基于雙層金屬光柵的中波紅外多通道濾光片結(jié)構(gòu)

劉永強(qiáng)，金 柯，王慧娜，楊崇民，韓 俊，王穎輝，張建付

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

紅外窄帶濾光片在光學(xué)通信、光學(xué)儀器、光學(xué)傳感、光譜成像、光譜分析等具有非常廣泛的應(yīng)用[1-6]。由于光學(xué)系統(tǒng)越來越復(fù)雜，為了簡化光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，提升光學(xué)系統(tǒng)的集成度和可靠性，多通道窄帶濾光片的應(yīng)用日益增多[7-9]。多通道濾光片替代傳統(tǒng)濾光片組合可以極大簡化光學(xué)系統(tǒng)，減小體積和重量。傳統(tǒng)的多通道窄帶濾光片結(jié)構(gòu)主要是基于光學(xué)薄膜窄帶濾光片原理，一種是把不同波長的濾光片拼接成多通道窄帶濾光片，但這種方法難以實(shí)現(xiàn)小尺寸器件[9]；另一種方法是利用光刻工藝刻蝕出不同厚度的間隔層來實(shí)現(xiàn)[10-11]，這種結(jié)構(gòu)往往每一個通道需要刻蝕一次，通道越多工藝越復(fù)雜，這使得其環(huán)境適應(yīng)性差，且膜層容易脫落，給制備和應(yīng)用帶來困難[11-14]。

為了獲得光譜性能優(yōu)良、環(huán)境適應(yīng)性好的多通道中波紅外窄帶濾光結(jié)構(gòu)，本文結(jié)合干涉效應(yīng)與Fabry-Preot 腔共振效應(yīng)，提出采用分布式布拉格反射器（DBRs）結(jié)合雙層金屬光柵的組合來實(shí)現(xiàn)多通道紅外窄帶濾光陣列結(jié)構(gòu)，各通道透過率均大于78%，所設(shè)計(jì)中波紅外多通道濾光器性能良好。

1 理論模型及原理

采用DBRs-雙層金屬光柵-DBRs 結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)透射TM 光的多通道超窄帶濾光片。設(shè)計(jì)的中波紅外多通道窄帶濾光器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。從下往上依次為石英基底/(HL)3H/雙層金屬光柵/H(LH)3。DBRs 由 厚 度 為0.25 μm 的ZnS 和0.35 μm 的SiO2膜層交替組成；雙層金屬光柵材料為金，周期0.5 μm，厚度1 μm，占空比0.6，上下金屬層厚度相同為0.25 μm，填充介質(zhì)折射率為SiO2。本文采用FDTD法模擬，由于陣列的周期結(jié)構(gòu)，計(jì)算時Z軸方向采用完全匹配層截?cái)嚯姶艌?，X軸方向采用周期邊界條件。ZnS 折射率為2.3，SiO2折射率為1.42，金的色散采用Drude 模型：

式中： ε∞為1；等離子體頻率ωp為1.38×1016rad/s；τ為33 fs[15]。

圖1 多通道濾光片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of multi-channel filter

多通道窄帶透射峰機(jī)理為：光通過金屬狹縫時，相當(dāng)于通過一個類Fabry-Preot 腔的結(jié)構(gòu)[16]，當(dāng)入射光波長與雙層金屬光柵的厚度之間滿足諧振（2）式時，對應(yīng)的波長形成透射增強(qiáng)峰。

式中：m為共振模式數(shù)；neff為狹縫有效折射率，L為光柵金屬層總厚度；d雙層金屬光柵金屬層之間介質(zhì)的厚度；nd為光柵中介質(zhì)折射率。入射光在亞波長金屬狹縫中的復(fù)傳播常數(shù) β由下式計(jì)算：

式中w為金屬光柵狹縫寬度。

通過以上理論分析我們可以通過設(shè)計(jì)金屬光柵狹縫的寬度來調(diào)節(jié)多通道窄帶濾光片單個通道的中心波長；通過DBRs、金屬光柵厚度和光柵中填充介質(zhì)的折射率來選擇多通道窄帶濾光片的設(shè)計(jì)波段。我們分析了金屬光柵厚度和光柵中填充介質(zhì)的不同窄帶濾光片單個通道的中心波長變化規(guī)律，最后利用金屬光柵狹縫寬度梯度變化設(shè)計(jì)了平面陣列濾光片。

2 結(jié)果與討論

圖2 為金屬光柵中不同填充介質(zhì)的TM 偏振光透過率曲線。圖中左側(cè)的窄帶透射峰為多層膜濾光片的透射峰，其透射峰位置由下式確定：

式中： ?1和?2為反射膜反射位相；m為整數(shù)；nTM為亞波長金屬光柵TM 光等效折射率[17]。右側(cè)尖銳的透射峰為金屬光柵內(nèi)類Fabry-Preot 共振峰。從圖中可以看出，光柵填充不同的介質(zhì)左側(cè)共振峰位置隨著填充介質(zhì)折射率增加向長波方向移動，這是因?yàn)榻饘俟鈻诺牡刃Ч鈱W(xué)厚度增加的緣故。右側(cè)透射峰隨著填充介質(zhì)折射率增加向長波方向移動。由（2）式可知，金屬光柵波導(dǎo)電磁模式的色散關(guān)系受金屬狹縫中介質(zhì)折射率的影響，隨著折射率增加類Fabry-Preot 腔長增加，因此共振峰的位置向長波方向移動。

圖2 金屬光柵中不同填充介質(zhì)的透過率曲線Fig.2 Transmittance curves of different filling mediums in bilayer metallic grating

圖3 為雙層金屬光柵填充SiO2時，不同金屬光柵厚度下的TM 偏振光透過率。從圖中可以看出不同金屬光柵厚度時，左側(cè)透射峰位置隨著光柵厚度增加峰值透過率向長波方向微小移動，這是因?yàn)榻饘俟鈻诺牡刃Ч鈱W(xué)厚度增加的緣故。右側(cè)金屬光柵內(nèi)共振峰同樣隨著光柵厚度增加向長波方向移動，因?yàn)殡S著厚度增加類Fabry-Preot 腔長增大，所以共振峰的位置向長波方向移動。從圖（2）、圖（3）可以看出，我們通過調(diào)節(jié)金屬光柵填充介質(zhì)及光柵厚度來調(diào)節(jié)多通道超窄帶濾光片透射波段。

圖4 為單個通道的窄帶濾光片中心波長的光場分布，其中雙層金屬光柵填充SiO2，金屬光柵厚度1 μm，光入射方向沿Z軸正方向。從圖4 可見，光場在金屬光柵的分布為駐波分布，光場對稱分布在光柵兩側(cè)，金屬光柵等效介質(zhì)層作為濾光片的諧振腔，光場主要分布在雙層金屬光柵中。金屬光柵中的諧振波由兩邊DBRs 引起，說明中心波長為光波在金屬光柵中共振產(chǎn)生，滿足（2）式的共振波長都會形成透射峰。

圖3 不同雙層金屬光柵厚度下的透過率Fig.3 Transmittance curves of bilayer metallic grating with different thicknesses

圖4 窄帶濾光片中心波長的光場分布Fig.4 Optical field distribution of central wavelength on narrowband filter

圖5 為不同光柵狹縫寬度時不同共振波長下，雙層金屬光柵對于共振波長的相位厚度。從圖上可以看出隨著狹縫寬度增加相位增加，說明隨著狹縫寬度增加類Fabry-Preot 腔長增大。圖6 為利用金屬光柵狹縫寬度梯度變化及陣列式分布所設(shè)計(jì)的多通道濾光片透射曲線。金屬光柵狹縫沿著X軸正方向?qū)挾葟?60 nm 變化至400 nm，狹縫寬度均勻變化，梯度為30 nm。隨著狹縫寬度增加，濾光片中心波長也依次增加，從2 230 nm 增加至2 433 nm，所設(shè)計(jì)的多通道濾光片中心波長覆蓋范圍超過200 nm。峰值透過率隨著波長增加，從78%增加到93%。

圖5 不同狹縫寬度時共振波長的相位厚度。Fig.5 Phase thickness of resonance wavelength at different slit widths

圖6 設(shè)計(jì)的多通道濾光片透射曲線Fig.6 Transmittance curves of designed multi-channel filter

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種中波紅外多通道窄帶濾光器，采用DBRs-雙層金屬光柵-DBRs 結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)多通道窄帶濾光片，通過光柵狹縫寬度梯度變化得到了多通道窄帶濾光片。所設(shè)計(jì)的濾光片透射峰可調(diào)，從理論計(jì)算得到了金屬光柵填充介質(zhì)及金屬光柵厚度與透射峰位置關(guān)系，并從理論上給予了解釋。為設(shè)計(jì)中波紅外多通道窄帶濾光片提供了理論根據(jù)。所設(shè)計(jì)的多通道窄帶濾光片濾光性能良好，在許多光學(xué)系統(tǒng)中有非常好的應(yīng)用潛能。