电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器及其制备方法

摘要

本发明公开了一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器及其制备方法，所述滤波器，包括两层透明导电玻璃、周期性金属光栅、光电晶体和电场产生装置，所述周期性金属光栅上设置有周期性阵列排布的狭缝；所述光电晶体填充在金属光栅的狭缝内，所述两层透明导电玻璃贴合周期性金属光栅上下表面设置，将光电晶体密封固定在金属光栅的狭缝内，所述电场产生装置在两层透明导电玻璃上产生均匀可调的电场，用于改变光电晶体的折射率参数。本发明可以通过改变上下透明导电玻璃电极的外加电压，来改变填充材料的折射率特性和金属光栅的透过率特性，达到电压调制滤波特性的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器及其制备方法，属于集成 光子器件。

背景技术

自从亚波长金属狭缝光栅阵列的异常透射现象被发现以来，由于其独特的光学特性 和日益先进的纳米加工技术，其潜在的应用价值逐渐被实现，其中一种就是滤波器，通 过设计改变狭缝光栅的狭缝宽度、高度和周期等结构参数可以得到不同波段的滤波器， 而对于固定结构参数与形状的金属狭缝光栅，其滤波特性也是固定的，如要改变其滤波 特性，则需设计新的结构参数的狭缝光栅，而这对于某些需要实时动态波段调节的光电 系统来说是不利的，影响了系统的高度集成化与多功能化。

发明内容

发明目的：针对传统周期性亚波长金属光栅滤波器透过率特性固定不变、不可调节 的问题，本发明提供一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器及其制备方法，根据 亚波长周期金属狭缝光栅的滤波特性与狭缝光栅的填充物的折射率密切相关的原理，在 狭缝内填充电光晶体材料，并通过外电场的强度来控制电光晶体的折射率，近而使得滤 波器的透过率特性随外加电场的变化而变化，实现滤波动态可调的特性。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器，包括两层透明导电玻璃、周期性金 属光栅、光电晶体和电场产生装置，所述周期性金属光栅上设置有周期性阵列排布的狭 缝；所述光电晶体填充在金属光栅的狭缝内，所述两层透明导电玻璃贴合周期性金属光 栅上下表面设置，将光电晶体密封固定在金属光栅的狭缝内，所述电场产生装置在两层 透明导电玻璃上产生均匀可调的电场，用于改变光电晶体的折射率参数。

优选的，所述周期性金属光栅的厚度为100～1000nm、周期为400～1000nm，狭缝的 宽度为100～1000nm，透明导电玻璃的厚度为1～10mm。

优选的，所述透明导电玻璃具体为ITO导电玻璃（ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼 基基片玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡（俗称ITO）膜加工制作 成的）。

优选的，所述狭缝的形状为矩形、锥形、抛物线形等。

优选的，所述光电晶体为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂或钽酸锂等。

一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器的制备方法，包括依次进行的如下步 骤：

（1）在一层透明导电玻璃上，利用热蒸发或者磁控溅射等薄膜工艺制备一层金属 薄膜，金属薄膜的厚度为a，金属薄膜的材料可以为贵金属材料也可以为普通金属材料；

（2）在金属薄膜的表面旋涂一层光刻胶并烘干，光刻胶的厚度为b；

（3）利用聚焦离子束等刻蚀工艺制备凹槽阵列，形成周期性阵列排布的狭缝，凹 槽的深度为a+b；

（4）利用电子束蒸发等镀膜工艺在凹槽阵列表面镀光电晶体膜，光电晶体膜的厚 度为a；

（5）利用清洗液将结构中的光刻胶清洗掉并烘干；

（6）在结构的上表面覆盖另一层透明导电玻璃。

有益效果：本发明提供的电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器，当改变电场产 生装置产生的电压强度时，由于上下电极之间的距离非常短，将形成巨大的电场，电光 晶体在电场的作用下折射率发生改变，由于光栅的透过率特性与狭缝填充物的折射率息 息相关，所以改变上下电极的电压可以调制狭缝光栅的透过率特性，以达到动态滤波的 目的，这种动态可调的滤波器，可用来制备新型的光开关，光调制器等，将在未来的集 成光子器件和光通讯中有广泛的应用；本发明提供的电压调制的周期性亚波长金属光栅 滤波器制备方法，过程简单、易于实现。

附图说明

图1为本发明滤波器的立体结构示意图；

图2为本发明滤波器的剖视结构示意图；

图3为本发明滤波器的制备过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、图2所示为一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器，包括两层透明 导电玻璃1、周期性金属光栅2、光电晶体3和电场产生装置4，所述周期性金属光栅2 上设置有周期性阵列排布的狭缝；所述光电晶体3填充在金属光栅2的狭缝内，所述两 层透明导电玻璃1贴合周期性金属光栅2上下表面设置，将光电晶体3密封固定在金属 光栅2的狭缝内，所述电场产生装置4在两层透明导电玻璃1上产生均匀可调的电场， 用于改变光电晶体3的折射率参数。

一般所述周期性金属光栅2的厚度为100～1000nm、周期为400～1000nm，狭缝的宽 度为100～1000nm，透明导电玻璃1的厚度为1～10mm。

所述透明导电玻璃1具体为ITO导电玻璃ITO导电玻璃是在钠钙基或硅硼基基片 玻璃的基础上，利用磁控溅射的方法镀上一层氧化铟锡俗称ITO膜加工制作成的；所述 狭缝的形状为矩形、锥形、抛物线形等；所述光电晶体3为磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、 铌酸锂或钽酸锂等。

如图3所示为一种电压调制的周期性亚波长金属光栅滤波器的制备方法，包括依次 进行的如下步骤：

（1）在一层透明导电玻璃上，利用热蒸发或者磁控溅射等薄膜工艺制备一层金属 薄膜，金属薄膜的厚度为a，金属薄膜的材料可以为贵金属材料也可以为普通金属材料；

（2）在金属薄膜的表面旋涂一层光刻胶并烘干，光刻胶的厚度为b；

（3）利用聚焦离子束等刻蚀工艺制备凹槽阵列，形成周期性阵列排布的狭缝，凹 槽的深度为a+b；

（4）利用电子束蒸发等镀膜工艺在凹槽阵列表面镀光电晶体膜，光电晶体膜的厚 度为a；

（5）利用清洗液将结构中的光刻胶清洗掉并烘干；

（6）在结构的上表面覆盖另一层透明导电玻璃。

下面结合实施例对本发明做出进一步的说明。

实施例1

为实现一种周期性亚波长金属光栅滤波器，选用磷酸二氢钾为填充物。选用ITO透 明玻璃作为衬底，利用热蒸发在其表面制备一层厚度为300nm的金薄膜，在金薄膜表面 旋涂一层厚度为200nm的光刻胶并烘干。利用聚焦离子束技术刻蚀一个深度为500nm， 宽度为200nm，周期为500nm的周期性矩形凹槽阵列，再用电子束蒸发在凹槽阵列表 面镀一层厚度300nm的磷酸二氢钾，然后利用清洗液将结构中的光刻胶清洗掉，烘干， 最后在上表面覆盖ITO透明电极。并将上下电极连接到电压发生装置。

入射光由滤波器下方ITO透明电极入射，由于纳米狭缝光栅的异常透射现象，光将 透过狭缝光栅由下表面出射。由于光栅透射谱与狭缝填充物的折射率有关，通过改变外 加电压的大小，来改变磷酸二氢钾的折射率，最终达到动态改变光栅透过率谱线的目的。

实施例2

为实现一种周期性亚波长金属光栅滤波器，选用钽酸锂作为光栅狭缝填充物，选用 ITO透明玻璃作为衬底，利用磁控溅射在其表面制备一层厚度为250nm的银薄膜，在银 薄膜表面旋涂一层厚度为150nm的光刻胶并烘干。利用聚焦离子束技术刻蚀一个深度为 400nm，宽度为250nm，周期为400nm的周期性矩形凹槽阵列，再用电子束蒸发在凹槽 阵列表面镀一层厚度250nm的钽酸锂，然后利用清洗液将结构中的光刻胶清洗掉，烘干， 最后在上表面覆盖ITO透明电极。并将上下电极连接到电压发生装置。

入射光由滤波器下方ITO透明电极入射，由于纳米狭缝光栅的异常透射现象，光将 透过狭缝光栅由下表面出射。由于透射谱与狭缝填充物的折射率有关，通过改变外加电 压的大小，来改变钽酸锂的折射率，最终达到动态改变光栅透过率谱线的目的。

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。