摘要

 介绍一种入射角调谐红绿蓝三基色导模共振滤光片(GMRF)的实现方法。利用严格耦合波理论(RCWA)分析入射角对导模共振滤光片反射光谱的影响,用 TM 偏振波在斜入射下得到两个不同位置的共振峰，通过调节入射角，使两个共振峰分别落在可见光波段和红外波段，并通过调整角度实现对可将光波段滤波波长的调谐。通过对参数的优化、调整，设计并制作了周期为 544 nm 的红、绿、蓝三基色导模共振彩色滤光片，结果显示该结构在 26.8°、 39.6°、46.0°入射角得到了良好的红、绿、蓝三基色，效率均在 80％左右，半峰全宽约为 5 nm。当其作为蓝、绿两色滤光片工作时，与传统亚波长导模共振结构相比，其周期相对较长，从而大大降低光栅制作难度。实验结果实现导模共振结构在彩色滤光片方面的应用，并对大周期导模共振器件的制作提供了积极的指导。

关键词 光学设计; 彩色滤光片; 导模共振; 亚波长结构; 严格耦合波理论

1 引 言

彩色滤光片广泛应用于显示仪器、图像传感器等设备上，如电视机，投影仪，数码相机等[1-3] 。传统的滤

光片制作方法存在一些明显的弊端，如工艺步骤繁琐，色纯度低及成本高。为解决这些问题，许多研究人员做了广泛的工作来获得传统滤光片的替代结构。Kanamori 等[4] 通过在石英基底上面制作硅材料的亚波长光栅结构获得了透射型彩色滤光片；Yoon 等[5] 报道了一种在多晶硅上面制作的亚波长光栅结构的彩色滤光片。这些结构显示出了一些独特性能，但是没有解决低峰值效率及高旁带的问题，会严重影响彩色滤光片的单色性能。

近年来，一种基于亚波长波导光栅的导模共振滤光片(GMRF)得到了广泛关注，对于周期性的亚波长光栅结构，当高级次衍射光与波导所支持的某一泄漏模相位匹配时，会产生高衍射效率的反射或者透射峰，这种现象称为导模共振效应[6] 。王琦等[7] 提出利用导模共振效应制作反射式彩色滤光片阵列可以实现无油墨印刷；张大伟等[8-9] 研究了表面镀膜对 GMRF 性能的影响以及方位角调谐的窄带 GMRF 的设计；周文超等[10] 设计了一种基于亚波长金属光栅导模共振原理二维结构的透射滤光片；陈志勇等[11] 设计了一种基于超低折射率为衬底的大角度偏振无关蜂窝状空气孔型结构的二维硅基光子晶体宽带滤波器；马靖等[12] 利用光散射与导模共振理论设计了一种薄膜太阳能电池的陷光结构来有效提升自身光吸收率。导模共振效应对入射光与泄漏模发生相位匹配时的敏感特性及其极窄的共振峰、高峰值效率、低旁带的优点使其成为获得高纯色度滤光片一个更好的选择[13-16] 。

为方便实现导模共振效应，多数研究者主要制作亚波长周期性导模共振结构，即结构周期比共振波长的数值小几十甚至几百纳米[17-21] 。而在亚波长导模共振器件的制造过程中，精确控制光栅占空比及其周期面临很大困难,光栅周期与槽深的误差会造成设计波长的偏离；同时制作过程中有时还需要用到昂贵的电子束直写设备等，制造过程费时费力。目前对于非亚波长结构的导模共振器件的研究鲜有涉及，制作大周期 GMRF 可以有效解决这一难题，对导模共振器件的实际使用有很大帮助。针对这一问题，设计并制作了红、绿、蓝三基色的 GMRF，器件工作时通过调整入射角，可得到红、绿、蓝三基色；制作得到的光栅周期为 544 nm，工作于绿光和蓝光时，与传统亚波长导模共振结构相比，周期大于工作波长，减小了制作难度及误差。

2.2 角度对导模共振效应的调谐特性分析

(3)、(4)式为依据严格耦合波理论(RCWA)推导而来，RCWA[26-27] 是一种基于麦克斯韦(Maxwell)方程的严格波矢量分析方法。为研究不同入射角对导模共振效应的影响，利用基于 RCWA 的 Gsolver 软件进行了模拟，模拟结果如图 3 所示。 TM 偏振波入射时，不同入射角下峰值波长的变化情况如图 3 所示，黑色曲线为正入射情况(θ=0°)，单一的共振峰出现在 836 nm 处。随着入射角增大，共振峰分裂为两个，且光栅衍射+1 级激发导模共振的峰值波长向长波方向移动，-1 级激发导模共振的峰值波长向短波方向移动：红色曲线为 3°入射，共振峰分裂成两个，峰值波长分别为 809 nm 和 863 nm；蓝色曲线为 10°入射，峰值波长分别为 748 nm 和 927 nm。图 4 为以 TM 偏振光入射时，峰值波长随入射角(0°~80°)的变化情况，在 0°~20°之间，角度对峰值波长有很好的线性调谐，随着角度的增大，角度对峰值波长的调谐不再为线性关系。并且在入射角为 15.8°~75.0° 之间，-1 级激发导模共振的峰值波长落在 400~700 nm 的可见光波段，+1 级激发导模共振的峰值波长则向长波方向移动而落在红外区域，这样就可以通过选取合适的入射角度来分别实现红、绿、蓝三基色 GMRF 功能。图 3、4 中数据为 Gsolver 软件所模拟，其中以 TM 偏振光入射，基底层为 BK7 玻璃；波导层为氧化锌，其厚度 dw 为 140 nm，折射率 nw 为 1.95；波导层上面是一层光刻胶的光栅结构，周期Λ为 550 nm，槽深为 120 nm， 占空比 0.55。

 3 入射角调谐红绿蓝三基色

 GMRF 的设计与模拟结果以相同结构参数模拟并记录了从 0°~80°不同入射角下，峰值波长的移动情况及对应峰值效率。其中，在红光光谱范围内，28.5°入射时，在 605 nm 波长处其峰值效率达到最大，为 88％；同样，在绿光光谱范围内， 38.0°入射时，在 544 nm 波长处其峰值效率达到最大，为 95％；在蓝光光谱范围内，47.4°入射时，在 493 nm 波长处其峰值效率达到最大，为 97％。图 5 为所设计的红绿蓝三基色 GMRF 的反射光谱，图中数据同为 Gsolver 软件所模拟，参数与图 4 相同。从图 5 可以看出，在 28.5°、38.0°、47.4°入射角下 GMRF 的峰值波长分别为 605、544、493 nm，且峰值效率都在 90％左右，蓝色 GMRF 的峰值效率更是达到了 97％。其半峰全宽分别为 2.4 nm(红)、2.6 nm(绿)和 2.9 nm(蓝)，旁带的反射效率都控制在 5％以下。这样高效率、窄半宽、低旁带的特性正是 GMRF 所需具备的。并且作为绿、蓝色滤光片工作时，周期 550 nm 大于工作波长，相较于传统的亚波长结构，实现了通过调整入射角来制作较大周期的 GMRF。

4 实验结果与分析

GMRF 的主要制作流程如下：1) 在洁净的 BK7 玻璃基底上面用磁控溅射设备镀一层氧化锌薄膜，用椭偏仪测得其膜厚为 145 nm；2) 用旋涂工艺在氧化锌薄膜上面甩一层光刻胶，所用光刻胶为 AZ1550，5000 r/min，椭偏仪测得光刻胶厚度为 300 nm；3) 用氪离子激光器进行双光束干涉曝光，曝光位置单束扩束后光强为 15 mW/cm2 ，曝光时间 4 min，最后用质量分数为 4‰的稀释 NaOH 水溶液显影 10 s，最终在表面获得线条质量良好的的光刻胶光栅结构。用椭偏仪测得氧化锌折射率为 1.95，光刻胶层折射率为 1.60。图 6 为实验所制作 GMRF 的原子力显微镜(AFM)图。

测量结果显示，光栅周期为 544 nm，光栅槽深为 125 nm，氧化锌厚度为 145 nm，占空比为 0.52，与设计参数相比，光栅周期 550 nm，波导层厚度 140 nm，槽深为 120 nm，占空比 0.55，周期、槽深与波导层厚度的测量结果与设计结果的误差都控制在 5 nm 左右，相对于实际制作周期为 300 nm 左右的亚波长结构与设计结果存在 15 nm 左右的误差[20] ，显示出了大周期导模共振器件在制作上相对易于控制的优点。相信通过工艺的严格控制与改进，与设计结果间的误差可以进一步减小。

图 7 是用光谱分析仪(OSA)对实验制作的 GMRF 测量的红、绿、蓝反射光谱图。所制作的 GMRF 分别在 26.8°、39.6°、46.0°入射角下在红、绿、蓝光谱范围内反射峰值达到最大，所对应的峰值波长分别为 614、533、 498 nm。在 614 nm 测得的峰值效率为 77％，半峰全宽为 4.5 nm；在 533 nm 处测得峰值效率为 81％，半峰全宽为 4.8 nm；在 498 nm 处测得峰值效率为 83％，半峰全宽为 5.1 nm，各个光谱旁带反射率均控制在 10％以下，这些数据显示所制作的 GMRF 具备良好性能。

图 8 为实验制作 GMRF 反射光谱的测量结果与模拟结果及设计结果对比图，从图中可以看到测量结果与实验参数模拟的结果(黑色曲线)在峰值位置上有很好的匹配，与设计结果相比(黑色虚线)，红色 GMRF 峰值波长向右偏移了 9 nm，绿色 GMRF 峰值波长向左偏移了 11 nm，蓝色 GMRF 峰值波长向右偏移了 5 nm；峰值效率较模拟结果低了 11％、14％、14％。与设计结果出现偏差的原因，主要是因为实验制作过程中出现的结构参数偏差，峰值波长的偏移主要是由于实验制作光栅周期(544 nm)与设计周期(550 nm)的偏差及工作入射角度不同造成的；峰值效率的降低主要由于制作光栅占空比(0.52)与设计结果(0.55)存在偏差所致；同时，实验测量的半峰全宽在 5 nm 左右，而模拟结果为 2.5 nm 左右，这主要由于曝光时使用球面波，使得光栅样品的周期并非处处完全相同。综上所述，通过明确误差来源，相关问题可以在以后的工作中加以解决。

5 结 论

设计了一种一维三层结构的红绿蓝三基色 GMRF，并实验制作出了以 BK7 为基底，中间层为 145 nm 厚氧化锌波导层，表面层为周期为 544 nm 的光刻胶光栅结构导模共振滤光片。实验测量结果表明，通过改变入射角，该滤光片分别在 26.8°、39.6°、46.0°入射角下展示出了良好的红绿蓝三种彩色滤光片性能。相较于传统亚波长结构，该红、绿、蓝三基色 GMRF 具有较长周期，在保证高效率、低旁带、窄半宽的同时，使得制作工艺相对简单、易控制。而相较于传统的彩色滤光片，该滤光片通过调整入射角即可实现红、绿、蓝三种彩色滤光片特性，实现一物多用。相信在今后，该红、绿、蓝三基色 GMRF 将会在显示、图像传感技术上得到广泛应用。