一种偏振依赖的红外窄带滤波器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种两片分布式布拉格反射镜和位于所述两片分布式布拉格反射镜之间的缺陷层；所述缺陷层包含金属纳米棒阵列和包覆在所述金属纳米棒阵列外部的透明高分子材料。此结构形成的红外滤波器结构，其滤波的偏振方向由缺陷层中的金属纳米棒方向确定，峰位则由缺陷层的厚度决定。本发明专利技术将传统的分布式布拉格反射镜与超表面结构相结合，实现1300

【技术实现步骤摘要】
一种偏振依赖的红外窄带滤波器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光学滤波器
，尤其涉及一种偏振依赖的红外窄带滤波器及其制备方法。

技术介绍

[0002]当今社会信息通讯发展迅猛，由最初的2G到3G、4G，现在很多国家已经开始大面积铺设5G通讯了。这无疑更加方便了人们的工作生活。在通讯设备中滤波器为识别波长的重要零件，因此不同的光学滤波器的研究对推动产业发展至关重要。
[0003]光学滤波器是一种光学波长的选择元件。目前可以达到光学波长选择的方式有很多种：通过传统的三棱镜可以使不同波长的光产生色散，从而达到选光的结果；通过传统的光栅可以将不同波长的光衍射增强在不同的方向上，实现选光。除此之外通过干涉的方式也能实现光学滤波：设计不同的布拉格分布式反射镜(DBR)的厚度和折射率，实现光的透射或反射增强从而达到选频结果。通常多层介质膜材的分布式布拉格反射镜可以实现宽带滤波，而现有技术主要是通过在DBR中间插入缺陷层，在DBR的宽带低通区域实现窄带的透过，可以在此带通滤波频率范围内实现窄带滤波。如图1，DBR主要由高折射率的介质材料1和低折射率的介质材料2相互交错叠合构成，在其中增加一层不同材料的缺陷层3(通常是低折射率的介质材料，无吸收损耗)，以实现窄带滤波，通过改变缺陷层3的厚度，可以调制窄带滤波的中心波长以及透过峰的峰值，参见图2。因缺陷层3无偏振关系，故此滤波器无偏振选择性；其中缺陷层3的厚度m的取值不同，使用的膜层介质材料及缺陷层厚度不同，选频的中心波长也不同(参见图2的左侧a和右侧b图谱：不同缺陷层厚度对窄带滤波器的影响)。
[0004]以上方式为目前主流滤波器的设计方法，相对来说，这些设计构思的光学滤波器比较大，集成性不好，滤波宽度通常较大。而据调查研究发现，目前已公开的滤波器技术，在1550nm附近窄带滤波的半波宽比较宽，无法同时实现低半波宽和高透过率。此外，这类现有技术方案也无法实现偏振依赖的透过滤波。

技术实现思路

[0005](一)要解决的技术问题
[0006]鉴于现有技术的上述缺点、不足，本专利技术提供一种偏振依赖的红外窄带滤波器，通过将传统的分布式布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector)与超表面结构相结合，实现偏振依赖的透过窄带滤波及小型集成化，更加符合目前产业中的集成应用。本专利技术还涉及该偏振依赖的红外窄带滤波器的制备方法。
[0007](二)技术方案
[0008]为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：
[0009]第一方面，本专利技术提供一种偏振依赖的红外窄带滤波器，其包括：
[0010]两片分布式布拉格反射镜和位于所述两片分布式布拉格反射镜之间的缺陷层；其中，所述缺陷层包含金属纳米棒阵列和包覆在所述金属纳米棒阵列外部的透明高分子材料。
[0011]优选地，缺陷层的厚度为可调。此结构形成的红外滤波器结构，其滤波的偏振方向由缺陷层中的金属纳米棒方向确定，峰位则由缺陷层的厚度决定。缺陷层的厚度主要通过调节透明高分子材料的厚度来实现。
[0012]根据本专利技术较佳实施例，所述两片分布式布拉格反射镜分别包括硅片衬底和在所述硅片衬底上交替生长的二氧化硅薄膜和硅薄膜。
[0013]根据本专利技术较佳实施例，所述硅片衬底上交替生长着三层二氧化硅薄膜和硅薄膜，共六层薄膜。具体地，在硅片衬底上依次设置二氧化硅薄膜(低折射率的介质材料)、硅薄膜(高折射率的介质材料)、二氧化硅薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜及硅薄膜。DBR层数越多，反射率越高，窄带滤波器的半高宽也就越窄，但是当反射率接近100％时，此窄带滤波器失效。即DBR的层数需在合理范围内。
[0014]根据本专利技术较佳实施例，所述两片分布式布拉格反射镜为两片相同的结构，其中二氧化硅薄膜的折射率为1.46，硅薄膜的折射率为3.49；每层薄膜的厚度为240
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320nm，优选290nm。此两种材料在近红外波段对光的吸收可以忽略不计。
[0015]在近红外区域二氧化硅的折射率是1.46，消光系数为0，且基本无色散。非晶硅近红外折射率是3.49，消光系数为0，且色散关系不明显。
[0016]两片分布式布拉格反射镜分别对称地以其最顶层的硅薄膜与所述缺陷层接触；将缺陷层夹在两片分布式布拉格反射镜之间；而两片分布式布拉格反射镜的硅片衬底则位于滤波器的两外侧面。各层薄膜厚度为240
‑
320nm时，可以实现DBR需求的带宽，优选为290nm。
[0017]根据本专利技术较佳实施例，所述金属纳米棒阵列是由金纳米棒组成的阵列，此外，金属纳米棒还可以是银铝铂等金属，但是不同的金属材料，会导致窄带滤波器的频率可能会随材料的变化而有一些移动。
[0018]根据本专利技术较佳实施例，所述金纳米棒阵列形成在其中一片分布式布拉格反射镜的表面，所述透明高分子材料包覆在金纳米棒阵列的外部。
[0019]根据本专利技术较佳实施例，所述透明高分子材料为PMMA、AS、透明ABS、PC或PS；其最优选为PMMA。透明高分子材料主要起到固定封装金属纳米棒阵列和调节缺陷层整体厚度的作用，但凡具有高透明度，低折射率，无吸收损耗的介质材料均可。在较佳实施例中，由于PMMA玻璃软化温度低，膨胀系数小，可按照预设形状填充，精确控制厚度和形状，具易于实际操作。
[0020]其中，PMMA在近红外光谱中的折射率为1.48，吸收系数忽略不计。PMMA透过率可达到92％以上，玻璃化转变温度低、吸水率和膨胀系数低、尺寸形状稳定等优点。较低的玻璃化转变温度可避免在封装包覆所述金属纳米棒阵列时对金属纳米棒阵列的影响。
[0021]根据本专利技术较佳实施例，所述缺陷层还包含透明膜材，其叠合于所述透明高分子材料表面，所述透明膜材的厚度和所述透明高分子材料的厚度之和决定所述缺陷层的厚度。透明膜材为高透明度，低折射率，无吸收损耗的介质材料。
[0022]根据本专利技术较佳实施例，所述金纳米棒阵列中单个的金纳米棒的尺寸为长为220
‑
300nm，宽为80nm，厚度为200nm；所述金纳米棒阵列的周期为640nm。满足前述条件时，具有
优异的仿真结果。
[0023]根据本专利技术较佳实施例，所述缺陷层的厚度为550
‑
900nm，优选为550
‑
700nm或700
‑
900nm。
[0024]更优选地，所述金纳米棒阵列中单个的金纳米棒的尺寸为长为220、宽80nm、厚度200nm，排布阵列周期为640nm，缺陷层厚度为550
‑
700nm；或者所述金纳米棒阵列中单个的金纳米棒的尺寸为长为300、宽80nm、厚度200nm，排布阵列周期为640nm，缺陷层厚度为700
‑
900nm。
[0025]第二方面，本专利技术还提供一种偏振依赖的红外窄带滤波器的制备方法，其包括：
[0026]S1、准备两片分布式布拉格反射镜；
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，其包括：两片分布式布拉格反射镜和位于所述两片分布式布拉格反射镜之间的缺陷层；其中，所述缺陷层包含金属纳米棒阵列和包覆在所述金属纳米棒阵列外部的透明高分子材料。2.根据权利要求1所述的偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，所述缺陷层的厚度为可调。3.根据权利要求1所述的偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，所述分布式布拉格反射镜分别包括硅片衬底，和在所述硅片衬底上交替生长的二氧化硅薄膜和硅薄膜。4.根据权利要求3所述的偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，所述硅片衬底上交替生长着三层二氧化硅薄膜和硅薄膜，共六层薄膜。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，所述金属纳米棒阵列是由金纳米棒组成的阵列。6.根据权利要求5所述的偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，所述透明高分子材料为PMMA、AS、透明ABS、PC或PS；优选为PMMA。7.根据权利要求3所述的偏振依赖的红外窄带滤波器，其特征在于，所述两片分布式布拉格反射镜为两片相同的结构，其中二氧化硅薄膜的折射率为1.46，硅薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘言军，王家伟，李珂，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：