基于硅超表面的创新MIR光学滤波技术

研究人员利用热光硅超表面开发了一种完全原位的光电中红外带通滤波器。该滤波器设计无需机械元件，即可实现精确、紧凑且稳定的光谱调谐。

该研究发表于《激光与光子学评论》期刊，揭示了一种基于蓝宝石衬底的硅基超表面（SoS）设计，该设计利用零对比度光栅（ZCGs）中的热光效应，实现了中红外（MIR）波段的窄带可调滤波。这种新型滤波器有望在微型化传感、成像和光谱学领域发挥作用，因为它消除了对机械可调组件的需求。

重新思考中红外（MIR）滤波器

带通滤波器在化学传感中至关重要，尤其是在依赖检测特定气体吸收线的非色散红外（NDIR）系统中。  

传统可调中红外滤波器采用分布式Bagg反射器，需要精确沉积交替材料层，带宽仅限于一个自由光谱范围，需通过楔形间隔件调节腔体厚度，且仅能通过机械方式实现调谐。这使得制造过程复杂化，限制了光谱范围，并引入了机械可靠性问题。  

相比之下，本研究中提出的超表面——一种超薄、纳米结构层，能够精确控制光线——提供了一种可扩展的替代方案。通过集成调谐机制，超表面能够可靠地生成高光谱图像和分子指纹。

a) 一维和 b) 二维 ZCG 的理想几何结构图，其中描述了经典入射条件下s和p极化入射场的约定。蚀刻深度的命名约定（e) 膜厚度 (t)、填充因子（FF）和句号Λ也包括在内。

采用光电调谐而非机械调谐，可获得更易集成、稳定且可微型化的器件。特别是热光调谐技术备受关注，其利用晶体硅等材料在中红外光谱（MIR）范围内因温度变化引起的折射率变化，展现出强烈的热光响应。

蓝宝石衬底凭借其高热导率和低红外光谱吸收特性，为该系统提供了理想的补充。

滤波器设计与制造

研究团队围绕ZCGs设计了他们的滤波器，ZCGs由光栅层和波导层组成，两者折射率差异极小。这些结构支持共振现象，如连续介质中的准束缚态（qBICs）和衰减腔模式，从而在更宽的截止带内产生尖锐的透射峰值。

用于测量不同温度下ZCG光谱透射的台式装置效果图。来自FTIR外部端口的红外光穿过偏振器和光圈，然后照射到超表面。透射光随后通过离轴抛物面镜聚焦到红外探测器上。

他们开发了一维（1D）和二维（2D）ZCG滤光片，采用基于硅的热光效应进行热调谐的传输模式设计。这些设计通过MATLAB中的粒子群算法和严格耦合波分析（RCWA）模拟进行优化，重点关注刻蚀深度、周期、填充因子和波长目标。

滤波器采用SoS晶圆制成，硅层厚度约为1.05 µm。通过电子束光刻在晶圆上形成光栅图案，随后采用耦合等离子体反应离子刻蚀方法（使用氧化铝刻蚀掩模）进行精确刻蚀。该方法实现了约1,000 nm的刻蚀深度。

随后，研究团队通过扫描电子显微镜（SEM）对滤光片进行分析，并利用光谱测量结果对模拟结果进行精细调整。

通过温度进行精确调节

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）系统对滤光片的热光调谐进行了测试，该系统包括黑体辐射源、偏振片、光阑、温度控制台和汞镉碲探测器。

随后，ZCG滤光片在-180 °C至600 °C的温度范围内进行了测试。测试结果显示，一维ZCG滤光片在25 °C时的波长为3486 nm，在600 °C时红移至3586 nm；而二维设计在-180 °C时的波长为3421 nm，在600 °C时红移至3562 nm。这些结果表明其各自的调谐范围分别为100 nm和141 nm。  

a) 室温（蓝色曲线）和 600 °C（橙色曲线）下，当 p 偏振光以 4° 角入射时，实验测量的一维 ZCG 透射光谱。b) 室温（黄色曲线）、室温（蓝色曲线）和 600 °C（橙色曲线）下，当光垂直入射时，实验测量的二维 ZCG 透射光谱。c) 模拟（Sim.）和实验加热（Hot）和冷却（Cryo.，仅限 2D ZCG）条件下，ZCG 透射光谱峰值位置随温度的变化。

所得结果显著超过了全宽半高值（FWHM）的25 nm（一维）和29 nm（二维），显示了ZCG滤光片的高度光谱分辨率。

角度响应测试显示了对称保护的qBIC共振，且在更高角度时出现展宽现象。研究中的实验结果与MATLAB模拟结果密切一致，仅在某些情况下因制造公差存在微小偏差。

面向实际应用

这些光电、热光可调谐ZCG滤光片为紧凑型和高可靠性中红外（MIR）系统提供了极具前景的解决方案。

它们特别适用于气体检测、环境监测、分子指纹识别、高光谱成像和光通信等应用——尤其是在空间受限且机械可靠性至关重要的设备中。

a) 蝴蝶模拟 (Sim.) 和实验 (Exp.) 中红外光谱透射图，分别由 1D 和 b) 2D ZCG 展示，用于p偏振光在入射角增加时入射平面相对于图 1a,b的数值。c) 二维 ZCG 的条件与 (b) 相同，但采用 s 偏振光。模拟透射图包含了来自基板的损耗和腔效应，以及用于模拟表征装置光束发散的二维高斯模糊 (σ_θ=1^o)，以及 FTIR 的分辨率 ( σ_λ=8cm^-1）。

通过将ZCG滤光片与宽带光源和探测器结合，可构建无机械运动部件的温度控制光谱仪。研究人员还提出在芯片上集成由铟锡氧化物或石墨烯等材料制成的微加热器，以实现实际设备中快速、节能的调谐功能。

未来方向

本研究中发表的工作为可扩展的、无需MEMS的红外光谱滤波器奠定了坚实基础，这些滤波器与标准半导体制造工艺兼容。凭借其窄带宽和精细可调性，它们为便携式和现场应用的光子传感器提供了切实可行的技术进步。

下一步工作将聚焦于微加热器集成，以实现实时光谱调谐，从而拓展其在生物诊断、工业传感和环境分析等领域的应用范围。

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