可调微纳滤波结构的研究进展

余晓畅，许雅晴，蔡佳辰，袁梦琦，高 博，虞益挺*

（1. 西北工业大学深圳研究院，广东 深圳 518057；2.西北工业大学机电学院，空天微纳系统（教育部）重点实验室，陕西省微纳机电系统重点实验室，陕西西安710072；3.西北工业大学教育实验学院，陕西西安710072；4.中国科学院光谱成像技术重点实验室，陕西西安710119）

† 共同贡献作者

1 引 言

随着新一轮世界科技革命和军事变革的蓬勃兴起，信息化、智能化正在加速演进。其中，探测识别技术这一“火眼金睛”成为信息获取的重要保证。早在20世纪50年代，美国便开始部署预警探测系统，大力发展目标识别技术[1]。在众多探测识别方法中，光谱成像技术因其可在获取空间信息的同时得到表征目标纹理特征的光谱信息[2]，成为高效精准识别的“利器”。

滤波和成像是光谱成像的两大关键核心。传统的光谱成像系统大多采用分光元件和探测器分立集成的方式，体积较大、工作模式固定。随着微纳加工技术的不断发展，微纳滤波结构的性能也不断优化。利用亚波长结构对光场进行精准高效的调控，为光谱成像系统的微型化、集成化、定制化创造了可能。形式丰富的固定式微纳滤波结构，如微纳光栅[3-4]、金属圆盘[5-6]、互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）[7-8]、金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）结构[9-10]、全介质[4,11-13]等，能够实现像素级的滤波分光和颜色定义，具有较好的稳定性，但是一旦制备成功，滤波特性即被固定[14]，无法根据实际场景灵活改变。为突破固定式微纳滤波结构的局限、满足实际的功能需要、拓宽应用领域，可调微纳滤波结构要持续进行迭代更新。它具有动态滤波和显像的能力，与传统的液晶可调滤波器和声光可调滤波器相比，尺寸更小，便于和成像器件深度集成，有望彻底挖掘成像系统的潜在功能，实现自适应、智能化的终极目标[2]。

本文综述了近些年来可调微纳滤波结构的研究进展，分析了可调滤波方法及工作原理，介绍了填充液晶、采用相变材料、诱导化学反应等数种实现结构静态可调滤波的途径；阐述了珐珀腔、微纳可调光栅等结构动态可调的滤波方法以及机械拉伸、静电驱动、光驱动等实现手段。此外，本文还介绍了基于微流控芯片、石墨烯的创新型可调滤波研究工作。实际上，想要在纳米尺度设计出光学性能可调、显像效果理想的滤波结构仍然面临着巨大挑战，可调微纳滤波在工作原理、器件性能、材料特性等方面还有许多要攻克的难题[2]，本文延伸讨论了可调微纳滤波的技术难点、应用潜力和未来的发展趋势。

2 可调微纳滤波原理

在已有的研究中，设计可调微纳滤波结构的思路大致有两类：一类是滤波结构的几何参数固定不变，调节滤波结构中部分光学元件的光学特性，这种称为静态可调滤波，如将折射率电压可控的有机光电材料与固定式滤波结构相组合[15]；另一类是对滤波结构的光学元件施加驱动力以调整结构的几何参数，从而改变滤波性能，这种称为动态可调滤波，如静电力驱动改变微纳光栅周期等。

2.1 静态可调滤波结构

2.1.1 基于相变材料的可调滤波结构

相变类材料的原子排列可被热、电、光等多种激励方式诱导，发生快速、可逆变化。发生相变的同时，光电性质也随之改变，通常具有可控制性和非线性光学特性。多数研究工作尝试利用相变材料打破传统滤波结构光学选频不可调控、显像单一的局限。以液晶、锗锑碲（GeSbTe，GST）、二氧化钒（VO2）、钙钛矿类等光电化合物为代表的材料得到广泛关注。

2.1.1.1 液晶材料

液晶具有典型的各向异性（N相液晶）和各向同性（I相液晶），液晶分子的取向可由电压和温度控 制，相变宏观上改变了液晶的折射率和介电常数。更值得关注的是，向列相液晶具有两个不同的主折射率：普通折射率no和非常折射率ne，导致电极化（TE）偏振光和磁极化（TM）偏振光在液晶中传播产生速度差异，使二者产生相位差γ=2πΔnt/λ（Δn=ne−no为液晶的双折射率，t为液晶层厚度），改变光波的偏振状态。当波长 λ固定时，相位差则由液晶层的双折射率和厚度决定[16]。下文将介绍多种具有代表性的液晶可调滤波方法和最新研究状况。

（1）等离子体结构

等离子体纳米结构具有独特的光学、物理性质，尤其在等离子体激元学说建立之后，得到了学术界的广泛关注，发展迅猛。表面等离子体由入射光波在金属表面引起的自由电子共振激发产生[17]，并且受电磁响应影响，其结构本身对周围环境的介电常数敏感。金属纳米孔阵列是典型的等离子体纳米结构，其光学透射性取决于阵列周期、孔径形状尺寸、材料种类以及环境介电常数等，与液晶结合得到了多种滤波色彩（图1，彩图见期刊电子版）。例如，将具有非对称晶格的矩形铝纳米孔阵列与氧化铟锡（ITO）玻璃衬底结合共同构成电极，电极之间填充液晶层，ITO后添加输出分析仪[18]，如图1（a）所示。铝纳米孔阵列起到偏振和滤波的作用，液晶的双折射率受到外加电压控制，输出分析仪最终选择性滤波。可调机理如图1（b）所示，输出分析仪对等离子体滤波和液晶调制的效果进行了分析。与上述滤波机理相似，等离子体谐振器和液晶盒相结合构成的电可调谐滤波器[19]如图1（c）所示，该结构可使等离子体谐振器的滤波色域与液晶诱导的透射色域实现互补，覆盖了RGB滤光器70%以上的光谱范围。

相较上述滤波结构，反射型纳米孔薄膜的设计简单，实现方便。如图1（d）所示，液晶填充于氧化铝薄膜孔内，表面镀有的金层可增强等离子体共振效应[20]。此结构的反射波长源于薄膜干涉，波长方程为：mλ=2nlcosθ（m为干涉阶数，θ为光的入射角，n为空气与氧化铝薄膜组成介质层的有效折射率，l为薄膜厚度）。该工作对不同孔隙度p下的反射光谱进行了研究，p=0.78时，可以观测到I相液晶光谱（70℃）较N相液晶光谱（30℃）产生了20 nm的红移，较小p值下的N、I相液晶的反射光谱则几乎重合。

图1 （a）偏振旋转器控制的亚表面非对称晶格纳米孔阵列示意图[18]；（b）不同电压下的颜色输出：（1）没有输出分析器；（2）输出分析器与纳米孔晶格正交；（3）输出分析器与纳米孔晶格成135°；（4）输出分析器与纳米孔晶格成45°[16]；（c）电可调谐滤波器构成：A为入口偏振器、B为等离子体纳米结构、C为四分之一波板、D为具有主延迟轴的液晶电池、E为具有固定取向的偏振器[19]；（d）液晶等离子体纳米孔薄膜[20]；（e）液晶铝纳米光栅电池的原理图[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]

金属微纳光栅可用作色散媒介来设计透射型滤波结构，结构自身的光学特性主要由光栅周期和占空比决定。图1（e）是由铝纳米光栅、向列相液晶和ITO衬板结合而成的电池结构[14]。光栅对TE偏振光产生衍射和波导效应，衍射波长的透射峰为λ =pni（p为 光栅周期，ni为周围介质的折射率），其中，nLC=ne；对于TM偏振光，光栅的工作原理是激发等离子激元，由于存在能量损失，透射光谱产生共振谷和εi分别为金属光栅和周围介质的介电常数），其中相关结果见图2（彩图见期刊电子版）。该结构利用液晶对入射光的偏振旋转效应会引起光栅透射光谱的变化，如图2（a）所示，并且外加电压在2~4 V内调节便可覆盖较宽的光谱范围。

（2）导模谐振滤波器

导模谐振滤波器（Guided-Mode Resonance Filter，GMRF）是的一种性能优越的窄带滤波器。它 基于导模共振效应，由衬底、大折射率波导层和一维或二维亚波长光栅组成，可设计为透射型或反射型。已有研究工作实现了GMRF在同一波长下透射和反射模式的切换[21]，使其兼具一定的可调性。引入液晶将更大程度上拓展导模谐振滤波器的工作性能。在反射型的GMRF中添加压控分析仪[22-23]（图2（b）），外加0~4.1 V的电压，能够对入射光进行0~π相位的自由调谐（图2（c））。基于此原理的滤波结构可用于产生多基色。通过设计三原色对应的光栅周期和入射偏振角，继而改变电压的通断即可得到6种基色，为新一代显示器提供思路。图2（d）中的透射型GMRF则是利用高度对称的二维方格光栅作为亚波长结构，其具有偏振无关性。此外，该工作采用染料掺杂型液晶，通过紫外光束和绿色光束照射，引起液晶中掺杂染料顺反异构的转变，进而诱发液晶分子发生等温相变，实现共振光谱的迁移[24]，具体机理如图2（e）所示。这样的调谐具有可逆性，并且正常情况下光学特性能够保持稳定，丰富了液晶的相变诱导手段。

图2 （a）在不同外加电压下液晶铝光栅滤波器的的透射色彩[14]；（b）可调谐导模谐振滤波器示意图[23]；（c）在不同的外加电压下，经过液晶偏振旋转器的线性偏振反射光的透射率极坐标图[23]；（d）染料掺杂液晶全光偏振无关的可调导模共振滤波器[24]；（e）由甲氧基偶氮苯染料的顺反异构转化引起液晶从N相到I相的等温相变的机理模型[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）光学超表面

光学超表面是超材料在二维平面上的应用，其能够在界面处产生入射光的相位突变来调控光场，易于通过人为设计实现特定的电磁性能[25]。超表面具有高度共振性质，即调整结构表面的电响应和磁响应就可以改变它的共振频率响应，谐振频率对于周围介质的介电常数、电导率、磁导率变化敏感[26]。全介质超表面的出现大大提升了光学传输效率，取代了金属超表面。它基于米氏共振原理，由位移电流产生电磁共振，透射率可达80%以上，可以实现完美反射和异常光学折射（见图3，彩图见期刊电子版）[27-28]。研究人员将190 nm厚度的TiO2纳米盘沉积于ITO玻璃基板上（图3（a）），与另一玻璃基板构成透射型全介质超表面可调谐光学器件，其中填充1.5μm厚的 液晶[29]。具有中心对称结构的TiO2超表面与向列相液晶结合后表现出偏振相关特性，入射光与图3（a）中x轴的偏振夹角ϕ能够引起液晶有效折射率的改变，（其中，nx≈no+Δncosϕ、ny≈no+Δnsinϕ、nz=no）。在0~12 V的外加电压下，随着超表面液晶有效介电常数的变化，磁共振位置发生了红移，且其较电共振位置的蓝移更为明显，如图3（b）所示。此结构共振位置调谐范围约为20 nm，传输效率达65%以上。该研究还发现液晶分子存在锚定效应，滤波结构的调谐作用可通过对准液晶分子和纳米盘颗粒得以进一步改善。硅纳米超表面在红外波段内具有良好的传输效率[30]，结构设计如图3（c）所示。利用温度控制液晶分子的重定向，工作机理与前述TiO2超表面类似，当N相液晶转变为I相液晶时，电共振和磁共振的差异显著扩大，电共振位置最大调谐范围达40 nm，有望应用于激光光束的动态切换。

图3 （a）涂有ITO的玻璃衬底夹有液晶渗透的电可调透射型二氧化钛亚表面示意图[29]；（b）在从0到12 V不断增加的DC电压下，与x方向夹角为（1） ϕ=0°，（2）ϕ =45°以及（3）ϕ =90°的入射偏振光在液晶渗透的TiO2亚表面电调谐下的实验结果，其中红色曲线表示电共振位置、黄色曲线表示磁共振位置[29]；（c）集成到液晶盒中的硅纳米盘亚表面示意图[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)ϕ=0°,(2) ϕ=45°and(3) ϕ=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 锗锑碲相变材料

锗锑碲（GeSbTe，GST）具有良好的热稳定性，相变可逆且转变速度快（晶化时间约为10−8s），是一种重要的光电相变材料。GST具有非晶态、亚稳态面心立方结构和稳态六方密排结构3种相态，可人为诱导相变发生，过程伴随较为稳定、迅速的物理性能变化，且光学性能差异显著。实验测得GST 3种相态的介电常数和吸收系数与光子能量的关系如图4（a）~4（b）所示[31]。基于GST的物理性质，研究人员成功设计了光开关元器件[32,33]、三态存储的光学数据存储器[34]等。

图4 （a）GST不同相态下介电常数与光子能量的关系[31]；（b）GST不同相态下吸收系数与光子能量的关系[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]

牛津大学Harish研究团队设计了一种基于GST薄膜的多层器件[35]（图5（a）），该器件将GST薄膜层和ITO透明电极结合使用，电流诱导GST层在非晶和晶相间转变，使滤波性能产生显著差异。该团队后续设计出的集成全光子非易失性多级存储器[36]（图5（b））及具有多个离散GST材料的仿生片上光子突触[37]（图5（c））均采用了类似于上述低维相变滤波器件的框架。

图5 （a）ITO/ GST / ITO器件示意图[35]；（b）集成全光子非易失性多级存储器[36]；（c）集成光子突触示意图[37]；（d）基于相变材料的光学可重构超表面光子器件[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]

在光致相变的基础上，研究人员提出了一种新型介电超表面[38]（图5（d）），制备出覆盖有ZnSSiO2的70 nm厚度的GST膜，体积仅为0.2μm3。通过实验证明一定序列的飞秒脉冲光激发可诱导它发生可逆相变，证实了光激发设计GST晶化点阵的可行性。结合飞秒激光的可控性，直接在相变层中进行光学滤波结构设计，可使元件滤波的可调性大幅提高，促进了可调滤波功能的高度集成化，解决了不同应用场景下器件滤波功能受限的难题。

2.1.1.3 二氧化钒相变材料

莫特绝缘体二氧化钒（VO2）是一种具有代表性的光学相变材料，它具有缘体相和金属相两种相态，在68°C附近VO2可以通过光、电、热等激励完成从低温绝缘相到高温金属相的转变，并且反向相变可由温度降低直接实现，大大降低了元器件的相变难度。相变过程中，VO2薄膜的反射率、太赫兹波段的透过率等光学性质会发生较大变化，可用于设计光学可调器件。

基于VO2材料的相变属性，研究人员提出了一种新型的辐射冷却系统[39]，该系统由一个滤波器和一个VO2-Ge多层吸收器（VO2-Ge Multilayer Absorber，VGMA）组成。底部的VGMA（图6（a））中包含50对VO2-Ge多层薄膜，组成了周期性的梯形多层吸收器。通过温度控制VO2的相态切换，进而控制辐射是否通过器件，以实现该滤波器件辐射冷却功能的可调性。基于类似原理设计出的一种新型热可调宽带吸收器，如图6（b）所示，将多宽度的Cr-VO2子元件置于均匀Cr衬底表面[40]，利用VO2材料的相变实现了90%的吸收带宽范围变化，同时也保持了良好的器件滤波性能。

传统的亚波长成像技术较依赖于几何固定的电磁谐振，其实际操作范围被限制在单个频率或窄带上[41]，而通过VO2相变实现的实时调整谐振响应可解决复杂情况下的带宽受限问题。二氧化钒混合式开环谐振装置（Split Ring Resonator-VO2，SRR-VO2）[42]是一种较为典型的VO2动态可调滤波器件，结构如图6（c）所示，其中的开环谐振环（SRR）对平面电场、外磁场产生共振响应，这也是电磁超材料结构较为常见的工作方法[43]。由于SRR间隙的共振频率对环境介电常数高度敏感，凭借VO2的相变可进一步调整远红外共振频率，从而大幅提升了微波谐振可调范围。

除了对器件微观结构的创新，近些年，许多研究也在不断改进VO2的制备工艺，以提高薄膜器件的性能和使用寿命。例如，通过在柔性热致变色VO2薄膜中进行W掺杂[44]（图6（d））可使其在临界温度29℃时表现出优异的太阳光调制能力，满足了柔性薄膜在环境温度下的高光学性能要求，改善了器件工作的温度条件。采用分子束外延技术（Molecular Beam Epitaxy，MBE）对VO2薄膜厚度进行精准控制[45]，提升了器件动态可调滤波性能（图6（e））。上述这些研究为动态可调滤波器件提供了材料工艺领域的突破，对未来的VO2滤波器件结构的改进升级具有重要意义。

图6 （a）可控制辐射通过与否的辐射冷却系统[39]，由底部的VO2-Ge多层吸收器和顶部的滤波器组成；（b）基于VO2的热可调宽带吸收器示意图[40]；（c）VO2混合式开环谐振装置示意图[42]；（d）聚对苯二甲酸乙二酯衬底上未掺杂W和W掺杂的VO2薄膜图像；（e）使用MBE技术在蓝宝石衬底上生长的VO2薄膜的XRD图谱[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 钙钛矿相变材料

除了GST、VO2外，钙钛矿类光学相变材料的优异光电性能也在不断被挖掘，成为近几年的研究热点。

钙钛矿材料尤其是钼酸盐材料，能随电场变化实现相变。实验证明，钙钛矿材料SmNiO3[46]（图7（a））在可见光到中长波红外（400 nm~17μm）的超宽光谱范围内，随电场改变表现出较大且可逆 的折射率变化，并且相态转变可由电子掺杂水平控制，例如利用嵌锂、脱嵌锂在H2、O3环境下对器件退火完成SmNiO3薄膜的相变。研究人员将SmNiO3薄膜与Pt光栅和等离子超表面相结合得到了图7（b）~7（c）的结构[46]，经模拟分析：在400~2 500 nm的波长范围内，200 nm SmNiO3薄膜的光学透射率均值可在0.05~0.6之间连续变化（图7（d）），显示出此类钙钛矿材料在可调滤波领域的独特优势。

图7 （a）使用SmNiO3薄膜器件示意图[46]；（b）使用Pt光栅的薄膜SmNiO3器件示意图[46]；（c）等离子超表面与SmNiO3薄膜组成的器件结构图[46]；（d）模拟得到的SmNiO3薄膜器件、Pt光栅结合薄膜SmNiO3器件各自的光透过率变化曲线[46]；（e）玻璃/ FTO/ NiOx / CsPbI3-xBrx / ZnO/ Al或ITO的新型光伏玻璃架构示意图[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].

将钙钛矿器件的动态可调滤波功能和光伏功能结合，诞生了智能光伏玻璃这一极具潜力的研究方向。如图7（e）所示，基于无机卤化物钙钛矿铯铅碘溴（CsPbI3-xBrx）在室温下的非钙钛矿相与高温钙钛矿相之间较大的光学性质差异，研究人员设计了一种多层膜结构[47]。该结构极大地提升了太阳能的电池热稳定性和环境稳定性，基于它制备的光伏玻璃可通过温控进行颜色调整，实现了相变技术和滤波可调功能的统一。

2.1.2 基于化学反应的可调滤波结构

可调滤波功能也可通过化学反应生成新的物质实现。电致变色器件[48]基于电化学的相关原理，类似于可充电电池，通过电驱动控制滤波结构的颜色变化。在目前的电化学动态可调光学器件研究中，较为重要的材料是过渡金属氧化物三氧化钨（WO3）。在器件结构方面，关于WO3最早的研究工作可以追溯到第一个基于电化学原理的无机材料电致变色器件[49]，这种设计也逐渐发展为成熟的玻璃/ITO/NiOx/Li＋导体/ WO3/ITO互补型五层膜器件。

如图8（a）所示，研究人员将镀铂的透明导电氧化物（Transparent Conductive Oxide，TCO）涂层玻璃作为电极[50]，电解质中包含的Li+和氧化还原对（I−和I3−）可使该器件的电致变色层在光照下着色，在黑暗中发生氧化还原反应被漂白，实现WO3层的可调滤波。该器件结构能够将光敏层直接沉积在电致变色层上，漂白和着色过程相互独立，使器件光学性质的转变速率得到提高。

随着材料制备技术的不断发展，WO3的电化学原理及其变色功能相结合的一体化设计也有了相应的突破。例如，通过热蒸发和电沉积方法可制备出大面积的电致变色储能双功能玻璃窗[51]（图8（b）），该器件表现出639.8Fg−1的高比电容和出色的电致变色性能；基于纳米WO3的多纤维素光致变色薄膜[52]能够在紫外线下发生明显变色，且工艺简单，大大降低了制备成本。

在滤波结构的性能优化中，利用珐布里-珀罗（Fabry-Pérot，FP）腔体和化学反应相结合[53]的研究是一种更具灵活性的动态显示方法。该项研究利用光刻技术制备出一种使用复合结构设计的FP腔，如图8（c）所示，此结构由金属覆盖层（Mg/Ti/Pd）、氢化倍半氧硅烷（HSQ）柱和厚铝膜组成。金属覆盖层中的镁通过加氢和脱氢在金属态（Mg）和氢化物态（MgH2）之间可逆转变。当Mg完全发生

图8 （a）新型电致变色器件设计[50]；（b）结合电致变色和能量储存的伪电容玻璃窗的器件制备和工作原理[51]；（c）FP腔结合化学反应的设计思路[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]

氢化时，其等离子特征也随之改变，MgH2选择性地反射光波，引起像素化的FP腔颜色状态改变，实现了动态可调滤波功能。

2.1.3 基于石墨烯的可调滤波结构

石墨烯是一种特殊的二维结构功能材料，碳原子之间形成的大π键赋予石墨烯良好的导电性能。此外，由于能带结构特殊，石墨烯具有小载流子等效质量和短平均自由程，因而载流子迁移率极高。它独特的结构和性能引起了研究界的广泛兴趣，逐渐成为器件领域的一大研究热点。

在太赫兹波段，石墨烯吸收的光子能量小，电子的带间跃迁难以实现，电子的带内跃迁占据主导地位。器件中石墨烯超表面的电导率可利用物理模型推导并通过简化与假设得到[54-55]：

式中，Γ为载流子散射率，D为Drude质量。另外，费米能级EF和Drude质量均和费米速度VF密切相关，它们之间的关系如下：

以上两式中n为载流子浓度。可见，通过改变石墨烯薄层的费米能级能够引起载流子浓度以及电导率的变化，从而调节材料对于太赫兹波的透射或反射特性。图9（a）展示了一种典型的石墨烯超材料纳米结构器件[56]，该器件由石墨烯超表面和金属栅极支撑的电介质衬底构成。依据上述理论模型可推导出费米能级与外加电压存在这样的关系：

其中，Cαx为金属栅极电容，Vg为外接栅极电压。外加电压能够引起石墨烯的费米能级和超表面电导率的变化，这为研究人员提供了一种电控调制太赫兹波的方法。其应用将随着工艺方法的改进逐渐向高性能电控太赫兹器件方向发展，可用于设计超紧凑型波吸收器、相移平面、人工磁导体（Artificial Magnetic Conductor，AMC）天线基板等。

石墨烯的巨大潜力也在中红外光学滤波器件领域有所展现，这类器件与太赫兹光学器件最大的不同在于石墨烯超表面的电导率需要考虑电子的带间跃迁和带内跃迁[57]两部分的贡献。一种基于石墨烯超材料的可协调宽带交叉极化转换设计[58]（图9（b））能够将线偏振光在反射模式下转换为交叉偏振。该结构包含了一个L型的单层石墨烯和一个100 nm的金板阵列，只需通过静电门控来改变费米能级，动态调整中红外偏振转换及实现宽带效应。基于金属—石墨烯超材料的动态可调双带阻滤波器设计[59]是一种新型的中红外区滤波方法，滤波器主体由金条附于单层石墨烯和BaF2衬底上构成，具体结构见图9（c）。研究人员在两金属焊盘间施加电压调节石墨烯的费米能级进而控制阻带的中心频率或共振位置，传输峰的振幅也将随着载流子迁移率的增加而提高，因此该器件在光学滤波可调的同时还可满足高效带通传输的要求。另外，研究人员尝试将石墨烯纳米膜与铌酸锂等其他折射率可控的材料组合[60]，以获得多种滤波调节方式。此研究表明改变石墨烯纳米膜的层数，能够成功调节滤波器的最小透过率、阻带宽度和阻带中心波长。

图9 （a）一种典型的石墨烯超材料纳米结构器件示意图[56]；（b）基于L形石墨烯超材料的器件设计[58]；（c）基于金属石墨烯超材料的双带阻滤波器示意图[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调滤波结构

微流控芯片被列为“改变未来的七种技术之一”，又称微流控芯片实验室，指在微米量级的通道内对小体积的液体样品进行处理操作，芯片大小仅为几个厘米，具有体积小、兼容性强、检测效率高、使用成本低等众多优势[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）为基片，利用蚀刻技术，在基片上刻画微流体通道（图10（a））。微流控通道内液体的折射率有较强的可操纵性，成为设计可调滤波的又一出发点。图10（b-c）是双亚波长光栅和中间的微流控通道组成的夹层结构[62]，液体折射率由浓度和流速控制，以此改变光栅结构的性能参数。该研究工作的分析模拟结果显示，此结构波长调谐范围可达28 nm，灵敏度S或将超过350 nm·RIU−1（Refractive Index Unit），品质因数高达50 000，光学性能较为理想。研究人员还将TiO2超表面嵌入微流控芯片，设计出反射型可调谐滤波结构[63]。对微流控通道填充不同的流体，将改变超表面的有效介电常数，可以观察到超表面所编码图案的显色改变，如图10（d）所示。微流控通道与其他光学表面的耦合展示出巨大的应用价值。例如填充液态金属的L型谐振器能够将反射光转换为线性、圆形、椭圆形等3种偏振态[64]（结构如图10（c）所示）以及通过反射光谱检测微流控通道内液体的种类和浓度[65]等。图10（e）为多功能偏振转换器。

图10 （a）填充液体后的微流控亚表面[65]；基于亚波长光栅的微流控通道可调滤波结构俯视图（b）和横截面（c）示意图[62]；T为光栅的周期，H为槽深，w 为两个光栅之间的间距，θ为入射角，n s为基底的折射率，nh为 光栅区介质折射率，nl为微流体通道内流体折射率；（d）在不同溶剂环境中，采用明场显微镜观察二氧化钛表面的反射颜色[63]；（e）多功能偏振转换器[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 动态可调滤波结构

2.2.1 珐珀滤波器

珐珀滤波器是一种基于多光束干涉原理的光学器件，其基本结构是两片固定距离的平行平板组成的FP腔，平板具有半透半反的特性。为使特定波长的入射光透过平板进入FP腔时发生稳定的多光束谐振以及高能量透射，入射光波长λm应满足干涉条件其中d为FP腔长度，n为珐珀腔介质折射率，m（m=1,2,3,...）为干涉等级，θ为入射角。波长非λm的入射光则会在FP腔中衰减至消失，从而达到滤波目的。

传统珐珀滤波器由于自身结构局限性难以实现大范围的波段调制。将微机电系统（MEMS）技术引入珐珀滤波器能够不受限于天然材料的非线性特征，通过直接改变FP腔的几何结构实现珐珀滤波器的动态调制性能，如今已得到了广泛的研究，驱动方式为静电驱动[66]、热驱动[67]、压电驱动[68]等。由于静电驱动方式具有易加工、响应速率高和闭环控制等优点，该领域中已报道的驱动方法主要以静电驱动为主。

基于MEMS相关技术，研究人员研制了一种静电驱动式的滤波可调珐珀滤波器[66]（图11（a）），对可移动薄膜支撑的顶部平面和底部基座施加电压，可移动薄膜在静电驱动力下会发生形变导致FP腔长度的变化，从而实现滤波可调。为保证FP腔中两平板的平行稳定性，该器件提供了一种高度集成且调谐范围大的Z型臂桥结构。通过多物理场模拟发现：在最大驱动电压25.5 V下，厚度为500 nm、尺寸为80μm×80μm的可移动Z型臂桥薄膜能够保持平行稳定性，进而使桥面整体应力分布均匀（图11（b）），实现了3~5μm的宽可调工作波长范围。

德国英福泰克公司（InfraTec）是气体分析用可调滤波器的主要研究机构之一。研究人员使用纳米压印光刻（Nano Imprint Lithography，NIL）和电子束光刻技术研制了200 nm氮化硅薄膜上的100 nm圆盘形谐振器阵列[69]（图11（c）），并结合之前静电驱动式的MEMS器件设计了一个可移动反射镜的可调滤波器，在波长调制范围为2.5~5μm的同时实现了三阶至五阶的干涉。芬兰国家技术研究中心（VTT）开发了珐珀滤波器两种不同的工艺方法：基于微光机电系统（Micro-Optoelectro-Mechanical Systems，MOEMS）的芯片和通过压电驱动的分离式滤波可调珐珀滤波器（图12（a）、12（b））[70]。依托这两项技术，VTT不断地扩大MOEMS-珐珀滤波器的波长适用范围，为珐珀滤波器技术的产业化提供了高性能的解决方案。

图11 （a）可调珐珀滤波器的MEMS结构横截面图[66]；（b）Z型壁桥在25.5 V静电力驱动下的变形模拟仿真[66]；（c）使用NIL制造的圆盘形谐振器的SEM图像及静电驱动式动态滤波可调滤波器[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]

图12 （a）大批量生产的MOEMS模块[70]；（b）中小批量生产的压电驱动式可调珐珀滤波器模块[70]；（c）TAM和TLNM示意图[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]

利用超材料及其可调谐超表面以提高动态可调珐珀滤波器性能的设计是近几年的热门研究方向。基于可调铝基超表面（Tunable Al-based Metasurface，TAM）和可调铌酸锂超表面（Tunable LN-based Metasurface，TLNM）的珐珀滤波器设计[71]如图12（c）所示，该滤波器由悬浮在硅衬底上的TAM或TLNM组成。虽然该模型设计中没有确定的改变间隙距离g的MEMS驱动方式，但通过时域有限差分法进行模拟可得，在间隙值g调谐宽度分别为100 nm和111 nm的情况下，随着g值的改变，TAM和TLNM的共振频率将发生红移，特别是TLNM的共振峰半高宽缩减至3 nm，TAM的灵敏度提高至481.5 nm·RIU−1，此结构有望应用于高分辨显示、高光谱成像及高效可调光学吸收等领域。

2.2.2 微纳可调光栅

微纳可调光栅是另一种较为典型的动态式可调滤波结构，可通过多种驱动手段调整结构参数引起滤波特性改变。微纳光栅依靠狭缝衍射间的相互作用色散分光，滤波特性依赖于光栅周期、光栅闪耀角和光波相位差。因此多数研究通过动态地修改这3个重要的光学参数实现性能可调。

最早实现的可调方式是相位调节，其工作原理是外加驱动力使得相邻光栅面之间产生不同的垂直位移，由它们的高度差h引起衍射光的相位差Δφ：

式中，λ为入射光波长，d为光栅周期，θ为入射角，θ′为 衍 射 角。光 栅 光 阀[72]（Grating Light Valve，GLV）是相位可调光栅的典型代表（图13（a）），它是光学反射元件，在其6个反射条中，有3个是可动条，不加电压时光栅光阀处于平面状态，将入射光完全反射；外加电压时，可动条的反射面在静电力的作用下进行上下移动，成为一个相位光栅，如图13（b）。光栅光阀可靠性高、成本低、响应速度快，已经被应用于高速光衰减器、光开关、显示器、投影仪等多种领域[73]。

图13 （a）基本的光栅光阀结构[73]；（b）光栅光阀的反射状态和衍射状态[73]；（c）PDMS闪耀透射光栅二维等密度拉伸模型[74]；（d）主动调谐光栅耦合器工作原理[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]

光栅面与水平方向存在夹角的光栅被称为闪耀光栅，此夹角为闪耀角θk。它的光栅方程为：d(2 cosαsinθk)=kλ（α为入射光与光栅面法线的夹角）。扭转光栅闪耀角可以改变闪耀波长，方式包括静电驱动、热驱动和机械拉伸等。图13（c）展示了一种基于PDMS的二维可伸缩闪耀波长可调光栅[74]。PDMS具有良好的弹性和耐久性，被用作硬质材料光学元件的替代品。利用PDMS稳定的拉伸比，研究人员在光栅的两个方向上施加应变，改变凹槽形状的同时有效固定了光栅周期。当y轴方向伸长率为20%，x轴方向伸长率为5.2%时，可以保持光栅密度不变，闪耀角的最大调节范围为1.33°，+1阶闪耀波长红移42.3 nm。图13（d）所示的主动调谐光栅耦合器，在光栅上方施加静电力压弯光栅，改变闪耀角从而引起衍射光谱的迁移，可调范围达22.8 nm[75]。

近几年周期可调光栅成为研究者的关注点[76-80]。相关工作尝试运用可变形滑动技术设计可调谐光栅器件，如图14（a），由弹性金属合金对布拉格光栅施加轴向应变，改变中心波长和光谱响应曲线，实验得到了大约50 nm的中心波长偏移调谐范围[76]。另外的驱动方式还有梳状驱动制动器拉伸[80]，光栅形成一个折叠弹簧，一端连接波导锥，一端连接梳状制动器，由梳状制动器扩大光栅齿距，改变周期的同时增大了光栅的出射角（图14（b）），结构设计如图14（c）所示。除上述驱动方式之外，还有电致变色聚合物的伸缩调节[77]、红外激光器驱动调节[78]等。随着微纳光栅编程控制的发展和光学有限元仿真软件的应用，研究人员能够通过精确设计光栅器件的预期变形、闪耀、光栅周期等结构参数，得到预期的衍射光谱，器件衍射效率也大大提高[81]。

图14 （a）用于布拉格光栅的可变形滑动结构[76]；（b）可调光栅的工作原理[80]；（c）梳状制动器驱动光栅[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 总结与展望

如今，可调滤波结构已经有了不小的突破，但其性能仍然存在较大的局限，智能化、自适应滤波的实现任重道远。滤波结构在材料选择上就面临巨大挑战，光学元件选材往往要求严苛，例如，超材料需要具有较大的折射率实部和极小的折射率虚部才能够降低损耗，保证光学传输效率，研究人员迄今仍在不断寻找更加理想的超材料；用于可调滤波的重要结构液晶具有挥发性，难以保持持久稳定的光学性能等等。从可调滤波结构的性能上看，一些器件功能材料的化学、物理稳定性上也有待提升，例如薄膜器件易氧化、硫化，对振动、冲击的抵抗能力差；金属等离子体结构的传输效率受到金属共振频率的限制，损耗较大；与超材料集成的滤波结构目前还达不到理想的光学效率，带有很强的偏振依赖性。另外，多数结构的光学响应效率较低，将影响到整体系统的工作效能[2]。在制备装配工艺方面，纳米级别的滤波结构对生产工艺的要求复杂，需要达到微纳级别的精度，保证批产的性能稳定性，并且往往涉及滤波结构的定制加工，造成微纳光学元件生产难度大、成本高、量产困难；滤波结构与探测器件的集成装配受到装配变形和微观作用力的影响，装配精度面临巨大挑战，若要进一步满足微纳结构可拆卸替换的要求，装配工艺也必须不断发展前进。

未来可调滤波器件的一大研究方向是进一步改善功能材料的物理化学性能，解决器件工业化生产的需求，同时保持较高的器件性能。在动态可调滤波的驱动方式上，目前所实现的可调滤波大都是单一方向的动态可调滤波，后续可以通过重叠一组具有不同位移角度的散射层来增加自由度的数量[82]，但实现高效的多方向动态可调滤波仍有较大难度。对于利用磁电光效应实现的动态可调滤波而言，可以通过对超材料的设计和优化来实现更强的磁电光效应进而提高动态滤波性能[83]；在静态可调滤波领域，可尝试设计多层介质膜光栅的介质层实现光学性能可调等。随着MEMS技术及新材料的飞速发展，可调滤波结构将不断向高性能滤波可调的道路迈进，同时也会与图像处理、机器学习、智能优化算法[84]等软件方向深度融合，并基于高集成、超紧凑、小型化的器件结构，在健康监测、智能制造、无人系统等多应用场景下发挥可调滤波的独特优势。