余曉暢，許雅晴，蔡佳辰，袁夢(mèng)琦，高 博，虞益挺*

（1. 西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院，廣東 深圳 518057；2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，空天微納系統(tǒng)（教育部）重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西省微納機(jī)電系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710072；3.西北工業(yè)大學(xué)教育實(shí)驗(yàn)學(xué)院，陜西西安710072；4.中國(guó)科學(xué)院光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710119）

? 共同貢獻(xiàn)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(jìn)。其中，探測(cè)識(shí)別技術(shù)這一“火眼金睛”成為信息獲取的重要保證。早在20世紀(jì)50年代，美國(guó)便開始部署預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)，大力發(fā)展目標(biāo)識(shí)別技術(shù)[1]。在眾多探測(cè)識(shí)別方法中，光譜成像技術(shù)因其可在獲取空間信息的同時(shí)得到表征目標(biāo)紋理特征的光譜信息[2]，成為高效精準(zhǔn)識(shí)別的“利器”。

濾波和成像是光譜成像的兩大關(guān)鍵核心。傳統(tǒng)的光譜成像系統(tǒng)大多采用分光元件和探測(cè)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(shù)的不斷發(fā)展，微納濾波結(jié)構(gòu)的性能也不斷優(yōu)化。利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)高效的調(diào)控，為光譜成像系統(tǒng)的微型化、集成化、定制化創(chuàng)造了可能。形式豐富的固定式微納濾波結(jié)構(gòu)，如微納光柵[3-4]、金屬圓盤[5-6]、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）[7-8]、金屬-絕緣體-金屬（Metal-Insulator-Metal，MIM）結(jié)構(gòu)[9-10]、全介質(zhì)[4,11-13]等，能夠?qū)崿F(xiàn)像素級(jí)的濾波分光和顏色定義，具有較好的穩(wěn)定性，但是一旦制備成功，濾波特性即被固定[14]，無法根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景靈活改變。為突破固定式微納濾波結(jié)構(gòu)的局限、滿足實(shí)際的功能需要、拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，可調(diào)微納濾波結(jié)構(gòu)要持續(xù)進(jìn)行迭代更新。它具有動(dòng)態(tài)濾波和顯像的能力，與傳統(tǒng)的液晶可調(diào)濾波器和聲光可調(diào)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(tǒng)的潛在功能，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)、智能化的終極目標(biāo)[2]。

本文綜述了近些年來可調(diào)微納濾波結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，分析了可調(diào)濾波方法及工作原理，介紹了填充液晶、采用相變材料、誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)等數(shù)種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)靜態(tài)可調(diào)濾波的途徑；闡述了琺珀腔、微納可調(diào)光柵等結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)可調(diào)的濾波方法以及機(jī)械拉伸、靜電驅(qū)動(dòng)、光驅(qū)動(dòng)等實(shí)現(xiàn)手段。此外，本文還介紹了基于微流控芯片、石墨烯的創(chuàng)新型可調(diào)濾波研究工作。實(shí)際上，想要在納米尺度設(shè)計(jì)出光學(xué)性能可調(diào)、顯像效果理想的濾波結(jié)構(gòu)仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)，可調(diào)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(diào)微納濾波的技術(shù)難點(diǎn)、應(yīng)用潛力和未來的發(fā)展趨勢(shì)。

2 可調(diào)微納濾波原理

在已有的研究中，設(shè)計(jì)可調(diào)微納濾波結(jié)構(gòu)的思路大致有兩類：一類是濾波結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)固定不變，調(diào)節(jié)濾波結(jié)構(gòu)中部分光學(xué)元件的光學(xué)特性，這種稱為靜態(tài)可調(diào)濾波，如將折射率電壓可控的有機(jī)光電材料與固定式濾波結(jié)構(gòu)相組合[15]；另一類是對(duì)濾波結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件施加驅(qū)動(dòng)力以調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，從而改變?yōu)V波性能，這種稱為動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波，如靜電力驅(qū)動(dòng)改變微納光柵周期等。

2.1 靜態(tài)可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)

2.1.1 基于相變材料的可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)

相變類材料的原子排列可被熱、電、光等多種激勵(lì)方式誘導(dǎo)，發(fā)生快速、可逆變化。發(fā)生相變的同時(shí)，光電性質(zhì)也隨之改變，通常具有可控制性和非線性光學(xué)特性。多數(shù)研究工作嘗試?yán)孟嘧儾牧洗蚱苽鹘y(tǒng)濾波結(jié)構(gòu)光學(xué)選頻不可調(diào)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(guān)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(shù)。更值得關(guān)注的是，向列相液晶具有兩個(gè)不同的主折射率：普通折射率no和非常折射率ne，導(dǎo)致電極化（TE）偏振光和磁極化（TM）偏振光在液晶中傳播產(chǎn)生速度差異，使二者產(chǎn)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(tài)。當(dāng)波長(zhǎng) λ固定時(shí)，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(diào)濾波方法和最新研究狀況。

（1）等離子體結(jié)構(gòu)

等離子體納米結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的光學(xué)、物理性質(zhì)，尤其在等離子體激元學(xué)說建立之后，得到了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，發(fā)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(fā)產(chǎn)生[17]，并且受電磁響應(yīng)影響，其結(jié)構(gòu)本身對(duì)周圍環(huán)境的介電常數(shù)敏感。金屬納米孔陣列是典型的等離子體納米結(jié)構(gòu)，其光學(xué)透射性取決于陣列周期、孔徑形狀尺寸、材料種類以及環(huán)境介電常數(shù)等，與液晶結(jié)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(duì)稱晶格的矩形鋁納米孔陣列與氧化銦錫（ITO）玻璃襯底結(jié)合共同構(gòu)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(diào)機(jī)理如圖1（b）所示，輸出分析儀對(duì)等離子體濾波和液晶調(diào)制的效果進(jìn)行了分析。與上述濾波機(jī)理相似，等離子體諧振器和液晶盒相結(jié)合構(gòu)成的電可調(diào)諧濾波器[19]如圖1（c）所示，該結(jié)構(gòu)可使等離子體諧振器的濾波色域與液晶誘導(dǎo)的透射色域?qū)崿F(xiàn)互補(bǔ)，覆蓋了RGB濾光器70%以上的光譜范圍。

相較上述濾波結(jié)構(gòu)，反射型納米孔薄膜的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。如圖1（d）所示，液晶填充于氧化鋁薄膜孔內(nèi)，表面鍍有的金層可增強(qiáng)等離子體共振效應(yīng)[20]。此結(jié)構(gòu)的反射波長(zhǎng)源于薄膜干涉，波長(zhǎng)方程為：mλ=2nlcosθ（m為干涉階數(shù)，θ為光的入射角，n為空氣與氧化鋁薄膜組成介質(zhì)層的有效折射率，l為薄膜厚度）。該工作對(duì)不同孔隙度p下的反射光譜進(jìn)行了研究，p=0.78時(shí)，可以觀測(cè)到I相液晶光譜（70℃）較N相液晶光譜（30℃）產(chǎn)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(zhuǎn)器控制的亞表面非對(duì)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(diào)諧濾波器構(gòu)成：A為入口偏振器、B為等離子體納米結(jié)構(gòu)、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(shè)計(jì)透射型濾波結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)自身的光學(xué)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(jié)合而成的電池結(jié)構(gòu)[14]。光柵對(duì)TE偏振光產(chǎn)生衍射和波導(dǎo)效應(yīng)，衍射波長(zhǎng)的透射峰為λ =pni（p為 光柵周期，ni為周圍介質(zhì)的折射率），其中，nLC=ne；對(duì)于TM偏振光，光柵的工作原理是激發(fā)等離子激元，由于存在能量損失，透射光譜產(chǎn)生共振谷和εi分別為金屬光柵和周圍介質(zhì)的介電常數(shù)），其中相關(guān)結(jié)果見圖2（彩圖見期刊電子版）。該結(jié)構(gòu)利用液晶對(duì)入射光的偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)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(nèi)調(diào)節(jié)便可覆蓋較寬的光譜范圍。

（2）導(dǎo)模諧振濾波器

導(dǎo)模諧振濾波器（Guided-Mode Resonance Filter，GMRF）是的一種性能優(yōu)越的窄帶濾波器。它 基于導(dǎo)模共振效應(yīng)，由襯底、大折射率波導(dǎo)層和一維或二維亞波長(zhǎng)光柵組成，可設(shè)計(jì)為透射型或反射型。已有研究工作實(shí)現(xiàn)了GMRF在同一波長(zhǎng)下透射和反射模式的切換[21]，使其兼具一定的可調(diào)性。引入液晶將更大程度上拓展導(dǎo)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?qū)θ肷涔膺M(jìn)行0~π相位的自由調(diào)諧（圖2（c））?；诖嗽淼臑V波結(jié)構(gòu)可用于產(chǎn)生多基色。通過設(shè)計(jì)三原色對(duì)應(yīng)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(duì)稱的二維方格光柵作為亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，其具有偏振無關(guān)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(gòu)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而誘發(fā)液晶分子發(fā)生等溫相變，實(shí)現(xiàn)共振光譜的遷移[24]，具體機(jī)理如圖2（e）所示。這樣的調(diào)諧具有可逆性，并且正常情況下光學(xué)特性能夠保持穩(wěn)定，豐富了液晶的相變誘導(dǎo)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(diào)諧導(dǎo)模諧振濾波器示意圖[23]；（c）在不同的外加電壓下，經(jīng)過液晶偏振旋轉(zhuǎn)器的線性偏振反射光的透射率極坐標(biāo)圖[23]；（d）染料摻雜液晶全光偏振無關(guān)的可調(diào)導(dǎo)模共振濾波器[24]；（e）由甲氧基偶氮苯染料的順反異構(gòu)轉(zhuǎn)化引起液晶從N相到I相的等溫相變的機(jī)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(xué)超表面

光學(xué)超表面是超材料在二維平面上的應(yīng)用，其能夠在界面處產(chǎn)生入射光的相位突變來調(diào)控光場(chǎng)，易于通過人為設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)特定的電磁性能[25]。超表面具有高度共振性質(zhì)，即調(diào)整結(jié)構(gòu)表面的電響應(yīng)和磁響應(yīng)就可以改變它的共振頻率響應(yīng)，諧振頻率對(duì)于周圍介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率變化敏感[26]。全介質(zhì)超表面的出現(xiàn)大大提升了光學(xué)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(chǎn)生電磁共振，透射率可達(dá)80%以上，可以實(shí)現(xiàn)完美反射和異常光學(xué)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(gòu)成透射型全介質(zhì)超表面可調(diào)諧光學(xué)器件，其中填充1.5μm厚的 液晶[29]。具有中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的TiO2超表面與向列相液晶結(jié)合后表現(xiàn)出偏振相關(guān)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(shù)的變化，磁共振位置發(fā)生了紅移，且其較電共振位置的藍(lán)移更為明顯，如圖3（b）所示。此結(jié)構(gòu)共振位置調(diào)諧范圍約為20 nm，傳輸效率達(dá)65%以上。該研究還發(fā)現(xiàn)液晶分子存在錨定效應(yīng)，濾波結(jié)構(gòu)的調(diào)諧作用可通過對(duì)準(zhǔn)液晶分子和納米盤顆粒得以進(jìn)一步改善。硅納米超表面在紅外波段內(nèi)具有良好的傳輸效率[30]，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3（c）所示。利用溫度控制液晶分子的重定向，工作機(jī)理與前述TiO2超表面類似，當(dāng)N相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)镮相液晶時(shí)，電共振和磁共振的差異顯著擴(kuò)大，電共振位置最大調(diào)諧范圍達(dá)40 nm，有望應(yīng)用于激光光束的動(dòng)態(tài)切換。

圖3 （a）涂有ITO的玻璃襯底夾有液晶滲透的電可調(diào)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(diào)諧下的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(wěn)定性，相變可逆且轉(zhuǎn)變速度快（晶化時(shí)間約為10?8s），是一種重要的光電相變材料。GST具有非晶態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)面心立方結(jié)構(gòu)和穩(wěn)態(tài)六方密排結(jié)構(gòu)3種相態(tài)，可人為誘導(dǎo)相變發(fā)生，過程伴隨較為穩(wěn)定、迅速的物理性能變化，且光學(xué)性能差異顯著。實(shí)驗(yàn)測(cè)得GST 3種相態(tài)的介電常數(shù)和吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)系如圖4（a）~4（b）所示[31]?；贕ST的物理性質(zhì)，研究人員成功設(shè)計(jì)了光開關(guān)元器件[32,33]、三態(tài)存儲(chǔ)的光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器[34]等。

圖4 （a）GST不同相態(tài)下介電常數(shù)與光子能量的關(guān)系[31]；（b）GST不同相態(tài)下吸收系數(shù)與光子能量的關(guān)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(xué)Harish研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)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(jié)合使用，電流誘導(dǎo)GST層在非晶和晶相間轉(zhuǎn)變，使濾波性能產(chǎn)生顯著差異。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)出的集成全光子非易失性多級(jí)存儲(chǔ)器[36]（圖5（b））及具有多個(gè)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?yōu)V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(jí)存儲(chǔ)器[36]；（c）集成光子突觸示意圖[37]；（d）基于相變材料的光學(xué)可重構(gòu)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(chǔ)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(shí)驗(yàn)證明一定序列的飛秒脈沖光激發(fā)可誘導(dǎo)它發(fā)生可逆相變，證實(shí)了光激發(fā)設(shè)計(jì)GST晶化點(diǎn)陣的可行性。結(jié)合飛秒激光的可控性，直接在相變層中進(jìn)行光學(xué)濾波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使元件濾波的可調(diào)性大幅提高，促進(jìn)了可調(diào)濾波功能的高度集成化，解決了不同應(yīng)用場(chǎng)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(xué)相變材料，它具有緣體相和金屬相兩種相態(tài)，在68°C附近VO2可以通過光、電、熱等激勵(lì)完成從低溫絕緣相到高溫金屬相的轉(zhuǎn)變，并且反向相變可由溫度降低直接實(shí)現(xiàn)，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(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大變化，可用于設(shè)計(jì)光學(xué)可調(diào)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(tǒng)[39]，該系統(tǒng)由一個(gè)濾波器和一個(gè)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(duì)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(tài)切換，進(jìn)而控制輻射是否通過器件，以實(shí)現(xiàn)該濾波器件輻射冷卻功能的可調(diào)性?；陬愃圃碓O(shè)計(jì)出的一種新型熱可調(diào)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(shí)現(xiàn)了90%的吸收帶寬范圍變化，同時(shí)也保持了良好的器件濾波性能。

傳統(tǒng)的亞波長(zhǎng)成像技術(shù)較依賴于幾何固定的電磁諧振，其實(shí)際操作范圍被限制在單個(gè)頻率或窄帶上[41]，而通過VO2相變實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)調(diào)整諧振響應(yīng)可解決復(fù)雜情況下的帶寬受限問題。二氧化釩混合式開環(huán)諧振裝置（Split Ring Resonator-VO2，SRR-VO2）[42]是一種較為典型的VO2動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波器件，結(jié)構(gòu)如圖6（c）所示，其中的開環(huán)諧振環(huán)（SRR）對(duì)平面電場(chǎng)、外磁場(chǎng)產(chǎn)生共振響應(yīng)，這也是電磁超材料結(jié)構(gòu)較為常見的工作方法[43]。由于SRR間隙的共振頻率對(duì)環(huán)境介電常數(shù)高度敏感，憑借VO2的相變可進(jìn)一步調(diào)整遠(yuǎn)紅外共振頻率，從而大幅提升了微波諧振可調(diào)范圍。

除了對(duì)器件微觀結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，近些年，許多研究也在不斷改進(jìn)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(jìn)行W摻雜[44]（圖6（d））可使其在臨界溫度29℃時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的太陽(yáng)光調(diào)制能力，滿足了柔性薄膜在環(huán)境溫度下的高光學(xué)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(shù)（Molecular Beam Epitaxy，MBE）對(duì)VO2薄膜厚度進(jìn)行精準(zhǔn)控制[45]，提升了器件動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波性能（圖6（e））。上述這些研究為動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波器件提供了材料工藝領(lǐng)域的突破，對(duì)未來的VO2濾波器件結(jié)構(gòu)的改進(jìn)升級(jí)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(tǒng)[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(diào)寬帶吸收器示意圖[40]；（c）VO2混合式開環(huán)諧振裝置示意圖[42]；（d）聚對(duì)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(shù)在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)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(xué)相變材料的優(yōu)異光電性能也在不斷被挖掘，成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

鈣鈦礦材料尤其是鉬酸鹽材料，能隨電場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)相變。實(shí)驗(yàn)證明，鈣鈦礦材料SmNiO3[46]（圖7（a））在可見光到中長(zhǎng)波紅外（400 nm~17μm）的超寬光譜范圍內(nèi)，隨電場(chǎng)改變表現(xiàn)出較大且可逆 的折射率變化，并且相態(tài)轉(zhuǎn)變可由電子摻雜水平控制，例如利用嵌鋰、脫嵌鋰在H2、O3環(huán)境下對(duì)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(jié)合得到了圖7（b）~7（c）的結(jié)構(gòu)[46]，經(jīng)模擬分析：在400~2 500 nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，200 nm SmNiO3薄膜的光學(xué)透射率均值可在0.05~0.6之間連續(xù)變化（圖7（d）），顯示出此類鈣鈦礦材料在可調(diào)濾波領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

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(jié)構(gòu)圖[46]；（d）模擬得到的SmNiO3薄膜器件、Pt光柵結(jié)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(gòu)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(dòng)態(tài)可調(diào)濾波功能和光伏功能結(jié)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(jī)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(xué)性質(zhì)差異，研究人員設(shè)計(jì)了一種多層膜結(jié)構(gòu)[47]。該結(jié)構(gòu)極大地提升了太陽(yáng)能的電池?zé)岱€(wěn)定性和環(huán)境穩(wěn)定性，基于它制備的光伏玻璃可通過溫控進(jìn)行顏色調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了相變技術(shù)和濾波可調(diào)功能的統(tǒng)一。

2.1.2 基于化學(xué)反應(yīng)的可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)

可調(diào)濾波功能也可通過化學(xué)反應(yīng)生成新的物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。電致變色器件[48]基于電化學(xué)的相關(guān)原理，類似于可充電電池，通過電驅(qū)動(dòng)控制濾波結(jié)構(gòu)的顏色變化。在目前的電化學(xué)動(dòng)態(tài)可調(diào)光學(xué)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(jié)構(gòu)方面，關(guān)于WO3最早的研究工作可以追溯到第一個(gè)基于電化學(xué)原理的無機(jī)材料電致變色器件[49]，這種設(shè)計(jì)也逐漸發(fā)展為成熟的玻璃/ITO/NiOx/Li＋導(dǎo)體/ WO3/ITO互補(bǔ)型五層膜器件。

如圖8（a）所示，研究人員將鍍鉑的透明導(dǎo)電氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）涂層玻璃作為電極[50]，電解質(zhì)中包含的Li+和氧化還原對(duì)（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(fā)生氧化還原反應(yīng)被漂白，實(shí)現(xiàn)WO3層的可調(diào)濾波。該器件結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐饷魧又苯映练e在電致變色層上，漂白和著色過程相互獨(dú)立，使器件光學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變速率得到提高。

隨著材料制備技術(shù)的不斷發(fā)展，WO3的電化學(xué)原理及其變色功能相結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)也有了相應(yīng)的突破。例如，通過熱蒸發(fā)和電沉積方法可制備出大面積的電致變色儲(chǔ)能雙功能玻璃窗[51]（圖8（b）），該器件表現(xiàn)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(fā)生明顯變色，且工藝簡(jiǎn)單，大大降低了制備成本。

在濾波結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)化中，利用琺布里-珀羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)P）腔體和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合[53]的研究是一種更具靈活性的動(dòng)態(tài)顯示方法。該項(xiàng)研究利用光刻技術(shù)制備出一種使用復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的FP腔，如圖8（c）所示，此結(jié)構(gòu)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(tài)（Mg）和氫化物態(tài)（MgH2）之間可逆轉(zhuǎn)變。當(dāng)Mg完全發(fā)生

圖8 （a）新型電致變色器件設(shè)計(jì)[50]；（b）結(jié)合電致變色和能量?jī)?chǔ)存的偽電容玻璃窗的器件制備和工作原理[51]；（c）FP腔結(jié)合化學(xué)反應(yīng)的設(shè)計(jì)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(shí)，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(tài)改變，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波功能。

2.1.3 基于石墨烯的可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)

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

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(shí)現(xiàn)，電子的帶內(nèi)躍遷占據(jù)主導(dǎo)地位。器件中石墨烯超表面的電導(dǎo)率可利用物理模型推導(dǎo)并通過簡(jiǎn)化與假設(shè)得到[54-55]：

式中，Γ為載流子散射率，D為Drude質(zhì)量。另外，費(fèi)米能級(jí)EF和Drude質(zhì)量均和費(fèi)米速度VF密切相關(guān)，它們之間的關(guān)系如下：

以上兩式中n為載流子濃度?？梢姡ㄟ^改變石墨烯薄層的費(fèi)米能級(jí)能夠引起載流子濃度以及電導(dǎo)率的變化，從而調(diào)節(jié)材料對(duì)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(jié)構(gòu)器件[56]，該器件由石墨烯超表面和金屬柵極支撐的電介質(zhì)襯底構(gòu)成。依據(jù)上述理論模型可推導(dǎo)出費(fèi)米能級(jí)與外加電壓存在這樣的關(guān)系：

其中，Cαx為金屬柵極電容，Vg為外接?xùn)艠O電壓。外加電壓能夠引起石墨烯的費(fèi)米能級(jí)和超表面電導(dǎo)率的變化，這為研究人員提供了一種電控調(diào)制太赫茲波的方法。其應(yīng)用將隨著工藝方法的改進(jìn)逐漸向高性能電控太赫茲器件方向發(fā)展，可用于設(shè)計(jì)超緊湊型波吸收器、相移平面、人工磁導(dǎo)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(xué)濾波器件領(lǐng)域有所展現(xiàn)，這類器件與太赫茲光學(xué)器件最大的不同在于石墨烯超表面的電導(dǎo)率需要考慮電子的帶間躍遷和帶內(nèi)躍遷[57]兩部分的貢獻(xiàn)。一種基于石墨烯超材料的可協(xié)調(diào)寬帶交叉極化轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)[58]（圖9（b））能夠?qū)⒕€偏振光在反射模式下轉(zhuǎn)換為交叉偏振。該結(jié)構(gòu)包含了一個(gè)L型的單層石墨烯和一個(gè)100 nm的金板陣列，只需通過靜電門控來改變費(fèi)米能級(jí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整中紅外偏振轉(zhuǎn)換及實(shí)現(xiàn)寬帶效應(yīng)?；诮饘佟┏牧系膭?dòng)態(tài)可調(diào)雙帶阻濾波器設(shè)計(jì)[59]是一種新型的中紅外區(qū)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(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見圖9（c）。研究人員在兩金屬焊盤間施加電壓調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)進(jìn)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(xué)濾波可調(diào)的同時(shí)還可滿足高效帶通傳輸?shù)囊?。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(diào)節(jié)方式。此研究表明改變石墨烯納米膜的層數(shù)，能夠成功調(diào)節(jié)濾波器的最小透過率、阻帶寬度和阻帶中心波長(zhǎng)。

圖9 （a）一種典型的石墨烯超材料納米結(jié)構(gòu)器件示意圖[56]；（b）基于L形石墨烯超材料的器件設(shè)計(jì)[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(diào)濾波結(jié)構(gòu)

微流控芯片被列為“改變未來的七種技術(shù)之一”，又稱微流控芯片實(shí)驗(yàn)室，指在微米量級(jí)的通道內(nèi)對(duì)小體積的液體樣品進(jìn)行處理操作，芯片大小僅為幾個(gè)厘米，具有體積小、兼容性強(qiáng)、檢測(cè)效率高、使用成本低等眾多優(yōu)勢(shì)[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(shù)，在基片上刻畫微流體通道（圖10（a））。微流控通道內(nèi)液體的折射率有較強(qiáng)的可操縱性，成為設(shè)計(jì)可調(diào)濾波的又一出發(fā)點(diǎn)。圖10（b-c）是雙亞波長(zhǎng)光柵和中間的微流控通道組成的夾層結(jié)構(gòu)[62]，液體折射率由濃度和流速控制，以此改變光柵結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)。該研究工作的分析模擬結(jié)果顯示，此結(jié)構(gòu)波長(zhǎng)調(diào)諧范圍可達(dá)28 nm，靈敏度S或?qū)⒊^350 nm·RIU?1（Refractive Index Unit），品質(zhì)因數(shù)高達(dá)50 000，光學(xué)性能較為理想。研究人員還將TiO2超表面嵌入微流控芯片，設(shè)計(jì)出反射型可調(diào)諧濾波結(jié)構(gòu)[63]。對(duì)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(shù)，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(xué)表面的耦合展示出巨大的應(yīng)用價(jià)值。例如填充液態(tài)金屬的L型諧振器能夠?qū)⒎瓷涔廪D(zhuǎn)換為線性、圓形、橢圓形等3種偏振態(tài)[64]（結(jié)構(gòu)如圖10（c）所示）以及通過反射光譜檢測(cè)微流控通道內(nèi)液體的種類和濃度[65]等。圖10（e）為多功能偏振轉(zhuǎn)換器。

圖10 （a）填充液體后的微流控亞表面[65]；基于亞波長(zhǎng)光柵的微流控通道可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)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(gè)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(qū)介質(zhì)折射率，nl為微流體通道內(nèi)流體折射率；（d）在不同溶劑環(huán)境中，采用明場(chǎng)顯微鏡觀察二氧化鈦表面的反射顏色[63]；（e）多功能偏振轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)

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(xué)器件，其基本結(jié)構(gòu)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(zhǎng)的入射光透過平板進(jìn)入FP腔時(shí)發(fā)生穩(wěn)定的多光束諧振以及高能量透射，入射光波長(zhǎng)λm應(yīng)滿足干涉條件其中d為FP腔長(zhǎng)度，n為琺珀腔介質(zhì)折射率，m（m=1,2,3,...）為干涉等級(jí)，θ為入射角。波長(zhǎng)非λm的入射光則會(huì)在FP腔中衰減至消失，從而達(dá)到濾波目的。

傳統(tǒng)琺珀濾波器由于自身結(jié)構(gòu)局限性難以實(shí)現(xiàn)大范圍的波段調(diào)制。將微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)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(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)琺珀濾波器的動(dòng)態(tài)調(diào)制性能，如今已得到了廣泛的研究，驅(qū)動(dòng)方式為靜電驅(qū)動(dòng)[66]、熱驅(qū)動(dòng)[67]、壓電驅(qū)動(dòng)[68]等。由于靜電驅(qū)動(dòng)方式具有易加工、響應(yīng)速率高和閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，該領(lǐng)域中已報(bào)道的驅(qū)動(dòng)方法主要以靜電驅(qū)動(dòng)為主。

基于MEMS相關(guān)技術(shù)，研究人員研制了一種靜電驅(qū)動(dòng)式的濾波可調(diào)琺珀濾波器[66]（圖11（a）），對(duì)可移動(dòng)薄膜支撐的頂部平面和底部基座施加電壓，可移動(dòng)薄膜在靜電驅(qū)動(dòng)力下會(huì)發(fā)生形變導(dǎo)致FP腔長(zhǎng)度的變化，從而實(shí)現(xiàn)濾波可調(diào)。為保證FP腔中兩平板的平行穩(wěn)定性，該器件提供了一種高度集成且調(diào)諧范圍大的Z型臂橋結(jié)構(gòu)。通過多物理場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn)：在最大驅(qū)動(dòng)電壓25.5 V下，厚度為500 nm、尺寸為80μm×80μm的可移動(dòng)Z型臂橋薄膜能夠保持平行穩(wěn)定性，進(jìn)而使橋面整體應(yīng)力分布均勻（圖11（b）），實(shí)現(xiàn)了3~5μm的寬可調(diào)工作波長(zhǎng)范圍。

德國(guó)英福泰克公司（InfraTec）是氣體分析用可調(diào)濾波器的主要研究機(jī)構(gòu)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(shù)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(jié)合之前靜電驅(qū)動(dòng)式的MEMS器件設(shè)計(jì)了一個(gè)可移動(dòng)反射鏡的可調(diào)濾波器，在波長(zhǎng)調(diào)制范圍為2.5~5μm的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了三階至五階的干涉。芬蘭國(guó)家技術(shù)研究中心（VTT）開發(fā)了琺珀濾波器兩種不同的工藝方法：基于微光機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Optoelectro-Mechanical Systems，MOEMS）的芯片和通過壓電驅(qū)動(dòng)的分離式濾波可調(diào)琺珀濾波器（圖12（a）、12（b））[70]。依托這兩項(xiàng)技術(shù)，VTT不斷地?cái)U(kuò)大MOEMS-琺珀濾波器的波長(zhǎng)適用范圍，為琺珀濾波器技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化提供了高性能的解決方案。

圖11 （a）可調(diào)琺珀濾波器的MEMS結(jié)構(gòu)橫截面圖[66]；（b）Z型壁橋在25.5 V靜電力驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)式動(dòng)態(tài)濾波可調(diào)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(chǎn)的MOEMS模塊[70]；（b）中小批量生產(chǎn)的壓電驅(qū)動(dòng)式可調(diào)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(diào)諧超表面以提高動(dòng)態(tài)可調(diào)琺珀濾波器性能的設(shè)計(jì)是近幾年的熱門研究方向?；诳烧{(diào)鋁基超表面（Tunable Al-based Metasurface，TAM）和可調(diào)鈮酸鋰超表面（Tunable LN-based Metasurface，TLNM）的琺珀濾波器設(shè)計(jì)[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(shè)計(jì)中沒有確定的改變間隙距離g的MEMS驅(qū)動(dòng)方式，但通過時(shí)域有限差分法進(jìn)行模擬可得，在間隙值g調(diào)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(fā)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(jié)構(gòu)有望應(yīng)用于高分辨顯示、高光譜成像及高效可調(diào)光學(xué)吸收等領(lǐng)域。

2.2.2 微納可調(diào)光柵

微納可調(diào)光柵是另一種較為典型的動(dòng)態(tài)式可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)，可通過多種驅(qū)動(dòng)手段調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)研究通過動(dòng)態(tài)地修改這3個(gè)重要的光學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)性能可調(diào)。

最早實(shí)現(xiàn)的可調(diào)方式是相位調(diào)節(jié)，其工作原理是外加驅(qū)動(dòng)力使得相鄰光柵面之間產(chǎn)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(zhǎng)，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(diào)光柵的典型代表（圖13（a）），它是光學(xué)反射元件，在其6個(gè)反射條中，有3個(gè)是可動(dòng)條，不加電壓時(shí)光柵光閥處于平面狀態(tài)，將入射光完全反射；外加電壓時(shí)，可動(dòng)條的反射面在靜電力的作用下進(jìn)行上下移動(dòng)，成為一個(gè)相位光柵，如圖13（b）。光柵光閥可靠性高、成本低、響應(yīng)速度快，已經(jīng)被應(yīng)用于高速光衰減器、光開關(guān)、顯示器、投影儀等多種領(lǐng)域[73]。

圖13 （a）基本的光柵光閥結(jié)構(gòu)[73]；（b）光柵光閥的反射狀態(tài)和衍射狀態(tài)[73]；（c）PDMS閃耀透射光柵二維等密度拉伸模型[74]；（d）主動(dòng)調(diào)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(zhuǎn)光柵閃耀角可以改變閃耀波長(zhǎng)，方式包括靜電驅(qū)動(dòng)、熱驅(qū)動(dòng)和機(jī)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(zhǎng)可調(diào)光柵[74]。PDMS具有良好的彈性和耐久性，被用作硬質(zhì)材料光學(xué)元件的替代品。利用PDMS穩(wěn)定的拉伸比，研究人員在光柵的兩個(gè)方向上施加應(yīng)變，改變凹槽形狀的同時(shí)有效固定了光柵周期。當(dāng)y軸方向伸長(zhǎng)率為20%，x軸方向伸長(zhǎng)率為5.2%時(shí)，可以保持光柵密度不變，閃耀角的最大調(diào)節(jié)范圍為1.33°，+1階閃耀波長(zhǎng)紅移42.3 nm。圖13（d）所示的主動(dòng)調(diào)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(diào)范圍達(dá)22.8 nm[75]。

近幾年周期可調(diào)光柵成為研究者的關(guān)注點(diǎn)[76-80]。相關(guān)工作嘗試運(yùn)用可變形滑動(dòng)技術(shù)設(shè)計(jì)可調(diào)諧光柵器件，如圖14（a），由彈性金屬合金對(duì)布拉格光柵施加軸向應(yīng)變，改變中心波長(zhǎng)和光譜響應(yīng)曲線，實(shí)驗(yàn)得到了大約50 nm的中心波長(zhǎng)偏移調(diào)諧范圍[76]。另外的驅(qū)動(dòng)方式還有梳狀驅(qū)動(dòng)制動(dòng)器拉伸[80]，光柵形成一個(gè)折疊彈簧，一端連接波導(dǎo)錐，一端連接梳狀制動(dòng)器，由梳狀制動(dòng)器擴(kuò)大光柵齒距，改變周期的同時(shí)增大了光柵的出射角（圖14（b）），結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖14（c）所示。除上述驅(qū)動(dòng)方式之外，還有電致變色聚合物的伸縮調(diào)節(jié)[77]、紅外激光器驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)[78]等。隨著微納光柵編程控制的發(fā)展和光學(xué)有限元仿真軟件的應(yīng)用，研究人員能夠通過精確設(shè)計(jì)光柵器件的預(yù)期變形、閃耀、光柵周期等結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到預(yù)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(dòng)結(jié)構(gòu)[76]；（b）可調(diào)光柵的工作原理[80]；（c）梳狀制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(jié)與展望

如今，可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)已經(jīng)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(yīng)濾波的實(shí)現(xiàn)任重道遠(yuǎn)。濾波結(jié)構(gòu)在材料選擇上就面臨巨大挑戰(zhàn)，光學(xué)元件選材往往要求嚴(yán)苛，例如，超材料需要具有較大的折射率實(shí)部和極小的折射率虛部才能夠降低損耗，保證光學(xué)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(diào)濾波的重要結(jié)構(gòu)液晶具有揮發(fā)性，難以保持持久穩(wěn)定的光學(xué)性能等等。從可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)的性能上看，一些器件功能材料的化學(xué)、物理穩(wěn)定性上也有待提升，例如薄膜器件易氧化、硫化，對(duì)振動(dòng)、沖擊的抵抗能力差；金屬等離子體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)目前還達(dá)不到理想的光學(xué)效率，帶有很強(qiáng)的偏振依賴性。另外，多數(shù)結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)效率較低，將影響到整體系統(tǒng)的工作效能[2]。在制備裝配工藝方面，納米級(jí)別的濾波結(jié)構(gòu)對(duì)生產(chǎn)工藝的要求復(fù)雜，需要達(dá)到微納級(jí)別的精度，保證批產(chǎn)的性能穩(wěn)定性，并且往往涉及濾波結(jié)構(gòu)的定制加工，造成微納光學(xué)元件生產(chǎn)難度大、成本高、量產(chǎn)困難；濾波結(jié)構(gòu)與探測(cè)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(zhàn)，若要進(jìn)一步滿足微納結(jié)構(gòu)可拆卸替換的要求，裝配工藝也必須不斷發(fā)展前進(jìn)。

未來可調(diào)濾波器件的一大研究方向是進(jìn)一步改善功能材料的物理化學(xué)性能，解決器件工業(yè)化生產(chǎn)的需求，同時(shí)保持較高的器件性能。在動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波的驅(qū)動(dòng)方式上，目前所實(shí)現(xiàn)的可調(diào)濾波大都是單一方向的動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波，后續(xù)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(shù)量[82]，但實(shí)現(xiàn)高效的多方向動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波仍有較大難度。對(duì)于利用磁電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)可調(diào)濾波而言，可以通過對(duì)超材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的磁電光效應(yīng)進(jìn)而提高動(dòng)態(tài)濾波性能[83]；在靜態(tài)可調(diào)濾波領(lǐng)域，可嘗試設(shè)計(jì)多層介質(zhì)膜光柵的介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)光學(xué)性能可調(diào)等。隨著MEMS技術(shù)及新材料的飛速發(fā)展，可調(diào)濾波結(jié)構(gòu)將不斷向高性能濾波可調(diào)的道路邁進(jìn)，同時(shí)也會(huì)與圖像處理、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能優(yōu)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(jié)構(gòu)，在健康監(jiān)測(cè)、智能制造、無人系統(tǒng)等多應(yīng)用場(chǎng)景下發(fā)揮可調(diào)濾波的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。