介电常数材料层(4)的上表面反射相位，k为整数；
不同的窄带光通道处的Tamm等离激元激发波长不同，因此透过不同中心波长的窄带光，从而实现不同透射波长的滤波器在同一块衬底上的集成，达到多通道分光的目的。
2.根据权利要求1所述的一种具有超宽带外截止的集成窄带分光器件，其特征在于：
所述的负介电常数材料层(4)的材料采用金属、合金、超材料或超导材料，其厚度区间为[0.01μm,1μm]。
3.根据权利要求1所述的一种具有超宽带外截止的集成窄带分光器件，其特征在于：
所述的衬底(1)的材料采用硅、二氧化硅、锗、硫化锌、砷化镓、铟镓砷、碲镉汞或有色玻璃。
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