微纳光学器件的研究进展

微纳光学器件的研究进展作者：田泽安白爱芳来源：《贵州大学学报（自然科学版）》2018年第06期文章编号1000-5269（2018）06-0020-07DOI：ki.gdxbzrb.2018.06.03摘要：工作在亚波长尺度的微纳光子学器件，具有良好的光子集成性和光学性能优势，广泛用于图像显示、遥感技术和传感应用等方面。

根据国内外的研究进展，本文系统地介绍了各类微纳光学器件近十年以来的研究成果，简要阐述了基于特殊微纳结构的颜色滤光片、基于金属表面等离子体效应的滤光片、基于导模共振光栅滤光片、基于光栅结构的滤波偏振分束器和微纳结构宽波段吸收器等五种光子学器件的发展现状，提出有待进一步研究的问题，对未来的研究内容和发展方向进行了展望。

关键词：微纳结构;等离子体效应;导模共振光栅;光栅结构;颜色滤光片;宽波段吸收器;偏振分束器;吸收器中图分类号：TN27;O438; 文献标识码： A凡是对光波具有选择性的光学器件在可见光入射下，透射或反射光将呈现不同颜色，逻辑上这种光学器件过滤了白光的部分成分，因此本文称此类光学器件为颜色滤光片;尤其是红绿蓝三基色的颜色滤光片在显微系统和通信等方面广泛应用。

随着微纳米制造技术的不断发展，彩色滤光片的研究已成为微纳光学领域的热点，目前，常用的颜色滤光片分为吸收型和干涉型两种。

吸收型颜色滤光片。

早在1600年前，古罗马人使用金属离子吸收法，将金和银等金属掺杂到双层玻璃制备有色玻璃。

在不同的入射角下，这种玻璃呈现不同的颜色。

根据不同的掺杂材料（如金属，有机染料等）选择性吸收不同波长的入射光，呈现特定颜色的原理，使用现代工艺设计的颜色滤光片成本低，适合推广使用。

但吸收型颜色滤光片的制备过程消耗大量的水电资源，对环境产生很大的污染;而且有机染料的化学性质容易发生变化，出现褪色现象，甚至颜色消失。

干涉型滤光片。

利用干涉、衍射和散射产生的同频率多光束的干涉效应制备的颜色滤光片，寿命长、无污染、颜色稳定（在材料的尺寸和折射率不发生变化时，颜色不会发生变化），因而被广泛采用。

但光程差依赖入射角，所产生的颜色会随入射角发生变化。

由此，干涉型滤光片对入射角非常敏感，角度不敏感颜色滤光片成为研究的重点。

本文将总结近十多年來特殊微纳结构颜色滤光片、金属表面等离子体效应滤光片、导模共振光栅滤光片、光栅结构的滤波偏振分束器和微纳结构宽波段吸收器等微纳光学器件的研究成果，比较和综合不同研究领域的结论，以期为今后微纳结构颜色滤光片研究提供参考，并提出微纳结构颜色滤光片需要进一步开展的研究工作。

1基于特殊微纳结构的颜色滤光片电磁波理论的计算方法和微纳结构加工技术推动了亚波长级的颜色滤光片的发展。

目前已实现的特殊微纳结构滤光片主要包括一维或二维亚波长光栅滤光片、基于纳米硬球紧密堆积的结构角度不敏感彩色滤光片、仿生Morpho蝴蝶翅膀鳞片结构角度不敏感彩色滤光片和多层薄膜结构角度不敏感颜色滤光片等。

1.1一维或二维亚波长光栅滤光片亚波长光栅滤光片，工作在亚波长尺度，光栅周期小于一个波长，不发生高级次的衍射，通过调制光栅的周期大小和占空比等参数达到对滤光片通带的中心波长的调制。

KANAMORI 等[1]使用反应离子束（RIE）在石英衬底的多晶硅上刻蚀了不同周期和线宽的光栅结构，制备了透射式红绿蓝三色滤光片，实现了红绿蓝透射带中心波长为597 nm、544 nm和440 nm，峰值透射率约为71%、58%和59%硅材料的光栅滤光片。

YOON等[2]在KANAMORI 等[1]基础上，使用激光干涉光刻（LIL）和反应离子束在石英衬底的多晶硅上沉积了SiO2层得到亚波长光栅结构，制备了带宽可达90 nm，中心波长在470 nm透射式滤光片。

该滤光片的透射率可达40%，随着入射角增加到16°，峰值透射率下降到32%。

YE等[3]使用柔性衬底，得到了二维亚波长光栅结构，制备了带宽可达100 nm，峰值透射率可达75%的透射式红绿蓝三色滤光片。

相比于石英衬底滤光片，柔性衬底滤光片的带宽和透射率都有了提升，但该滤光片未解决角度敏感的问题，结构设计较为复杂。

KUMAR等[4]通过将金属薄膜沉积在硅酸盐纳米柱的表面的方法，制备了分辨率为～100，000 dpi（dots per inch）的红绿蓝三色滤光片。

CLAUSEN 等[5]先采用反应离子束在硅衬底上刻蚀了三种不同的表面;再用紫外压印技术得到不同的粗糙表面;通过复制硅粗糙表面制作滤光片。

光在硅粗糙表面产生散射，实现不同的颜色。

制备大面积颜色滤光片，生产成本大大降低，为实现塑料或其他柔性材料衬底的颜色滤光片指明了发展方向。

WU等[6]利用金属狭缝的局部谐振得到了一维金属的纳米腔结构。

在TM偏振下，在0°到80°之间，只能做到特定波长处吸收率达96%的反射式红绿蓝三色滤光片，很难解决现实问题。

LEE等[7]使用电子束直写法，在石英衬底的金属膜上构造了圆形光阑的金属光栅结构，在光栅上覆盖介质，制备了孔径分别为230 nm和170 nm、周期分别为340 nm和260 nm、中心波长分别在680 nm和550 nm、峰值透射率分别为57%和50%和厚度均为50 nm的红绿滤光片。

CHEONG等[8]在5 nm×5 nm的石英基地上使用电子束曝光技术结合波祸合方法设计了二维光栅结构，最终优化光栅周期为240 nm，光栅层厚度和单元宽度为120 nm，反射率为74%，带宽为80 nm反射式滤光片;入射角0°～45°变化，该滤光片的带宽偏移量很小，透射率下降不明显。

CHEN等[9]对CHEONG等[8]提出的结构上使用粒子群优化算法（Particle Swarm optimization， PSO）进行设计优化，制备了红绿蓝三色的中心波长分别为637 nm、530 nm和446 nm，峰值透射率分别为89%、83%和66%的滤光片。

使用CIEDE2000色差值发现：入射角度从0°～45°，其CIEDE2000色差值始终小于8，为二维亚波长光栅结构制备角度不敏感滤光片提供了可能性。

我们不难发现基于亚波长光栅滤光片可以达到较高的反射率（透射率），但对角度很敏感，其透射带反射带的中心位置会随着入射角的改变而发生移动，这样会直接导致滤光片的颜色显示不稳定。

即使亚波长光栅通过合理的优化设计可以制备性能良好的滤光，但使用电子束曝光等精密微纳加工技术，很难大面积推广。

因此，展宽滤光片的有效入射角范围一度成为该领域的重要研究方向。

1.2基于纳米硬球紧密堆积的结构角度不敏感彩色滤光片HARUN-UR-RASHID 等[10] 通过将不同颗粒大小的SiO2与水混合液以不同比例均匀涂在衬底上得到“胶体晶体”结构，制备了反射式三色滤光片。

该滤光片的角度敏感性大幅度降低（40°），随着入射角发生变化，反射率虽有下降但其反射带的中心位置并未发生变化。

UENO等[11]改进了HARUN-UR-RASHID 等[10]提出的结构，使用PMMA嫁接修饰的SiO2颗粒在室温下分散到离子液体中，通过改变SiO2颗粒的浓度控制PMMA的变形使其呈现不同的颜色。

纳米硬球紧密堆积的结构角度不敏感彩色滤光片相对亚波长光栅滤光片，角度敏感性大大降低，结构简单;但因采用扩散原理，对样品的测试发现，温度控制要求比较高，很难大批量生产。

1.3仿生Morpho蝴蝶翅膀鳞片结构角度不敏感彩色滤光片自然界昆虫和鸟类体内通常产生单一的色素，但在阳光下会呈现出与其色素不一致的颜色。

例如出产于南美洲Morph蝴蝶，体内只产生黑色素，但翅膀在一个较宽的视角内呈现亮丽的蓝色，引起国内外大量学者的兴趣，并积极开展了这类结构的仿生研究。

SAITO等[12]通过扫描电镜对Morpho蝴蝶的翅磅鳞片的表面角质层进行观察，发现Morpho蝴蝶的翅膀呈现出短程有序长程错位的结构，提出了“离散多层交错膜堆”的模型。

在理论上研究上，ZHU等[13]在SAITO等[12]基础上使用FDTD算法对“离散多层交错膜堆”仿真，通过分析反射光谱和角度敏感特性，发现膜堆在高度和排列方式上具有一定程度的随机分布，消除了多层膜结构之间存在的干涉效应和单元膜堆之间由于衍射而可能存在光柵效应。

SAITO等[12]在ZHU等[13]的基础上设计伪一维光栅结构，复制出“离散多层交错膜堆”结构。

在试验得到了类似Morpho蝴蝶翅膀的蓝色，研究发现该样品角度敏感性可达60°。

CHUNG等[14]在ZHU等[13]的理论基础上，并对SAITO 等[12]的方法进行改进，使用目组装的方法提出了在小范围内呈多层膜的类似Morpho蝴蝶翅膀的柔性反射膜。

对该样品进行测试，发现其颜色和亮度在一个很宽的视角内都不会发生改变。

在制备方法中，只用到了旋涂和薄膜沉积两个过程，为该滤光片大批量生产提供了可能。

通过这一方法制备的蓝色滤光片取得了历史性的进步。

1.4基于金属-介质-金属（MDM）的角度不敏感滤光片SHIN 等[15]依据反射相移随入射角的改变引起的传播相移在一定范围内相抵消的想法，提出了一种角度不敏感的平面腔形结构。

该结构具有腔内入射角变化，腔面的谐振波长不发生变化的特点，制备了Ag-SiO2-Ag角度不敏感的滤光片。

当入射角从0°～80°时，谐振峰的位置保持在352 nm处，其峰值反射在一定范围内有所降低。

通过大量的试验发现该结构在352 nm处表现出优秀的角度不敏感特性，这一发现对MDM型滤光片[16-24]的发展具有指导意义。

ZHANG等[16]提出Ag-ZnS-Ag结构，与SHIN 等[15]的结构相似，减少了底层Ag的厚度以增加透射，介质层的ZnS的折射率更大，制备了角度不敏感，谐振波长可达478 nm的透射式滤光片，当入射角从0°～75°变化时，透射峰波长偏移量小于5 nm。

ZHANG 等[16]进一步研究了该结构的透射峰值和半高全宽以及角度特性的影响因素，通过增加减反层将透射峰从450 nm扩展到550 nm，并未发现角度不敏感增大。

KATS 等[17]提出了吸收无吸收金属基底上吸收介质无吸收介质薄膜等四种结构并在此基础上，以Au为基底，Ge为吸收损耗层，进而激发强烈可控的吸收谐振，实现不同的颜色，使用有吸收损耗介质层Ge和金属基底Au产生相移，降低了该滤光片的角度敏感性。

LEE等[18]在KATS 等[17]理论上提出了法布里-玻罗腔（Fabry-Perot），制备了反射式青品黄三色滤光片。

该结构做出了以下变化：1）介质层使用了比Au吸收更小的Si;2）在介质层上增加一层金属，增大反射，并提高了该腔的Q值，得到的结构比KATS 等[17]提出的结构的颜色纯度更高。