CN113391388A - 基于pdms的峰值连续可变导模共振滤光片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PDMS的峰值连续可变导模共振滤光片及制备方法，包括上部薄膜波导层、中间变间距光栅层和下部PDMS基底，下部PDMS基底的厚度沿光栅周期渐变方向渐变，上部薄膜波导层的折射率大于中间变间距光栅层等效折射率和下部PDMS基底折射率。线偏振宽光以一定角度入射该结构时，反射光谱的特定位置能获得高效率的导模共振峰。在厚度渐变的矩形PDMS基底上制备变间距光栅，使不同的高级衍射光与导模发生耦合，获得导模共振特征频率，最终沿光栅周期变化方向实现导模共振反射峰值的连续变化，即在结构的不同位置实现对不同波长的滤波，是一种随空间位置变化的可变滤光结构。本发明结构及其制备过程简单、设备要求低。

Description

基于PDMS的峰值连续可变导模共振滤光片及制备方法
技术领域
本发明涉及一种导模共振器件，特别涉及一种峰值连续可变导模共振滤光片。
背景技术
导模共振器件是一种区别于传统多层膜元件的微结构光学滤光片，其结构简单、加工成本低，是一种极具应用前景的滤光器件。导模共振滤光片基于波导泄露模共振效应，早在 20 世纪 90 年代初，由 Wang 等人率先提出。这种器件的结构通常仅包含基底、波导层和光栅层。共振发生时，波导所支持的导模与光栅高级次衍射波发生耦合，导致在光谱上出现尖锐的共振峰，峰值效率可达 100％。由于具备结构简单、峰值效率高、共振波长易于控制等优点，使得导模共振器件在取代传统多层膜器件方面显示出很大优势。
导模共振峰值对结构参数敏感，峰值调控可由很多结构参数完成，包括光栅周期、波导层厚度和波导层折射率等，其中影响最显著的是光栅周期。基于变间距光栅的非均匀导模共振结构，能实现中心波长随位置连续可变，是一种新型渐变滤光结构，表明导模共振在光谱仪分光器件方面有很大潜力。然而，变间距光栅制作主要依赖电子束光刻或全息光刻工艺。其中，电子束光刻所使用的设备昂贵、制作效率较低且控制工艺复杂，而全息干涉光刻利用激光相干条纹对光刻胶曝光，随后经过显影等工序后获得光栅，制作步骤繁琐，工艺控制难度较大。近年来基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）自组装制备光栅的技术引起了研究者们的关注，当PDMS柔性基底层上方形成刚性层的双层薄膜之间的应力响应不匹配，当应力超过最大值时，PDMS表面形成褶皱结构，通过工艺控制可获得衍射性能较好的平面光栅。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种结构简单、易于制备的基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，沿着光栅周期渐变的方向，导模共振滤波峰值发生连续移动，并提出一种制备方法。
技术方案：一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，包括上部薄膜波导层、中间变间距光栅层和下部PDMS基底，下部PDMS基底的厚度沿光栅周期渐变方向渐变，上部薄膜波导层的折射率大于中间变间距光栅层等效折射率和下部PDMS基底折射率。
进一步的，上部薄膜波导层的材料为五氧化二钽、氧化钛、氮化硅。
一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的制备方法，包括：
步骤1：将PDMS预聚物和固化剂按照10:1比例混合，抽真空出去气泡，将混合液体导入倾斜放置的器皿，放入鼓风干燥箱固化；
步骤2：将固化后的PDMS薄膜裁剪成沿一边厚度渐变的矩形，用夹具固定住薄膜两端，然后纵向拉伸或横向拉伸PDMS薄膜；
步骤3：将处于拉伸状态的PDMS薄膜放置于氧气等离子体刻蚀机中，设置好刻蚀功率后，刻蚀一定时间取出，随后缓慢释放拉伸力，得到表面变间距光栅；
步骤4：在变间距光栅表面镀一层氧化物薄膜。
进一步的，氧化物薄膜的材料为五氧化二钽、氧化钛、氮化硅。
有益效果：本发明的基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，线偏振宽光以一定角度入射该结构时，反射光谱的特定位置能获得高效率的导模共振峰。在厚度渐变的矩形PDMS基底上制备变间距光栅，使不同的高级衍射光与导模发生耦合，获得导模共振特征频率，最终沿光栅周期变化方向实现导模共振反射峰值的连续变化，即在结构的不同位置实现对不同波长的滤波，是一种随空间位置变化的可变滤光结构，可作为分光器件用于光谱分光。本发明结构及其制备过程简单、设备要求低。
附图说明
图1是一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的结构示意图；
图2是一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的结构参数示意图；
图3不同光栅周期下的反射光谱特性曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，包括上部薄膜波导层1、中间变间距光栅层2和下部PDMS基底3，下部PDMS基底3的厚度沿光栅周期渐变方向渐变，上部薄膜波导层1的折射率大于中间变间距光栅层2等效折射率和下部PDMS基底3折射率。其中，上部薄膜波导层1的材料为五氧化二钽、氧化钛、氮化硅。
制备上述基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的制备方法，包括：
步骤1：将PDMS预聚物和固化剂按照10:1比例混合，抽真空出去气泡，将混合液体导入倾斜放置的器皿，具体倾斜角度根据设计需要，然后放入鼓风干燥箱固化；
步骤2：将固化后的PDMS薄膜裁剪成沿一边厚度渐变的矩形，用夹具固定住薄膜两端，然后纵向拉伸或横向拉伸PDMS薄膜；定义沿薄膜厚度渐变方向拉伸为纵向，垂直此方向拉伸为横向拉伸；
步骤3：将处于拉伸状态的PDMS薄膜放置于氧气等离子体刻蚀机中，设置好刻蚀功率后，刻蚀一定时间取出，形成表面氧化硅层，随后缓慢释放拉伸力，得到表面变间距光栅；
步骤4：在变间距光栅表面镀一层氧化物薄膜，氧化物薄膜的材料为五氧化二钽、氧化钛、氮化硅，得到如图1所示的基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，其结构参数包括光栅材料折射率、光栅周期、光栅槽深、氧化物薄膜折射率、氧化物薄膜厚度参数满足导模共振条件。
如图2所示，基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的具体参数是：光栅周期Λ变化范围400nm-600nm，占空比f=0.5，光栅槽深h=60nm，折射率n1=1.46。上部薄膜波导层1的高、低折射率材料分别为氧化钛薄膜和空气，对应折射率为n2=2和1；中间变间距光栅层2的薄膜波导厚度为60nm，折射率n1为1.46；下部PDMS基底3的折射率为n3=1.4。
当线偏振宽光谱照射结构的不同位置，能激发不同波长的导模共振峰，且沿着光栅周期渐变的方向，峰值发生连续移动。图3是本发明涉及的结构在TE偏振光入射下，不同位置对应的不同光栅周期下的反射光谱特性曲线，光栅周期沿楔形薄膜渐变方向发生连续变化，导致共振峰值连续渐变。本发明成功实现了一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，获得了空间可变滤波效果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，其特征在于，包括上部薄膜波导层（1）、中间变间距光栅层（2）和下部PDMS基底（3），下部PDMS基底（3）的厚度沿光栅周期渐变方向渐变，上部薄膜波导层（1）的折射率大于中间变间距光栅层（2）等效折射率和下部PDMS基底（3）折射率。
2.根据权利要求1所述的基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片，其特征在于，上部薄膜波导层（1）的材料为五氧化二钽、氧化钛、氮化硅。
3.一种基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：将PDMS预聚物和固化剂按照10:1比例混合，抽真空出去气泡，将混合液体导入倾斜放置的器皿，放入鼓风干燥箱固化；
步骤2：将固化后的PDMS薄膜裁剪成沿一边厚度渐变的矩形，用夹具固定住薄膜两端，然后纵向拉伸或横向拉伸PDMS薄膜；
步骤3：将处于拉伸状态的PDMS薄膜放置于氧气等离子体刻蚀机中，设置好刻蚀功率后，刻蚀一定时间取出，随后缓慢释放拉伸力，得到表面变间距光栅；
步骤4：在变间距光栅表面镀一层氧化物薄膜。
4.根据权利要求3所述的基于PDMS基底的峰值连续可变导模共振滤光片的制备方法，其特征在于，氧化物薄膜的材料为五氧化二钽、氧化钛、氮化硅。
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