可調微納濾波結構的研究進展

余曉暢，許雅晴，蔡佳辰，袁夢琦，高 博，虞益挺*

（1. 西北工業大學深圳研究院，廣東 深圳 518057；2.西北工業大學機電學院，空天微納系統（教育部）重點實驗室，陜西省微納機電系統重點實驗室，陜西西安710072；3.西北工業大學教育實驗學院，陜西西安710072；4.中國科學院光譜成像技術重點實驗室，陜西西安710119）

? 共同貢獻作者

1 引 言

隨著新一輪世界科技革命和軍事變革的蓬勃興起，信息化、智能化正在加速演進。其中，探測識別技術這一“火眼金睛”成為信息獲取的重要保證。早在20世紀50年代，美國便開始部署預警探測系統，大力發展目標識別技術[1]。在眾多探測識別方法中，光譜成像技術因其可在獲取空間信息的同時得到表征目標紋理特征的光譜信息[2]，成為高效精準識別的“利器”。

濾波和成像是光譜成像的兩大關鍵核心。傳統的光譜成像系統大多采用分光元件和探測器分立集成的方式，體積較大、工作模式固定。隨著微納加工技術的不斷發展，微納濾波結構的性能也不斷優化。利用亞波長結構對光場進行精準高效的調控，為光譜成像系統的微型化、集成化、定制化創造了可能。形式豐富的固定式微納濾波結構，如微納光柵[3-4]、金屬圓盤[5-6]、互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）[7-8]、金屬-絕緣體-金屬（Metal-Insulator-Metal，MIM）結構[9-10]、全介質[4,11-13]等，能夠實現像素級的濾波分光和顏色定義，具有較好的穩定性，但是一旦制備成功，濾波特性即被固定[14]，無法根據實際場景靈活改變。為突破固定式微納濾波結構的局限、滿足實際的功能需要、拓寬應用領域，可調微納濾波結構要持續進行迭代更新。它具有動態濾波和顯像的能力，與傳統的液晶可調濾波器和聲光可調濾波器相比，尺寸更小，便于和成像器件深度集成，有望徹底挖掘成像系統的潛在功能，實現自適應、智能化的終極目標[2]。

本文綜述了近些年來可調微納濾波結構的研究進展，分析了可調濾波方法及工作原理，介紹了填充液晶、采用相變材料、誘導化學反應等數種實現結構靜態可調濾波的途徑；闡述了琺珀腔、微納可調光柵等結構動態可調的濾波方法以及機械拉伸、靜電驅動、光驅動等實現手段。此外，本文還介紹了基于微流控芯片、石墨烯的創新型可調濾波研究工作。實際上，想要在納米尺度設計出光學性能可調、顯像效果理想的濾波結構仍然面臨著巨大挑戰，可調微納濾波在工作原理、器件性能、材料特性等方面還有許多要攻克的難題[2]，本文延伸討論了可調微納濾波的技術難點、應用潛力和未來的發展趨勢。

2 可調微納濾波原理

在已有的研究中，設計可調微納濾波結構的思路大致有兩類：一類是濾波結構的幾何參數固定不變，調節濾波結構中部分光學元件的光學特性，這種稱為靜態可調濾波，如將折射率電壓可控的有機光電材料與固定式濾波結構相組合[15]；另一類是對濾波結構的光學元件施加驅動力以調整結構的幾何參數，從而改變濾波性能，這種稱為動態可調濾波，如靜電力驅動改變微納光柵周期等。

2.1 靜態可調濾波結構

2.1.1 基于相變材料的可調濾波結構

相變類材料的原子排列可被熱、電、光等多種激勵方式誘導，發生快速、可逆變化。發生相變的同時，光電性質也隨之改變，通常具有可控制性和非線性光學特性。多數研究工作嘗試利用相變材料打破傳統濾波結構光學選頻不可調控、顯像單一的局限。以液晶、鍺銻碲（GeSbTe，GST）、二氧化釩（VO2）、鈣鈦礦類等光電化合物為代表的材料得到廣泛關注。

2.1.1.1 液晶材料

液晶具有典型的各向異性（N相液晶）和各向同性（I相液晶），液晶分子的取向可由電壓和溫度控 制，相變宏觀上改變了液晶的折射率和介電常數。更值得關注的是，向列相液晶具有兩個不同的主折射率：普通折射率no和非常折射率ne，導致電極化（TE）偏振光和磁極化（TM）偏振光在液晶中傳播產生速度差異，使二者產生相位差γ=2πΔnt/λ（Δn=ne?no為液晶的雙折射率，t為液晶層厚度），改變光波的偏振狀態。當波長 λ固定時，相位差則由液晶層的雙折射率和厚度決定[16]。下文將介紹多種具有代表性的液晶可調濾波方法和最新研究狀況。

（1）等離子體結構

等離子體納米結構具有獨特的光學、物理性質，尤其在等離子體激元學說建立之后，得到了學術界的廣泛關注，發展迅猛。表面等離子體由入射光波在金屬表面引起的自由電子共振激發產生[17]，并且受電磁響應影響，其結構本身對周圍環境的介電常數敏感。金屬納米孔陣列是典型的等離子體納米結構，其光學透射性取決于陣列周期、孔徑形狀尺寸、材料種類以及環境介電常數等，與液晶結合得到了多種濾波色彩（圖1，彩圖見期刊電子版）。例如，將具有非對稱晶格的矩形鋁納米孔陣列與氧化銦錫（ITO）玻璃襯底結合共同構成電極，電極之間填充液晶層，ITO后添加輸出分析儀[18]，如圖1（a）所示。鋁納米孔陣列起到偏振和濾波的作用，液晶的雙折射率受到外加電壓控制，輸出分析儀最終選擇性濾波。可調機理如圖1（b）所示，輸出分析儀對等離子體濾波和液晶調制的效果進行了分析。與上述濾波機理相似，等離子體諧振器和液晶盒相結合構成的電可調諧濾波器[19]如圖1（c）所示，該結構可使等離子體諧振器的濾波色域與液晶誘導的透射色域實現互補，覆蓋了RGB濾光器70%以上的光譜范圍。

相較上述濾波結構，反射型納米孔薄膜的設計簡單，實現方便。如圖1（d）所示，液晶填充于氧化鋁薄膜孔內，表面鍍有的金層可增強等離子體共振效應[20]。此結構的反射波長源于薄膜干涉，波長方程為：mλ=2nlcosθ（m為干涉階數，θ為光的入射角，n為空氣與氧化鋁薄膜組成介質層的有效折射率，l為薄膜厚度）。該工作對不同孔隙度p下的反射光譜進行了研究，p=0.78時，可以觀測到I相液晶光譜（70℃）較N相液晶光譜（30℃）產生了20 nm的紅移，較小p值下的N、I相液晶的反射光譜則幾乎重合。

圖1 （a）偏振旋轉器控制的亞表面非對稱晶格納米孔陣列示意圖[18]；（b）不同電壓下的顏色輸出：（1）沒有輸出分析器；（2）輸出分析器與納米孔晶格正交；（3）輸出分析器與納米孔晶格成135°；（4）輸出分析器與納米孔晶格成45°[16]；（c）電可調諧濾波器構成：A為入口偏振器、B為等離子體納米結構、C為四分之一波板、D為具有主延遲軸的液晶電池、E為具有固定取向的偏振器[19]；（d）液晶等離子體納米孔薄膜[20]；（e）液晶鋁納米光柵電池的原理圖[14]Fig.1(a)Electrical broad tuning of plasmonic color filter employing an asymmetric-lattice nanohole array of metasurfaces controlled by a polarization rotator[18];(b)Experimental optical transmission.(1) No output analyzer;output analyzer(2)aligned orthogonal to nanohole lattice;(3) has a agle of 135°to nanopole lattice;(4) has a agle of 45° to nanopole lattice[16];(c)elements of the filtering system.A is an entrance polarizer,B is the plasmonic nanostructures,C is a quarter waveplate,D is a liquid crystal cell and E is a polarizer with fixed orientation[19];(d)switchable plasmonic film using nanoconfined liquid crystals[20];(e)schematic of liquid-crystal tunable color filters based on aluminum metasurfaces[14]

金屬微納光柵可用作色散媒介來設計透射型濾波結構，結構自身的光學特性主要由光柵周期和占空比決定。圖1（e）是由鋁納米光柵、向列相液晶和ITO襯板結合而成的電池結構[14]。光柵對TE偏振光產生衍射和波導效應，衍射波長的透射峰為λ =pni（p為 光柵周期，ni為周圍介質的折射率），其中，nLC=ne；對于TM偏振光，光柵的工作原理是激發等離子激元，由于存在能量損失，透射光譜產生共振谷和εi分別為金屬光柵和周圍介質的介電常數），其中相關結果見圖2（彩圖見期刊電子版）。該結構利用液晶對入射光的偏振旋轉效應會引起光柵透射光譜的變化，如圖2（a）所示，并且外加電壓在2~4 V內調節便可覆蓋較寬的光譜范圍。

（2）導模諧振濾波器

導模諧振濾波器（Guided-Mode Resonance Filter，GMRF）是的一種性能優越的窄帶濾波器。它 基于導模共振效應，由襯底、大折射率波導層和一維或二維亞波長光柵組成，可設計為透射型或反射型。已有研究工作實現了GMRF在同一波長下透射和反射模式的切換[21]，使其兼具一定的可調性。引入液晶將更大程度上拓展導模諧振濾波器的工作性能。在反射型的GMRF中添加壓控分析儀[22-23]（圖2（b）），外加0~4.1 V的電壓，能夠對入射光進行0~π相位的自由調諧（圖2（c））。基于此原理的濾波結構可用于產生多基色。通過設計三原色對應的光柵周期和入射偏振角，繼而改變電壓的通斷即可得到6種基色，為新一代顯示器提供思路。圖2（d）中的透射型GMRF則是利用高度對稱的二維方格光柵作為亞波長結構，其具有偏振無關性。此外，該工作采用染料摻雜型液晶，通過紫外光束和綠色光束照射，引起液晶中摻雜染料順反異構的轉變，進而誘發液晶分子發生等溫相變，實現共振光譜的遷移[24]，具體機理如圖2（e）所示。這樣的調諧具有可逆性，并且正常情況下光學特性能夠保持穩定，豐富了液晶的相變誘導手段。

圖2 （a）在不同外加電壓下液晶鋁光柵濾波器的的透射色彩[14]；（b）可調諧導模諧振濾波器示意圖[23]；（c）在不同的外加電壓下，經過液晶偏振旋轉器的線性偏振反射光的透射率極坐標圖[23]；（d）染料摻雜液晶全光偏振無關的可調導模共振濾波器[24]；（e）由甲氧基偶氮苯染料的順反異構轉化引起液晶從N相到I相的等溫相變的機理模型[24]Fig.2(a)Transmissive color appearance of the cells at various applied voltages[14];(b)tunable polarizing reflector based on a liquid crystal-clad guided-mode resonator[23];(c) polar graphs of transmittance of linearly polarised reflected light that has passed through an LC polarization rotator under various applied voltages[23];(d)all-Optical and polarization-independent tunable guided-mode resonance filter based on a dye-doped liquid crystal incorporated with photonic crystal nanostructure[24];(e)mechanism model for the isothermal phase transitions of LCs from Nematic phase(N)to isotropic phase(I)and I to N induced by 4-methoxyazobenzene,Fluka[24]

（3）光學超表面

光學超表面是超材料在二維平面上的應用，其能夠在界面處產生入射光的相位突變來調控光場，易于通過人為設計實現特定的電磁性能[25]。超表面具有高度共振性質，即調整結構表面的電響應和磁響應就可以改變它的共振頻率響應，諧振頻率對于周圍介質的介電常數、電導率、磁導率變化敏感[26]。全介質超表面的出現大大提升了光學傳輸效率，取代了金屬超表面。它基于米氏共振原理，由位移電流產生電磁共振，透射率可達80%以上，可以實現完美反射和異常光學折射（見圖3，彩圖見期刊電子版）[27-28]。研究人員將190 nm厚度的TiO2納米盤沉積于ITO玻璃基板上（圖3（a）），與另一玻璃基板構成透射型全介質超表面可調諧光學器件，其中填充1.5μm厚的 液晶[29]。具有中心對稱結構的TiO2超表面與向列相液晶結合后表現出偏振相關特性，入射光與圖3（a）中x軸的偏振夾角?能夠引起液晶有效折射率的改變，（其中，nx≈no+Δncos?、ny≈no+Δnsin?、nz=no）。在0~12 V的外加電壓下，隨著超表面液晶有效介電常數的變化，磁共振位置發生了紅移，且其較電共振位置的藍移更為明顯，如圖3（b）所示。此結構共振位置調諧范圍約為20 nm，傳輸效率達65%以上。該研究還發現液晶分子存在錨定效應，濾波結構的調諧作用可通過對準液晶分子和納米盤顆粒得以進一步改善。硅納米超表面在紅外波段內具有良好的傳輸效率[30]，結構設計如圖3（c）所示。利用溫度控制液晶分子的重定向，工作機理與前述TiO2超表面類似，當N相液晶轉變為I相液晶時，電共振和磁共振的差異顯著擴大，電共振位置最大調諧范圍達40 nm，有望應用于激光光束的動態切換。

圖3 （a）涂有ITO的玻璃襯底夾有液晶滲透的電可調透射型二氧化鈦亞表面示意圖[29]；（b）在從0到12 V不斷增加的DC電壓下，與x方向夾角為（1） ?=0°，（2）? =45°以及（3）? =90°的入射偏振光在液晶滲透的TiO2亞表面電調諧下的實驗結果，其中紅色曲線表示電共振位置、黃色曲線表示磁共振位置[29]；（c）集成到液晶盒中的硅納米盤亞表面示意圖[30]Fig.3(a)Schematic diagram of electrically tunable all dielectric TiO2 metasurfaces embedded in thin-layer nematic liquid crystals[29];(b)experimental results of electrical tuning of the liquid crystal infiltrated TiO2 metasurface for the incident light polarization directions aligned at(1)?=0°,(2) ?=45°and(3) ?=90°under the increased DC voltages from 0 to 12 V.The symbol-line curves mark out the movement of electric(red)and magnetic(yellow)resonance positions under the applied voltage[29];(c)schematic diagram of active tuning of all-dielectric metasurfaces based on liquid crystals[30]

2.1.1.2 鍺銻碲相變材料

鍺銻碲（GeSbTe，GST）具有良好的熱穩定性，相變可逆且轉變速度快（晶化時間約為10?8s），是一種重要的光電相變材料。GST具有非晶態、亞穩態面心立方結構和穩態六方密排結構3種相態，可人為誘導相變發生，過程伴隨較為穩定、迅速的物理性能變化，且光學性能差異顯著。實驗測得GST 3種相態的介電常數和吸收系數與光子能量的關系如圖4（a）~4（b）所示[31]。基于GST的物理性質，研究人員成功設計了光開關元器件[32,33]、三態存儲的光學數據存儲器[34]等。

圖4 （a）GST不同相態下介電常數與光子能量的關系[31]；（b）GST不同相態下吸收系數與光子能量的關系[31]Fig.4(a)Relationship between dielectric constant and photon energy in different phase states of GST[31];(b)relationship between absorption coefficient and photon energy in different phase states of GST[31]

牛津大學Harish研究團隊設計了一種基于GST薄膜的多層器件[35]（圖5（a）），該器件將GST薄膜層和ITO透明電極結合使用，電流誘導GST層在非晶和晶相間轉變，使濾波性能產生顯著差異。該團隊后續設計出的集成全光子非易失性多級存儲器[36]（圖5（b））及具有多個離散GST材料的仿生片上光子突觸[37]（圖5（c））均采用了類似于上述低維相變濾波器件的框架。

圖5 （a）ITO/ GST / ITO器件示意圖[35]；（b）集成全光子非易失性多級存儲器[36]；（c）集成光子突觸示意圖[37]；（d）基于相變材料的光學可重構超表面光子器件[38]Fig.5(a)Schematic diagram of ITO/GST/ITO device[35];(b)integrated all-photonic non-volatile multi-level memory[36];(c)schematic diagram of integrated photonic synapse[37];(d)optically reconfigurable metasurfaces and photonic devices based on phase change materials[38]

在光致相變的基礎上，研究人員提出了一種新型介電超表面[38]（圖5（d）），制備出覆蓋有ZnSSiO2的70 nm厚度的GST膜，體積僅為0.2μm3。通過實驗證明一定序列的飛秒脈沖光激發可誘導它發生可逆相變，證實了光激發設計GST晶化點陣的可行性。結合飛秒激光的可控性，直接在相變層中進行光學濾波結構設計，可使元件濾波的可調性大幅提高，促進了可調濾波功能的高度集成化，解決了不同應用場景下器件濾波功能受限的難題。

2.1.1.3 二氧化釩相變材料

莫特絕緣體二氧化釩（VO2）是一種具有代表性的光學相變材料，它具有緣體相和金屬相兩種相態，在68°C附近VO2可以通過光、電、熱等激勵完成從低溫絕緣相到高溫金屬相的轉變，并且反向相變可由溫度降低直接實現，大大降低了元器件的相變難度。相變過程中，VO2薄膜的反射率、太赫茲波段的透過率等光學性質會發生較大變化，可用于設計光學可調器件。

基于VO2材料的相變屬性，研究人員提出了一種新型的輻射冷卻系統[39]，該系統由一個濾波器和一個VO2-Ge多層吸收器（VO2-Ge Multilayer Absorber，VGMA）組成。底部的VGMA（圖6（a））中包含50對VO2-Ge多層薄膜，組成了周期性的梯形多層吸收器。通過溫度控制VO2的相態切換，進而控制輻射是否通過器件，以實現該濾波器件輻射冷卻功能的可調性。基于類似原理設計出的一種新型熱可調寬帶吸收器，如圖6（b）所示，將多寬度的Cr-VO2子元件置于均勻Cr襯底表面[40]，利用VO2材料的相變實現了90%的吸收帶寬范圍變化，同時也保持了良好的器件濾波性能。

傳統的亞波長成像技術較依賴于幾何固定的電磁諧振，其實際操作范圍被限制在單個頻率或窄帶上[41]，而通過VO2相變實現的實時調整諧振響應可解決復雜情況下的帶寬受限問題。二氧化釩混合式開環諧振裝置（Split Ring Resonator-VO2，SRR-VO2）[42]是一種較為典型的VO2動態可調濾波器件，結構如圖6（c）所示，其中的開環諧振環（SRR）對平面電場、外磁場產生共振響應，這也是電磁超材料結構較為常見的工作方法[43]。由于SRR間隙的共振頻率對環境介電常數高度敏感，憑借VO2的相變可進一步調整遠紅外共振頻率，從而大幅提升了微波諧振可調范圍。

除了對器件微觀結構的創新，近些年，許多研究也在不斷改進VO2的制備工藝，以提高薄膜器件的性能和使用壽命。例如，通過在柔性熱致變色VO2薄膜中進行W摻雜[44]（圖6（d））可使其在臨界溫度29℃時表現出優異的太陽光調制能力，滿足了柔性薄膜在環境溫度下的高光學性能要求，改善了器件工作的溫度條件。采用分子束外延技術（Molecular Beam Epitaxy，MBE）對VO2薄膜厚度進行精準控制[45]，提升了器件動態可調濾波性能（圖6（e））。上述這些研究為動態可調濾波器件提供了材料工藝領域的突破，對未來的VO2濾波器件結構的改進升級具有重要意義。

圖6 （a）可控制輻射通過與否的輻射冷卻系統[39]，由底部的VO2-Ge多層吸收器和頂部的濾波器組成；（b）基于VO2的熱可調寬帶吸收器示意圖[40]；（c）VO2混合式開環諧振裝置示意圖[42]；（d）聚對苯二甲酸乙二酯襯底上未摻雜W和W摻雜的VO2薄膜圖像；（e）使用MBE技術在藍寶石襯底上生長的VO2薄膜的XRD圖譜[45]Fig.6(a)A radiant cooling system that can control the passage of radiation[39],consisting of a VO2-Ge multilayer absorber on the bottom and a filter on the top;(b)schematic diagram of a thermally adjustable broadband absorber based on VO2[40];(c)schematic diagram of VO2 hybrid open-loop resonator device[42];(d)surface morphology images of VO2 film before and after W doping[44];(e)XRD pattern of VO2 thin film grown on sapphire substrate by MBE technique[45]

2.1.1.4 鈣鈦礦相變材料

除了GST、VO2外，鈣鈦礦類光學相變材料的優異光電性能也在不斷被挖掘，成為近幾年的研究熱點。

鈣鈦礦材料尤其是鉬酸鹽材料，能隨電場變化實現相變。實驗證明，鈣鈦礦材料SmNiO3[46]（圖7（a））在可見光到中長波紅外（400 nm~17μm）的超寬光譜范圍內，隨電場改變表現出較大且可逆 的折射率變化，并且相態轉變可由電子摻雜水平控制，例如利用嵌鋰、脫嵌鋰在H2、O3環境下對器件退火完成SmNiO3薄膜的相變。研究人員將SmNiO3薄膜與Pt光柵和等離子超表面相結合得到了圖7（b）~7（c）的結構[46]，經模擬分析：在400~2 500 nm的波長范圍內，200 nm SmNiO3薄膜的光學透射率均值可在0.05~0.6之間連續變化（圖7（d）），顯示出此類鈣鈦礦材料在可調濾波領域的獨特優勢。

圖7 （a）使用SmNiO3薄膜器件示意圖[46]；（b）使用Pt光柵的薄膜SmNiO3器件示意圖[46]；（c）等離子超表面與SmNiO3薄膜組成的器件結構圖[46]；（d）模擬得到的SmNiO3薄膜器件、Pt光柵結合薄膜SmNiO3器件各自的光透過率變化曲線[46]；（e）玻璃/ FTO/ NiOx / CsPbI3-xBrx / ZnO/ Al或ITO的新型光伏玻璃架構示意圖[47]。Fig.7(a)Schematic diagram of SmNiO3 thin film device[46];(b)schematic diagram of thin film SmNiO3 device using Pt grating[46];(c)structure diagram of the device composed of plasma metasurface and SmNiO3 thin film[46];(d)light transmittance curves of SmNiO3 thin film device and Pt grating combined with SmNiO3 thin film device are obtained by simulation[46];(e)schematic diagram of a new photovoltaic glass architecture of glass/FTO / NiOx /CsPbI3-xBrx /ZnO / Al or ITO[47].

將鈣鈦礦器件的動態可調濾波功能和光伏功能結合，誕生了智能光伏玻璃這一極具潛力的研究方向。如圖7（e）所示，基于無機鹵化物鈣鈦礦銫鉛碘溴（CsPbI3-xBrx）在室溫下的非鈣鈦礦相與高溫鈣鈦礦相之間較大的光學性質差異，研究人員設計了一種多層膜結構[47]。該結構極大地提升了太陽能的電池熱穩定性和環境穩定性，基于它制備的光伏玻璃可通過溫控進行顏色調整，實現了相變技術和濾波可調功能的統一。

2.1.2 基于化學反應的可調濾波結構

可調濾波功能也可通過化學反應生成新的物質實現。電致變色器件[48]基于電化學的相關原理，類似于可充電電池，通過電驅動控制濾波結構的顏色變化。在目前的電化學動態可調光學器件研究中，較為重要的材料是過渡金屬氧化物三氧化鎢（WO3）。在器件結構方面，關于WO3最早的研究工作可以追溯到第一個基于電化學原理的無機材料電致變色器件[49]，這種設計也逐漸發展為成熟的玻璃/ITO/NiOx/Li＋導體/ WO3/ITO互補型五層膜器件。

如圖8（a）所示，研究人員將鍍鉑的透明導電氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）涂層玻璃作為電極[50]，電解質中包含的Li+和氧化還原對（I?和I3?）可使該器件的電致變色層在光照下著色，在黑暗中發生氧化還原反應被漂白，實現WO3層的可調濾波。該器件結構能夠將光敏層直接沉積在電致變色層上，漂白和著色過程相互獨立，使器件光學性質的轉變速率得到提高。

隨著材料制備技術的不斷發展，WO3的電化學原理及其變色功能相結合的一體化設計也有了相應的突破。例如，通過熱蒸發和電沉積方法可制備出大面積的電致變色儲能雙功能玻璃窗[51]（圖8（b）），該器件表現出639.8Fg?1的高比電容和出色的電致變色性能；基于納米WO3的多纖維素光致變色薄膜[52]能夠在紫外線下發生明顯變色，且工藝簡單，大大降低了制備成本。

在濾波結構的性能優化中，利用琺布里-珀羅（Fabry-Pérot，FP）腔體和化學反應相結合[53]的研究是一種更具靈活性的動態顯示方法。該項研究利用光刻技術制備出一種使用復合結構設計的FP腔，如圖8（c）所示，此結構由金屬覆蓋層（Mg/Ti/Pd）、氫化倍半氧硅烷（HSQ）柱和厚鋁膜組成。金屬覆蓋層中的鎂通過加氫和脫氫在金屬態（Mg）和氫化物態（MgH2）之間可逆轉變。當Mg完全發生

圖8 （a）新型電致變色器件設計[50]；（b）結合電致變色和能量儲存的偽電容玻璃窗的器件制備和工作原理[51]；（c）FP腔結合化學反應的設計思路[53]Fig.8(a)Design of the new electrochromic device[50];(b) preparation and working principle of pseudocapacitive glass windows that combines electrochromism and energy storage[51];(c)design idea of FP-cavity combined with chemical reaction[53]

氫化時，其等離子特征也隨之改變，MgH2選擇性地反射光波，引起像素化的FP腔顏色狀態改變，實現了動態可調濾波功能。

2.1.3 基于石墨烯的可調濾波結構

石墨烯是一種特殊的二維結構功能材料，碳原子之間形成的大π鍵賦予石墨烯良好的導電性能。此外，由于能帶結構特殊，石墨烯具有小載流子等效質量和短平均自由程，因而載流子遷移率極高。它獨特的結構和性能引起了研究界的廣泛興趣，逐漸成為器件領域的一大研究熱點。

在太赫茲波段，石墨烯吸收的光子能量小，電子的帶間躍遷難以實現，電子的帶內躍遷占據主導地位。器件中石墨烯超表面的電導率可利用物理模型推導并通過簡化與假設得到[54-55]：

式中，Γ為載流子散射率，D為Drude質量。另外，費米能級EF和Drude質量均和費米速度VF密切相關，它們之間的關系如下：

以上兩式中n為載流子濃度。可見，通過改變石墨烯薄層的費米能級能夠引起載流子濃度以及電導率的變化，從而調節材料對于太赫茲波的透射或反射特性。圖9（a）展示了一種典型的石墨烯超材料納米結構器件[56]，該器件由石墨烯超表面和金屬柵極支撐的電介質襯底構成。依據上述理論模型可推導出費米能級與外加電壓存在這樣的關系：

其中，Cαx為金屬柵極電容，Vg為外接柵極電壓。外加電壓能夠引起石墨烯的費米能級和超表面電導率的變化，這為研究人員提供了一種電控調制太赫茲波的方法。其應用將隨著工藝方法的改進逐漸向高性能電控太赫茲器件方向發展，可用于設計超緊湊型波吸收器、相移平面、人工磁導體（Artificial Magnetic Conductor，AMC）天線基板等。

石墨烯的巨大潛力也在中紅外光學濾波器件領域有所展現，這類器件與太赫茲光學器件最大的不同在于石墨烯超表面的電導率需要考慮電子的帶間躍遷和帶內躍遷[57]兩部分的貢獻。一種基于石墨烯超材料的可協調寬帶交叉極化轉換設計[58]（圖9（b））能夠將線偏振光在反射模式下轉換為交叉偏振。該結構包含了一個L型的單層石墨烯和一個100 nm的金板陣列，只需通過靜電門控來改變費米能級，動態調整中紅外偏振轉換及實現寬帶效應。基于金屬—石墨烯超材料的動態可調雙帶阻濾波器設計[59]是一種新型的中紅外區濾波方法，濾波器主體由金條附于單層石墨烯和BaF2襯底上構成，具體結構見圖9（c）。研究人員在兩金屬焊盤間施加電壓調節石墨烯的費米能級進而控制阻帶的中心頻率或共振位置，傳輸峰的振幅也將隨著載流子遷移率的增加而提高，因此該器件在光學濾波可調的同時還可滿足高效帶通傳輸的要求。另外，研究人員嘗試將石墨烯納米膜與鈮酸鋰等其他折射率可控的材料組合[60]，以獲得多種濾波調節方式。此研究表明改變石墨烯納米膜的層數，能夠成功調節濾波器的最小透過率、阻帶寬度和阻帶中心波長。

圖9 （a）一種典型的石墨烯超材料納米結構器件示意圖[56]；（b）基于L形石墨烯超材料的器件設計[58]；（c）基于金屬石墨烯超材料的雙帶阻濾波器示意圖[59]Fig.9(a)Schematic diagram of a typical graphene metamaterial nanostructured device[56];(b)device design based on L-shape graphene metamaterials[58];(c)schematic diagram of dual band stop filter based on metal-graphene metamaterial[59]

2.1.4 基于微流控芯片的可調濾波結構

微流控芯片被列為“改變未來的七種技術之一”，又稱微流控芯片實驗室，指在微米量級的通道內對小體積的液體樣品進行處理操作，芯片大小僅為幾個厘米，具有體積小、兼容性強、檢測效率高、使用成本低等眾多優勢[61]。通常微流控芯片使用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）和聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethyl methacrylate，PMMA）為基片，利用蝕刻技術，在基片上刻畫微流體通道（圖10（a））。微流控通道內液體的折射率有較強的可操縱性，成為設計可調濾波的又一出發點。圖10（b-c）是雙亞波長光柵和中間的微流控通道組成的夾層結構[62]，液體折射率由濃度和流速控制，以此改變光柵結構的性能參數。該研究工作的分析模擬結果顯示，此結構波長調諧范圍可達28 nm，靈敏度S或將超過350 nm·RIU?1（Refractive Index Unit），品質因數高達50 000，光學性能較為理想。研究人員還將TiO2超表面嵌入微流控芯片，設計出反射型可調諧濾波結構[63]。對微流控通道填充不同的流體，將改變超表面的有效介電常數，可以觀察到超表面所編碼圖案的顯色改變，如圖10（d）所示。微流控通道與其他光學表面的耦合展示出巨大的應用價值。例如填充液態金屬的L型諧振器能夠將反射光轉換為線性、圓形、橢圓形等3種偏振態[64]（結構如圖10（c）所示）以及通過反射光譜檢測微流控通道內液體的種類和濃度[65]等。圖10（e）為多功能偏振轉換器。

圖10 （a）填充液體后的微流控亞表面[65]；基于亞波長光柵的微流控通道可調濾波結構俯視圖（b）和橫截面（c）示意圖[62]；T為光柵的周期，H為槽深，w 為兩個光柵之間的間距，θ為入射角，n s為基底的折射率，nh為 光柵區介質折射率，nl為微流體通道內流體折射率；（d）在不同溶劑環境中，采用明場顯微鏡觀察二氧化鈦表面的反射顏色[63]；（e）多功能偏振轉換器[64]Fig.10(a)Sample of liquid-metal-based metasurface filled with liquid[65];(b)top view and (c)cross section of tunable narrowband filter with sub-wavelength grating structure by micro-optofluidic technique[62].T is grating period[62],H is grating depth,w is the distance between two gratings,θ is incident angle;ns is the refractive index of substrate,nh is the refractive index of gratings,nl is the refractive index of liquid;(d)color images of the TiO2 metasurface in different types of liquid[63];(e)broadband wide-angle multifunctional polarization[64]

2.2 動態可調濾波結構

2.2.1 琺珀濾波器

琺珀濾波器是一種基于多光束干涉原理的光學器件，其基本結構是兩片固定距離的平行平板組成的FP腔，平板具有半透半反的特性。為使特定波長的入射光透過平板進入FP腔時發生穩定的多光束諧振以及高能量透射，入射光波長λm應滿足干涉條件其中d為FP腔長度，n為琺珀腔介質折射率，m（m=1,2,3,...）為干涉等級，θ為入射角。波長非λm的入射光則會在FP腔中衰減至消失，從而達到濾波目的。

傳統琺珀濾波器由于自身結構局限性難以實現大范圍的波段調制。將微機電系統（MEMS）技術引入琺珀濾波器能夠不受限于天然材料的非線性特征，通過直接改變FP腔的幾何結構實現琺珀濾波器的動態調制性能，如今已得到了廣泛的研究，驅動方式為靜電驅動[66]、熱驅動[67]、壓電驅動[68]等。由于靜電驅動方式具有易加工、響應速率高和閉環控制等優點，該領域中已報道的驅動方法主要以靜電驅動為主。

基于MEMS相關技術，研究人員研制了一種靜電驅動式的濾波可調琺珀濾波器[66]（圖11（a）），對可移動薄膜支撐的頂部平面和底部基座施加電壓，可移動薄膜在靜電驅動力下會發生形變導致FP腔長度的變化，從而實現濾波可調。為保證FP腔中兩平板的平行穩定性，該器件提供了一種高度集成且調諧范圍大的Z型臂橋結構。通過多物理場模擬發現：在最大驅動電壓25.5 V下，厚度為500 nm、尺寸為80μm×80μm的可移動Z型臂橋薄膜能夠保持平行穩定性，進而使橋面整體應力分布均勻（圖11（b）），實現了3~5μm的寬可調工作波長范圍。

德國英福泰克公司（InfraTec）是氣體分析用可調濾波器的主要研究機構之一。研究人員使用納米壓印光刻（Nano Imprint Lithography，NIL）和電子束光刻技術研制了200 nm氮化硅薄膜上的100 nm圓盤形諧振器陣列[69]（圖11（c）），并結合之前靜電驅動式的MEMS器件設計了一個可移動反射鏡的可調濾波器，在波長調制范圍為2.5~5μm的同時實現了三階至五階的干涉。芬蘭國家技術研究中心（VTT）開發了琺珀濾波器兩種不同的工藝方法：基于微光機電系統（Micro-Optoelectro-Mechanical Systems，MOEMS）的芯片和通過壓電驅動的分離式濾波可調琺珀濾波器（圖12（a）、12（b））[70]。依托這兩項技術，VTT不斷地擴大MOEMS-琺珀濾波器的波長適用范圍，為琺珀濾波器技術的產業化提供了高性能的解決方案。

圖11 （a）可調琺珀濾波器的MEMS結構橫截面圖[66]；（b）Z型壁橋在25.5 V靜電力驅動下的變形模擬仿真[66]；（c）使用NIL制造的圓盤形諧振器的SEM圖像及靜電驅動式動態濾波可調濾波器[69]Fig.11(a)Cross section of MEMS structure of tunable Fabry-Pérot filter[66];(b)simulation of deformation of Z-type wall bridge driven by 25.5 V electrostatic force[66];(c)SEM image of disk resonator manufactured by NIL and electrostatic driving dynamic filter tunable filter[69]

圖12 （a）大批量生產的MOEMS模塊[70]；（b）中小批量生產的壓電驅動式可調琺珀濾波器模塊[70]；（c）TAM和TLNM示意圖[71]Fig.12(a)MOEMS module for mass production[70];(b) piezo driven adjustable Fabry Perot filter module for medium and small batch production[70];(c)schematic diagram of TAM and TLNM[71]

利用超材料及其可調諧超表面以提高動態可調琺珀濾波器性能的設計是近幾年的熱門研究方向。基于可調鋁基超表面（Tunable Al-based Metasurface，TAM）和可調鈮酸鋰超表面（Tunable LN-based Metasurface，TLNM）的琺珀濾波器設計[71]如圖12（c）所示，該濾波器由懸浮在硅襯底上的TAM或TLNM組成。雖然該模型設計中沒有確定的改變間隙距離g的MEMS驅動方式，但通過時域有限差分法進行模擬可得，在間隙值g調諧寬度分別為100 nm和111 nm的情況下，隨著g值的改變，TAM和TLNM的共振頻率將發生紅移，特別是TLNM的共振峰半高寬縮減至3 nm，TAM的靈敏度提高至481.5 nm·RIU?1，此結構有望應用于高分辨顯示、高光譜成像及高效可調光學吸收等領域。

2.2.2 微納可調光柵

微納可調光柵是另一種較為典型的動態式可調濾波結構，可通過多種驅動手段調整結構參數引起濾波特性改變。微納光柵依靠狹縫衍射間的相互作用色散分光，濾波特性依賴于光柵周期、光柵閃耀角和光波相位差。因此多數研究通過動態地修改這3個重要的光學參數實現性能可調。

最早實現的可調方式是相位調節，其工作原理是外加驅動力使得相鄰光柵面之間產生不同的垂直位移，由它們的高度差h引起衍射光的相位差Δφ：

式中，λ為入射光波長，d為光柵周期，θ為入射角，θ′為 衍 射 角。光 柵 光 閥[72]（Grating Light Valve，GLV）是相位可調光柵的典型代表（圖13（a）），它是光學反射元件，在其6個反射條中，有3個是可動條，不加電壓時光柵光閥處于平面狀態，將入射光完全反射；外加電壓時，可動條的反射面在靜電力的作用下進行上下移動，成為一個相位光柵，如圖13（b）。光柵光閥可靠性高、成本低、響應速度快，已經被應用于高速光衰減器、光開關、顯示器、投影儀等多種領域[73]。

圖13 （a）基本的光柵光閥結構[73]；（b）光柵光閥的反射狀態和衍射狀態[73]；（c）PDMS閃耀透射光柵二維等密度拉伸模型[74]；（d）主動調諧光柵耦合器工作原理[75]Fig.13(a)The structure of grating light valve[73];(b) reflecting modes and diffracting modes of GLV[73];(c)two-dimensional isometric density stretching model of PDMS blazed transmission grating[74];(d)working principles of MEMS-based tunable grating coupler[75]

光柵面與水平方向存在夾角的光柵被稱為閃耀光柵，此夾角為閃耀角θk。它的光柵方程為：d(2 cosαsinθk)=kλ（α為入射光與光柵面法線的夾角）。扭轉光柵閃耀角可以改變閃耀波長，方式包括靜電驅動、熱驅動和機械拉伸等。圖13（c）展示了一種基于PDMS的二維可伸縮閃耀波長可調光柵[74]。PDMS具有良好的彈性和耐久性，被用作硬質材料光學元件的替代品。利用PDMS穩定的拉伸比，研究人員在光柵的兩個方向上施加應變，改變凹槽形狀的同時有效固定了光柵周期。當y軸方向伸長率為20%，x軸方向伸長率為5.2%時，可以保持光柵密度不變，閃耀角的最大調節范圍為1.33°，+1階閃耀波長紅移42.3 nm。圖13（d）所示的主動調諧光柵耦合器，在光柵上方施加靜電力壓彎光柵，改變閃耀角從而引起衍射光譜的遷移，可調范圍達22.8 nm[75]。

近幾年周期可調光柵成為研究者的關注點[76-80]。相關工作嘗試運用可變形滑動技術設計可調諧光柵器件，如圖14（a），由彈性金屬合金對布拉格光柵施加軸向應變，改變中心波長和光譜響應曲線，實驗得到了大約50 nm的中心波長偏移調諧范圍[76]。另外的驅動方式還有梳狀驅動制動器拉伸[80]，光柵形成一個折疊彈簧，一端連接波導錐，一端連接梳狀制動器，由梳狀制動器擴大光柵齒距，改變周期的同時增大了光柵的出射角（圖14（b）），結構設計如圖14（c）所示。除上述驅動方式之外，還有電致變色聚合物的伸縮調節[77]、紅外激光器驅動調節[78]等。隨著微納光柵編程控制的發展和光學有限元仿真軟件的應用，研究人員能夠通過精確設計光柵器件的預期變形、閃耀、光柵周期等結構參數，得到預期的衍射光譜，器件衍射效率也大大提高[81]。

圖14 （a）用于布拉格光柵的可變形滑動結構[76]；（b）可調光柵的工作原理[80]；（c）梳狀制動器驅動光柵[80]Fig.14(a)Deformable slides used for tuning fiber Bragg gratings[76];(b)working principles of tunable gratings[80];(c)lowpower optical beam steering by microelectromechanical waveguide gratings[80]

3 總結與展望

如今，可調濾波結構已經有了不小的突破，但其性能仍然存在較大的局限，智能化、自適應濾波的實現任重道遠。濾波結構在材料選擇上就面臨巨大挑戰，光學元件選材往往要求嚴苛，例如，超材料需要具有較大的折射率實部和極小的折射率虛部才能夠降低損耗，保證光學傳輸效率，研究人員迄今仍在不斷尋找更加理想的超材料；用于可調濾波的重要結構液晶具有揮發性，難以保持持久穩定的光學性能等等。從可調濾波結構的性能上看，一些器件功能材料的化學、物理穩定性上也有待提升，例如薄膜器件易氧化、硫化，對振動、沖擊的抵抗能力差；金屬等離子體結構的傳輸效率受到金屬共振頻率的限制，損耗較大；與超材料集成的濾波結構目前還達不到理想的光學效率，帶有很強的偏振依賴性。另外，多數結構的光學響應效率較低，將影響到整體系統的工作效能[2]。在制備裝配工藝方面，納米級別的濾波結構對生產工藝的要求復雜，需要達到微納級別的精度，保證批產的性能穩定性，并且往往涉及濾波結構的定制加工，造成微納光學元件生產難度大、成本高、量產困難；濾波結構與探測器件的集成裝配受到裝配變形和微觀作用力的影響，裝配精度面臨巨大挑戰，若要進一步滿足微納結構可拆卸替換的要求，裝配工藝也必須不斷發展前進。

未來可調濾波器件的一大研究方向是進一步改善功能材料的物理化學性能，解決器件工業化生產的需求，同時保持較高的器件性能。在動態可調濾波的驅動方式上，目前所實現的可調濾波大都是單一方向的動態可調濾波，后續可以通過重疊一組具有不同位移角度的散射層來增加自由度的數量[82]，但實現高效的多方向動態可調濾波仍有較大難度。對于利用磁電光效應實現的動態可調濾波而言，可以通過對超材料的設計和優化來實現更強的磁電光效應進而提高動態濾波性能[83]；在靜態可調濾波領域，可嘗試設計多層介質膜光柵的介質層實現光學性能可調等。隨著MEMS技術及新材料的飛速發展，可調濾波結構將不斷向高性能濾波可調的道路邁進，同時也會與圖像處理、機器學習、智能優化算法[84]等軟件方向深度融合，并基于高集成、超緊湊、小型化的器件結構，在健康監測、智能制造、無人系統等多應用場景下發揮可調濾波的獨特優勢。