阅读说明：本技术 一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器 (Ultrathin substrate-free color tunable surface plasma filter ) 是由 肖功利 杨寓婷 杨宏艳 张开富 徐燕萍 欧泽涛 陈剑云 李海鸥 邓艳容 傅涛 李 于 2019-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微纳集成光学器件技术领域,公开了一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器。所述滤波器结构包括：波导层,缓冲层和矩形金属纳米盘阵列。其中波导层上覆盖有缓冲层,缓冲层上刻蚀有均匀排布的矩形金属纳米盘阵列,矩形金属纳米盘阵列x方向周期为P<Sub>x</Sub>,y方向周期为P<Sub>y</Sub>。当x与y相等,通过改变x(y)方向周期,可实现对滤出颜色的静态调制,当x与y不相等,可通过改变周期以实现对滤出颜色的静态调制,改变光的偏振以实现对滤出颜色的动态调制。本专利有着体积小,传输效率高,结构设计简单,能够同时实现对颜色的静态调制以及动态调制,可固定TE(TM)偏振滤出颜色,单独调制TM(TE)偏振下滤出的颜色等优点。本发明在未来光电器件集成,超高分辨率成像,LCD液晶显示系统等领域都有重要的应用。(The invention relates to the technical field of micro-nano integrated optical devices, and discloses an ultrathin substrate-free color tunable surface plasma filter. The filter structure includes: waveguide layer, buffer layer and rectangular metal nanodisk array. Wherein the waveguide layer is covered with a buffer layer, the buffer layer is etched with rectangular metal nano-disk arrays which are uniformly distributed, and the x-direction period of the rectangular metal nano-disk arrays is P x With period in y direction of P y . When x and y are equal, static modulation of the filtered color can be realized by changing the period of the x (y) direction, and when x and y are not equal, static modulation of the filtered color can be realized by changing the period, and dynamic modulation of the filtered color can be realized by changing the polarization of light. The color filter has the advantages of small volume, high transmission efficiency and simple structural design, can simultaneously realize static modulation and dynamic modulation of colors, can fix TE (TM) polarization filtering color, and can separately modulate TM (TE) polarization filtering colorColor and the like. The invention has important application in the fields of future photoelectric device integration, ultrahigh resolution imaging, LCD liquid crystal display systems and the like.)

一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器

(一)技术领域

本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器。

(二)背景技术

自然界中，许多物质都有着美丽丰富的色彩。它们通过其表面的特殊微结构对光进行衍射、反射和散射以呈现不同的颜色。表面等离激元是光照在金属表面引发的金属自由电荷的集群震荡，通过改变等离激元金属纳米结构的形貌和尺寸，来控制表面等离激元的激发，从而达到可见光选频的效果。

随着微纳加工技术的发展，近年来通过人工制造微纳金属结构是产生结构色的主要来源。相较于传统的化学染色剂，结构色有着可回收利用，易于制造和耐久性好等特点，除此之外，等离激元的次级衍射局域效应可以突破衍射极限，提高成像分辨率。这些特性使表面等离激元结构色在超高分辨率成像，LCD液晶显示系统，CMOS数字集成电路和发光二极管等领域都有重要的作用。

随着对等离激元结构色研究的深入以及科技发展的需求，有大量的问题被提出来，例如，如何提高器件的抗氧化、抗硫化性能，以延长其使用寿命，如何实现大规模，大批量的生产；表面的等离激元结构色能够实现动态调控等。

为了解决表面等离激元结构色动态调控的问题，本文提供一种由金属纳米盘阵列、缓冲层和波导组成的透射式颜色可调谐滤波器。所提出的滤波器传输效率可达到70％以上，通过改变结构尺寸、周期可以实现颜色的静态调制，改变光偏振可实现颜色的动态调制。

(三)

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，光从z轴正方向射入滤波器，滤出的光从z轴负方向射出。通过控制矩形金属纳米盘阵列的周期，能够实现对滤出颜色的静态调制，通过控制入射光偏振可以实现对滤出颜色的动态调制，该滤波器可以实现对覆盖整个可见光谱光的操纵。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，由波导层、缓冲层和矩形金属纳米盘组成，该结构在波导层上覆盖有缓冲层，而在缓冲层上刻蚀有均匀排布的矩形金属纳米盘阵列。

上述方案中，优选波导层材料为Si₃N₄其厚度H₁固定为100nm，缓冲层材料为MgF₂，厚度H₂固定为25nm，，矩形金属纳米盘选择材料为Al，其厚度H₃固定为40nm。

P_x为矩形Al纳米盘x方向的周期，P_y为矩形Al盘y方向的周期，矩形Al纳米盘的占空比直接影响到了传输效率与滤出颜色的饱和度，综合考虑，确定矩形Al纳米盘在x与y方向的占空比皆为0.7。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

本发明提供的一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，在金属材料上选择用Al，相较于常用的Ag材料，Al普遍且价格便宜，具有较低的带间过渡损耗，以及更好的抗氧化能力，在实际中有更广泛的应用。

本发明提供的一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，相较于普通固态调色的颜色滤波器，不仅可以通过改变Al纳米盘的周期，实现固态调色，还可以改变入射光的偏振角，实现颜色的动态调制。

本发明提供的一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，具有偏振敏感特性，通过调制入射光的偏振角，能够实现对滤出颜色的动态调制。本发明与利用液晶来实现动态调色的滤波器相比，能够克服液晶调色滤波器构复杂、难以实现大面积制造，结构尺寸较大、不利于光电集成，颜色调控不易等缺点。相较于同样利用偏振调制颜色的滤波器，本发明提供的一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，具有固定TE(TM)偏振颜色不变，单一调控TM(TE)偏振下颜色的优点。

(四)附图说明

图1为一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器结构示意图。

图2(a)为周期P_x＝P_y时，P_x＝P_y以50nm步长，从300nm变化到600nm的透射谱图，图2(b)为图2(a)所对应的的CIE色谱图。

图3为固定x，y方向周期P_x＝P_y＝400nm时，光入射角theta以10°步长从0°变化到30°时的透射谱。

图4(a)为固定x方向周期P_x＝300nm，偏振角phi＝0°时，y方向周期P_y以50nm步长从300nm变化到600nm时的透射谱图，图4(b)为固定x方向周期P_x＝400nm，偏振角phi＝0°时，y方向周期P_y以50nm步长从300nm变化到600nm时的透射谱图，图4(c)为图4(a)，4(b)所对应的CIE色谱图。

图5(a)为固定P_x＝300nm，P_y＝400nm时，偏振角phi以22.5°步长从0°变化到90°时的透射谱图，图5(b)为固定P_x＝300nm，P_y＝500nm时，偏振角phi以22.5°步长从0°变化到90°时的透射谱图，图5(c)为图5(a)，5(b)所对应的CIE色谱图。

图中标号为：1波导层，2缓冲层，3矩形金属纳米盘

(五)

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

参照图1，一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，包括波导层，覆盖于波导层1上的缓冲层2，在缓冲层2上刻蚀均匀排布的矩形金属纳米盘阵列3。

波导层1材料为Si₃N₄，缓冲层2材料为MgF₂，矩形金属纳米盘阵列材料为Al，相较于在可见光谱中损耗最低的金属Ag，Al易于获取且价格便宜，具有较低的带间过渡损耗，而且有更好的抗氧化、抗腐蚀能力。

其中波导层的厚度H₁固定为100nm，缓冲层的厚度H₂固定为25nm，矩形金属纳米盘厚度H₃固定为40nm，矩形金属纳米盘x方向周期为P_x，y方向周期为P_y，纳米盘x与y方向的占空比固定为0.7。

采用三维时域有限差分(FDTD)法对结构进行数值仿真，FDTD边界条件设置为，z正负方向设置为完美匹配层(PML)，x和y正负方向设置为周期边界条件，经过收敛性测试后，x，y，z正负方向上的网格大小设置为5nm*5nm*2nm。透射系数T定义为，T＝Pout/Pin其中Pin和Pout分别是输入和输出的功率。

图2(a)为一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，在x，y方向的周期P_x＝P_y，偏振角phi＝0的条件下，使P_x(P_y)以50nm为步长从300nm变换到600nm时的透射谱图。图2(b)是与图2(a)透射谱相对应的CIE色谱图。从图2(a)可以看出随着x(y)方向周期P_x(P_y)的增加，透射谱红移，即滤出颜色逐渐从蓝色波段变为红色波段，除此之外从图2(a)还能看到该滤波器传输效率(最高透过率处的波长)大于70％，这说明该滤波器传输效率很高，保证了滤波效果。更为直观的颜色变化可以从图2(b)中看出，从图2(b)中可得知，该滤波器可以实现可见光内全光调控。

如图3所示，为一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，在x，y方向周期P_x＝P_y＝400nm，偏振角phi＝0的条件下，以10°的步长将入射角theta从0°变换到30°的透射谱图。由图3可知，该滤波器对入射角度极为敏感，对角度容忍性极小，因此，在实际制造过程中，为了降低误差，需要做到入射光角度垂直入射无偏差。

如图4(a)所示，为一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器在固定x方向周期P_x＝300nm，偏振角phi＝0°时，y方向上的周期P_y以50nm步长从300nm变化到600nm的透射谱图，随着y方向周期P_y逐渐增大，图4(a)透射谱主峰的峰值并无变化，说明滤出颜色也并无太大变化。图4(b)，是在固定x方向周期P_x为400nm，偏振角phi＝0°时，y方向周期P_y以50nm步长从300nm变化到600nm的透射谱图，随着y方向周期P_y逐渐增大，图4(b)透射谱主峰峰值并无变化，说明滤出颜色也并无太大变化。4(c)为图4(a)，4(b)所对应的CIE色谱图，从图中可以更加直观的看到滤出的颜色都集中在一个很小的范围，颜色基本无变化。从而说明该滤波器在偏振角为0°时，主要决定滤出颜色的是x方向周期P_x，而y方向周期P_y对滤出颜色并无太大影响。

如图5(a)所示，为一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器在固定x方向周期P_x＝300nm，y方向周期P_y＝400nm，偏振角以22.5°的步长从0°增加到90°时，在波长400～500nm之间的波峰逐渐降低，波长500～600nm之间出现新的波峰并随着偏振角增大峰值逐渐增大。图5(b)是在在固定x方向周期Px＝300nm，y方向周期P_y为500nm时，偏振角以22.5°的步长从0°增加到90°时的透射谱图。随着偏振角增加，在波长400nm～500nm之间的波峰逐渐降低，波长600nm～700nm之间出现了一个透射峰，并随之增大。图5(c)是与图5(a)，5(b)相对应的CIE色谱图，可以明显看到随着偏振角变化而产生的的颜色变化。

本发明的一种超薄无衬底颜色可调谐的表面等离子体滤波器，通过改变x，y方向周期，就能实现可以实现对覆盖整个可见光谱的光的操纵，实现静态调制。由于本发明对偏振敏感，在x与y方向周期不同时，改变偏振角可实现颜色的动态调制。本发明的滤波器能达到70％以上透射率，厚度极小，能够在高分辨率彩色显示以及集成光电器件等方面发挥很大的作用。

以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以做出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围。