光学滤波器和使用其的光学装置的制作方法

本发明涉及一种光学滤波器，并且更具体地说，涉及一种具有形成在多个金属图案上的光波导层的光学滤波器和光学装置。

背景技术：

光学滤波器是将具有各种波长的光过滤成任意波长带所必需的配置。由于以阵列形式集成了仅透射特定波长带或透射不同波长带的光的光学滤波器，因此光学滤波器用于配置微型光谱仪。作为带通滤波器，使用放置在两个反射膜之间的介质谐振器的光干涉效应的fabry-perot滤波器是典型的。此外，使用透射滤波器，该透射滤波器使用周期性地布置在金属薄膜结构上的纳米孔阵列结构中出现的非常光透射(extraordinaryopticaltransmission，eot)现象。

利用光干涉效应的fabry-perot滤波器的优点在于：控制透射中心波长和透射带宽相对容易，但是缺点在于：多个透射带的形成限制自由光谱范围并且入射角依赖性高。与fabry-perot滤波器不同，金属纳米孔阵列结构的优点在于：中心透射波长仅通过控制水平晶格结构而变化，但缺点在于：它具有宽的带宽并且由于表面等离子体波和晶格模式之间的耦合而产生各种透射模式，使得带外抑制特性差。

线性可变滤波器(linearvariablefilter，lvf)被称为用于构成光谱仪的光学滤波器阵列。lvf是具有fabry-perot谐振器结构的光学滤波器，并且具有电介质谐振层的厚度沿长度方向线性变化的结构。在lvf中，设置下镜层和上镜层，其间插入有介质谐振层。

由于厚度在长度方向上变化的线性结构，这种lvf在工艺再现性方面具有局限性。此外，由于传统的lvf光谱仪的分辨率是由lvf的高度-长度比决定的，因此很难缩小光谱仪的大小。特别地，由于线性结构，与二维成像传感器技术的工艺兼容性不足，因此在生产力方面是不利的。

由于每个lvf位置的透射光谱由连续的光谱重叠组成，并且lvf与光学检测器之间的集成不是单片的，所以滤波器与光学检测器阵列之间存在距离，并且据此存在缺陷：滤波器的性能由于杂散光效应而恶化。

可以通过将金属纳米孔阵列的晶格周期配置为连续可变来制造用于光谱仪的透射带滤波器阵列。在这种情况下，有利的是，由于只控制水平结构，因此简化了制造工艺。然而，当光谱仪工作时，多模式的存在可能导致信号处理过程中的失真。

此外，由于半宽大，并且入射角的依赖性高，因此在满足对光学滤波器的各种需求方面存在许多限制。

技术实现要素：

技术问题

本发明是提供一种具有半宽的带通滤波器和一种具有优异的带外抑制特性的光学滤波器。

本发明还提供了一种具有简单制造工艺和优异可靠性的光学滤波器。

技术方案

本发明的实施例提供了一种光学滤波器，该光学滤波器包括：覆层；多个金属图案，其被构造为在覆层上形成周期性点阵结构；以及所述多个金属图案上的光波导层，其中，光从光波导层行进至覆层。

在实施例中，所述多个金属图案可被图案化以形成二维狭缝网格结构。

在实施例中，狭缝宽度与所述多个金属图案的周期的比率为1/30至1/3。

本发明的实施例提供了一种光学滤波器，该光学滤波器包括：衬底；衬底上的覆层；在覆层上周期性地图案化的多个金属图案；以及所述多个金属图案上的第一光波导层，其中，光从衬底行进至第一光波导层。

本发明的实施例提供了一种光学装置，该光学装置包括：平板光学滤波器；以及对应于光学滤波器的光学检测器。光学装置是非色散红外传感器、光谱仪、cmos图像传感器或高光谱图像传感器之一。

有益效果

根据上述本发明，可以提供具有小半宽和优异的带外抑制特性的光学滤波器，同时仅通过水平结构控制容易地控制透射带(transmissionband)的中心波长。

此外，在上部提供波导层的过程对于实现相对简单的过程是有效的，可以最小化与光学检测器的分离，金属点阵图案蚀刻工艺中光波导结构损失的可能性最小，而且可以在工艺过程中实时监控和优化厚度，并且还可以向金属点阵添加保护层功能。因此，在一体化处理中具有有益效果。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的光学滤波器的剖面的示图；

图2是光学滤波器的透视图；

图3是示出金属图案的平面结构的示例的示图；

图4是根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖视图；

图5是根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖视图；

图6至图15是根据本发明的其它实施例的光学滤波器的剖视图。

具体实施方式

下文中，参照附图更详细地描述本发明的实施例。然而，本发明的以下说明实施例可修改为各种其它形式，并且本发明的范围不限于下面描述的实施例。提供本发明的实施例以向本领域普通技术人员更完全地描述本发明。

图1是示出根据本发明的实施例的光学滤波器的剖面的示图。图2是光学滤波器的透视图。图3是示出金属图案的平面结构的示例的示图。

光学滤波器100包括覆层110、被图案化为具有周期性点阵结构的多个金属图案120和形成在所述多个金属图案120上的光波导层130。本发明的特征之一是光波导层130形成在所述多个金属图案120上。

此时，如果金属图案的点阵周期被构造为小于将被光学滤波器滤波的中心波长，则其作为零级衍射光栅操作。通过形成邻近金属图案和非常窄的网状狭缝结构，带外抑制效应优异，并且透射中心波长主要取决于点阵周期。根据这种结构，当具有多个波长的光通过光波导层130进入并遇到由所述多个金属图案120组成的衍射光栅时，具有零阶特性的谐振波长光通过狭缝透射，另一方面，以倏逝场形式衍射的±1阶光与后向波导的波导模式耦合。在波导模式中耦合的光再次经历遇到金属图案点阵结构并被转换为用于穿透狭缝的传播模式的处理，从而以高透射率滤除特定谐振波长的光。

除了点阵周期外，透射带的光谱还极大地受到光波导层的诸如狭缝宽度、折射率和厚度等光学结构因素的影响。光波导层的折射率应高于覆层的折射率，且其厚度可在λ0/4nwg＜twg＜λ0/nwg的范围内从而满足单波导模式条件。这里，λ0表示透射中心波长。如果光波导层的厚度太小，则不能形成波导模式，并且当超出范围时，出现多波模式，从而增加透射带的半宽，形成多透射带。因此，带外抑制特性变差。

确定金属图案的点阵周期p，以具有以下关系：p＜λ0＜nwgp，透射中心波长为λ0。构成金属图案的金属材料可选自au、ag、al、cu、pt、pd、ni、co、fe、mn、cr、mo、w、v、ta、nb、hf、pb、sb、bi及其合金构成的组中的至少一个。金属图案的厚度可形成为从5nm至500nm。当厚度减为5nm或更小时，电子的表面散射效应增加了由于金属本身引起的光损失，并且如果厚度太大，则在狭缝结构的竖直方向上发生谐振效应。因此，其缺点在于可能对单个透射带的形成产生不利的影响，并且难以实现过程。

如果用于光波导层130的材料在工作波长范围内是光学透明的，并且具有比覆层更高的折射率，则可以不受限制地使用有机材料、无机材料及其混合物、化合物等。例如，所述材料可包括氧化物(诸如sio2、al2o3、tio2、mgo、zno、zro2、in2o3、sno2、cdo、ga2o3、y2o3、wo3、v2o3、batio3和pbtio3)、氮化物(诸如si3n4和al3n4)、磷化物(诸如inp和gap)、硫化物(诸如zns和as2s3)、氟化物(诸如mgf2、caf2、naf、baf2、pbf2、lif和laf)、碳化物(诸如sic)、硒化物(诸如znse)、由诸如si和ge的半导体构成的无机材料及其混合物或化合物以及有机材料(诸如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚二甲基硅氧烷(pdms)、环状聚烯烃、苯乙烯聚合物或聚四氟乙烯及其混合物或化合物)。

与光波导层130一样，如果覆层110在工作波长带中是光学透明的，并且具有低于光波导层130的折射率，则可以不受限制地使用有机材料、无机材料及其混合物。通过配置覆层110的材料可以期望改进带外抑制特性，以允许相对于光波导层130的折射率差极大地增加。

如上所述，在所述多个金属图案120上形成光波导层130并且入射光入射到光波导层的条件下，本发明人发现可以通过与波导模式耦合来形成谐振透射带。

按照这种方式，根据其中光波导层130形成在所述多个金属图案120上的构造，有利于减小与光学检测器的一体化处理中的间隔，并且可以消除在用于制造金属点阵的蚀刻处理中可能发生的光波导材料和结构的损坏。此外，可增加作为金属点阵的保护层的功能。另外，由于在形成光波导层130的处理中可实时监视光波导层130的厚度，因此在厚度优化处理中可具有优点。

参照图2，作为示例，示出了所述多个金属图案120被图案化为二维狭缝网格形状。在图2的示例中，尽管示出在多个金属图案之间设置有直缝，但是该缝并不总是直线。也就是说，所有弯曲的狭缝形状、直线和曲线的组合，都可能以不同角度折射。

另一方面，可以确认，当狭缝形状相对于金属图案的周期的宽度比限为1/3或更小时，可以具有特别优异的特性。优异的特性意味着透射带可以形成有非常小的半宽，并且带外抑制特性得到改进。由于金属图案以矩形图案被图案化，所以狭缝形成为网格形状。

将更详细地描述这一点。当将周期定义为p1时，p1等于金属图案的宽度d1和狭缝的宽度s1之和。此时，狭缝的宽度s1与金属图案的周期p1的比率可为1/30至1/3。当狭缝宽度相对小时，透射带的半宽减小，带外抑制效果提高。然而，透射峰值的大小减小。相反，当狭缝的宽度相对宽时，透射带的尺寸增大，带外抑制效果降低。

图3是示出金属图案的平面结构的示例的示图。参照图3，一维线性点阵结构和二维点阵结构二者均可用。在一维线性点阵结构的情况下，由于仅当入射光的偏振方向垂直于平行延伸的狭缝时出现谐振透射模式，因此有必要提供单独的线性偏振器。2d点阵结构可以是正方形点阵或六角形点阵结构，并且金属纳米结构图案可具有各种形状，诸如正方形和多边形结构。

另一方面，可以制造光学装置，因为光学检测器200对应于本发明的光学滤波器100。光学滤波器100可直接与光学检测器200一体化，或者可以以模块形式单独制造并且彼此连接。在光学滤波器100单独制造的情况下，光学滤波器100可在单独的衬底上制造并附接到具有光学检测器的模块上。

另外钝化层210可形成在光学检测器200与光学滤波器100之间。与光学滤波器100与光学检测器200直接一体化的情况相比，这种情况可能更有效。

图4是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。为了便于解释，再主要描述与图1的光学滤波器的不同之处时，在图4中，在光波导层130上进一步形成另一低反射涂层140和/或保护层(未示出)。可通过在光波导层130与相邻介质或者蛾眼形的纳米锥结构之间涂布折射率满足分级指标条件的薄膜层来形成低反射涂层310。

图5是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。参照图5，多个金属图案具有至少两个具有不同周期的区，并且每个区过滤不同的波长。

根据本发明实施例的光学滤波器100由多个滤波器区f1和f2构成。另一方面，由所述光学滤波器构成的光谱仪由多个滤波器区f1和f2以及相应的光检测区pd1和pd2组成。滤波器区f1和f2被构造为过滤不同波长的光，并且分别对应于光检测区pd1和pd2。

另一方面，滤波器区f1和f2中的每一个可按照以下方式实现：金属图案的占空比或电荷率相同或仅狭缝宽度保持恒定，狭缝宽度是金属图案之间的间隙。然而，f1滤波器区和f2滤波器区的周期的区域改变了。

图6是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。为了便于解释，在主要描述与图5的光学滤波器的不同之处时，在图4中，在光波导层130上进一步形成另一低反射涂层140和/或保护层(未示出)。

图7是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。为了便于解释，将主要描述与图1的光学滤波器的不同之处。参照图7，增加了衬底300。当衬底300的折射率高于光波导层的折射率时可应用该结构。也就是说，当使用折射率高于光波导层的折射率的衬底时，将折射率低的覆层110插入于衬底与金属图案之间。

耦合层210布置在衬底300与光学检测器200之间，并且可使用油等来匹配空气或折射率。

图8示出了对图7的结构执行时域有限差分法(fdtd)的示例。假设具有800nm周期的正方形点阵结构的au正方盘上形成厚度为350nm的光波导，并且入射光通过光波导层传播到衬底，示出了透射光谱。au正方盘的厚度为50nm，并且宽度为700nm。假设光波导层的折射率为2.1，并且折射率为1.35并且厚度为500nm的覆层形成在si衬底上。可以看出，形成具有半宽较窄和在波长约1.46μm处透射率相对高的谐振模式透射带。另外，可确认，在波长为1.1μm或更大时获得优异的带外抑制特性。

图9是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。与图7相比，所述结构使用折射率低于光波导层的折射率的衬底310。在这种情况下，由于低折射率衬底310用作覆层110，因此不需要另外的覆层110。作为低折射率衬底310，可使用硅石、石英或玻璃衬底。

图10是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。为了便于解释，将主要描述与图1的光学滤波器的不同。

与图10的光学滤波器相关，通过添加形成在金属图案120上的光波导层130，在金属图案120与覆层110之间添加单独的光波导层400。根据该结构，由于上光点阵波导结构的波导模式与下光点阵波导结构的波导模式之间的耦合，谐振透射模式的透射效率可增加，并且可期望诸如带外抑制的额外光谱细化效应。

图11是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。为了便于解释，将省略重复描述。图11的光学滤波器具有其中将单独的光波导层400加至图7和图8的光学滤波器结构的结构。也就是说，在金属图案120与覆层110之间添加分离的光波导层400。当衬底500的折射率大于光波导层的折射率时，也就是说，当使用诸如sige、si或ge的折射率相对高的衬底时，该结构是合适的。

图12是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。为了便于解释，将省略重复描述。图12的光学滤波器具有其中将单独的光波导层400加至图9的光学滤波器结构的结构。也就是说，在金属图案120与衬底600之间加入另外的光波导层400。在这种情况下，由于低折射率衬底310用作覆层110，因此不需要分离的覆层110。在这种情况下，衬底600可为低折射率衬底，诸如硅石、石英或玻璃衬底。

图13是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。图13的光学滤波器结构与图1至图12的光学滤波器结构的不同在于，光进入衬底700并且前进至内部。

也就是说，图13的光学滤波器包括衬底700、形成在衬底上的覆层710和覆层710上的光波导层740，并且包括在光波导层740上周期性地图案化的多个金属图案。另外，在所述多个金属图案720上设置额外光波导层730。然后，这些整个结构排列为对应于光学检测器200，并且耦合层250在它们之间。

根据通过衬底700入射的方法，金属点阵层被防止暴露于外部，从而提高了环境耐性。

另一方面，与多个金属图案720直接接触的光波导层730可被替换为具有低折射率的缓冲层(未示出)。光波导层和缓冲层之间的区别在于，由折射率和厚度的乘积表示的缓冲层的光学厚度形成为小于一定尺寸，从而不形成波导模式。

图14示出了对图13的结构执行fdtd计算机模拟方法的示例。假设在si衬底上形成折射率为1.45、厚度为500nm的覆层和折射率为2.0、厚度为350nm的光波导层，在其上形成的厚度为50nm的au正方盘形成正方形点阵结构。狭缝的宽度固定为100nm，并且示出了当点阵周期从700nm改变为900nm时通过衬底表面入射的光的透射光谱。可以看出，很好地形成了具有相对高透射率的窄半宽的谐振模透射带，并且中心波长根据周期的增加以恒定的间隔移动到长波长区。

另一方面，可以在衬底700上进一步形成附加的低反射涂层140和/或保护层(未示出)。

图15是示出根据本发明的另一实施例的光学滤波器的剖面的示图。

图15的光学滤波器与图11的光学滤波器的不同在于，低折射率缓冲层800形成在多个金属图案120上。缓冲层800形成为具有特定或更小的光学厚度，从而不形成波导模式。缓冲层800可极大地增大透射带的强度，并且还可用作保护层。

虽然描述了本发明的示例性实施例，但是应该理解，本发明不应限于这些示例性实施例，而是在不脱离本文中要求的本发明的精神和范围的情况下，本领域普通技术人员可作出各种改变和修改。