CN116381849A - 基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器及其制作方法，涉及光学传感技术领域，具体属于一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器及其制作方法。包括介质基底和超结构，介质基底包括若干个正方形衬底，超结构包括若干个全介质材料构成的超结构单元，超结构单元与正方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在X、Y方向周期性排列。本发明激发了调制深度接近100％的尖锐Fano共振，有利于实现高q因子的Fano共振峰。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感技术领域，具体属于一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器及其制作方法。
背景技术
随着纳米器件加工工艺的进步，金属纳米结构表面等离子体已经成为研究的热点。然而，由于金属结构中自由电子震荡导致了很强的辐射损耗，金属结构的高品质因子通常较低，这限制了金属等离子体结构器件在纳光子学中的应用。全介质超结构的出现解决了这些问题。全介质超结构具有低损耗、易调节和与CMOS技术兼容的特点，同时支持超高灵敏度，从而为实现高性能、小占地面积和高度集成的光学器件提供了新途径。
法诺(Fano)共振作为表面等离子体一种特殊形式，可以在纳米结构中产生。Fano共振因具有非对称、尖锐的线形，所以能够非常敏感的感知周围环境的变化，常被应用在滤波器、生物传感器等领域。
因法诺(Fano)共振可以产生更窄的光谱和更高的场强，实现更优的灵敏度，得到了研究者的广泛关注。Fano共振是由离散态和连续态之间的破坏性干扰引起的，基于Fano共振的全介质超结构光学生物折射率传感器利用了Fano共振在其共振频率处产生的极大电磁场增强，具有高的灵敏度，又避免了由材料产生的欧姆损耗，是当前光学滤波器领域的一个研究热点。
综上所述，基于当前光学滤波器的研究现状以及全介质超结构及Fano共振的优势，发明人提出一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器及其制作方法，激发了调制深度接近100％的尖锐Fano共振，以达到有利于实现高q因子的Fano共振峰的目的。
本发明所提供的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征在于，包括介质基底和超结构，介质基底包括若干个正方形衬底，超结构包括若干个全介质材料构成的超结构单元，超结构单元与正方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在X、Y方向周期性排列。
进一步的，介质基底材料为二氧化硅，厚度为300nm，对应的折射率为1.48，超结构材料为单晶硅，对应的折射率为3.45。
进一步的，超结构单元为硅圆柱体，所述的硅圆柱体的底面圆心与正方形衬底的上表面中心重合，在硅圆柱体上具有鱼骨型的镂空段。
进一步的，微结构单元在X、Y方向的排列周期为610nm；硅圆柱体的半径为278nm；硅圆柱体高为171nm，镂空段的凹陷深度为171nm。
进一步的，硅圆柱体具有三条镂空段，镂空段的凹陷深度与硅圆柱体的高度一致，镂空段为鱼骨型的左右对称结构，且镂空段自圆柱体的一端向另一端呈逐渐缩小趋势变化。
进一步的，每条镂空段的中部分别形成有90°的拐角，且拐角位于硅圆柱体底面圆过圆心的轴线上。
进一步的，沿镂空段逐渐缩小的方向，取每条镂空段的一半测量数据：
外侧镂空段：外边长为350nm，宽度为100nm，内边长为250nm；
中间镂空段：外边长为180nm，宽度为60nm，内边长为120nm；
内侧镂空段：外侧边长为80nm，宽度为40nm，内边长为40nm；
其中，外侧镂空段的最外拐角与硅圆柱体底面圆的最小距离为38nm，内侧镂空段的最内拐角与硅圆柱体底面圆的最小距离为135nm。
进一步的，当入射光照射到超结构上时，电磁波与微结构单元相互作用，在透射谱上出现两个窄线宽的Fano共振峰，本发明的滤波器的工作波长在1050nm-1350nm。
进一步的，本发明的窄带滤波器的q因子通过以下公式计算：q＝谐振波长/半峰全宽。
本发明所提供的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物；
步骤2：通过使用低压化学气相沉积方法，将硅薄膜沉积在二氧化硅基底晶片上；
步骤3：对晶片进行清洗，将光刻胶均匀旋涂到硅薄膜上并烘烤；
步骤4：通过电子束曝光技术投影图形，照射晶片需要刻蚀的区域，硅薄膜上无需刻蚀的区域不被电子束曝光；
步骤5：对电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶，进行显影处理，将晶片浸入在无机弱碱性水溶液中，经过显影液浸泡后进行高温烘烤，让没有电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性；
步骤6：通过电感耦合等离子体刻蚀后得到超结构单元阵列；
步骤7：去除光刻胶，用等离子体清洗，得到本发明的超结构窄带滤波器。本发明所提供的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器及其制作方法，超结构通过使用全介质硅基材料代替金属材料，解决了金属微纳结构中存在的高欧姆损耗、高制造成本以及与CMOS不兼容性的问题。仿真与实验结果表明，系统中产生了双Fano共振,可以通过改变器件的几何形状来调节共振波长和共振线型。结合BIC理论激发出高q因子的Fano峰，从而实现可调谐多波长滤波性能。全介质超结构基于米氏共振原理，当使用一个沿z轴负方向的平面波垂直入射到全介质超结构上，其光场主要束缚在器件内部，有利于增强器件内部光与物质的相互作用，在透射光谱中出现两个尖锐的Fano共振。综上所述，本发明具有以下积极效果：
1、全介质材质，无欧姆损耗，获得Fano共振产生的透射和反射光谱可以比传统的等离子体传感器窄得多，更容易实现高品质因子和高灵敏度、高品质因数。
2、透射谱中产生窄线宽的两个Fano共振峰便于检测和测量，可以同时提供多个检测点。
3、超结构使用全介质材料，与CMOS工艺兼容，制造成本低，有望实现高性能、小型化和高集成度光子器件。
4、本发明所述的窄带滤波器可应用到气体、液体及生物传感等相关领域，能为行业实验测量带来极大的便利。
说明书附图
图1为本发明的整体结构的俯视图；
图2为本发明微结构单元的俯视图；
图3为本发明微结构单元的侧视图；
图4为本发明的工艺制作流程图；
图5为本发明微结构单元的硅圆柱体在不同高度状态下的入射平面波的透射谱；
图6为本发明微结构单元的硅圆柱体在不同半径状态下的入射平面波的透射谱。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明所提供的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，具体是由上下依次层叠的介质基底和超结构构成的。具体地，介质基底是由若干个正方形衬底1组成的，超结构又是由若干个全介质材料构成的超结构单元2构成的，优选地，介质基底材料采用二氧化硅，厚度为300nm，对应的折射率为1.48，超结构材料采用单晶硅，对应的折射率为3.45。超结构单元为硅圆柱体，所述的硅圆柱体的底面圆心与正方形衬底的上表面中心重合，超结构单元与正方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在X、Y方向周期性排列。
在硅圆柱体上设置鱼骨型的镂空段3。如图1-3所示，硅圆柱体具有三条镂空段，镂空段的凹陷深度与硅圆柱体的高度一致，镂空段为鱼骨型的左右对称结构，且镂空段自圆柱体的一端向另一端呈逐渐缩小趋势变化。此外，每条镂空段的中部分别形成有90°的拐角，且拐角位于硅圆柱体底面圆过圆心的轴线上。
在本发明的具体实施例中，微结构单元在X、Y方向的排列周期为610nm；硅圆柱体的半径为278nm；硅圆柱体高为171nm，镂空段的凹陷深度为171nm。沿镂空段逐渐缩小的方向，取每条镂空段的一半测量数据：
外侧镂空段：外边长为350nm，宽度为100nm，内边长为250nm；
中间镂空段：外边长为180nm，宽度为60nm，内边长为120nm；
内侧镂空段：外侧边长为80nm，宽度为40nm，内边长为40nm；
其中，外侧镂空段的最外拐角与硅圆柱体底面圆的最小距离为38nm，内侧镂空段的最内拐角与硅圆柱体底面圆的最小距离为135nm。
本发明在应用时，当入射光照射到超结构上时，电磁波与微结构单元相互作用，在透射谱上出现两个窄线宽的Fano共振峰，本发明的滤波器的工作波长在1050nm-1350nm。本发明的窄带滤波器的q因子通过以下公式计算：q＝谐振波长/半峰全宽。
如图4所示，本发明提供的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物；
步骤2：通过使用低压化学气相沉积方法，将硅薄膜沉积在二氧化硅基底晶片上；
步骤3：对晶片进行清洗，将光刻胶均匀旋涂到硅薄膜上并烘烤；
步骤4：通过电子束曝光技术投影图形，照射晶片需要刻蚀的区域，硅薄膜上无需刻蚀的区域不被电子束曝光；
步骤5：对电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶，进行显影处理，将晶片浸入在无机弱碱性水溶液中，经过显影液浸泡后进行高温烘烤，让没有电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性；
步骤6：通过电感耦合等离子体刻蚀后得到超结构单元阵列；
步骤7：去除光刻胶，用等离子体清洗，得到本发明的超结构窄带滤波器。
如图5所示的为本发明微结构单元的具有镂空段的硅圆柱体，在不同高度状态下的入射平面波的透射谱，可看出Fano共振点随结构参数变化的可调节性，本发明可作为滤波器使用。
如图6所示的本发明微结构单元具有镂空段的硅圆柱体，在不同半径状态下的入射平面波的透射谱，结构参数的变化，导致共振峰的位置发生相应的改变，两峰的共振位置在R为278nm到284nm都出现一个明显的红移，即可以通过改变器件的几何形状来调节共振波长和共振线型。
如图5、6所示的本发明在两个共振模式的透射谱，q＝谐振波长/半峰全宽，考虑到所实验的参数改变的多种情况下，可计算第一个fano共振峰的最佳q因子可达到5319，第二个fano共振峰的最佳q因子可达到1614。
综上所述，通过仿真实验验证了本发明提出的基于全介质鱼骨型窄带滤波器的具体实施案例，其可以诱导两个高性能的Fano共振以提供多个检测点。由于良好的性能和可调节的Fano共振点，本发明提出的基于全介质鱼骨型窄带滤波器结构对于制造窄带滤波器具有重要意义，具有成本低、结构简单、实时监测、无需标定等特点，可以在化学、医疗、集成光学等领域发挥重要作用。
Claims (10)
1.一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征在于，包括介质基底和超结构，介质基底包括若干个正方形衬底，超结构包括若干个全介质材料构成的超结构单元，超结构单元与正方形衬底对应设置并构成微结构单元，若干个微结构单元形成矩阵分布，并在X、Y方向周期性排列。
2.根据权利要求1所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，介质基底材料为二氧化硅，厚度为300nm，对应的折射率为1.48，超结构材料为单晶硅，对应的折射率为3.45。
3.根据权利要求2所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，超结构单元为硅圆柱体，所述的硅圆柱体的底面圆心与正方形衬底的上表面中心重合，在硅圆柱体上具有鱼骨型的镂空段。
4.根据权利要求3所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，微结构单元在X、Y方向的排列周期为610nm；硅圆柱体的半径为278nm；硅圆柱体高为171nm，镂空段的凹陷深度为171nm。
5.根据权利要求4所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，硅圆柱体具有三条镂空段，镂空段的凹陷深度与硅圆柱体的高度一致，镂空段为鱼骨型的左右对称结构，且镂空段自圆柱体的一端向另一端呈逐渐缩小趋势变化。
6.根据权利要求5所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，每条镂空段的中部分别形成有90°的拐角，且拐角位于硅圆柱体底面圆过圆心的轴线上。
7.根据权利要求6所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，沿镂空段逐渐缩小的方向，取每条镂空段的一半测量数据：
外侧镂空段：外边长为350nm，宽度为100nm，内边长为250nm；
中间镂空段：外边长为180nm，宽度为60nm，内边长为120nm；
内侧镂空段：外侧边长为80nm，宽度为40nm，内边长为40nm；
其中，外侧镂空段的最外拐角与硅圆柱体底面圆的最小距离为38nm，内侧镂空段的最内拐角与硅圆柱体底面圆的最小距离为135nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，当入射光照射到超结构上时，电磁波与微结构单元相互作用，在透射谱上出现两个窄线宽的Fano共振峰，本发明的滤波器的工作波长在1050nm-1350nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器，其特征还在于，本发明的窄带滤波器的q因子通过以下公式计算：q＝谐振波长/半峰全宽。
10.根据权利要求1-9中任一一项所述的一种基于全介质鱼骨型超表面的窄带滤波器的制作方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1：使用去离子水溶液对二氧化硅基底进行冲洗去除污染物；
步骤2：通过使用低压化学气相沉积方法，将硅薄膜沉积在二氧化硅基底晶片上；
步骤3：对晶片进行清洗，将光刻胶均匀旋涂到硅薄膜上并烘烤；
步骤4：通过电子束曝光技术投影图形，照射晶片需要刻蚀的区域，硅薄膜上无需刻蚀的区域不被电子束曝光；
步骤5：对电子束曝光后的相应位置残留的光刻胶，进行显影处理，将晶片浸入在无机弱碱性水溶液中，经过显影液浸泡后进行高温烘烤，让没有电子束曝光区域的胶实现硬化进而具有抗蚀性；
步骤6：通过电感耦合等离子体刻蚀后得到超结构单元阵列；
步骤7：去除光刻胶，用等离子体清洗，得到本发明的超结构窄带滤波器。
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