近日，精密光学工程技术研究所王占山和程鑫彬团队在扩展可见光波段上利用灰度电子束光刻实现了多通道高光谱分辨率的片上集成滤光器件，研究成果以“Grayscale-patterned integrated multilayer-metal-dielectric microcavities for on-chip multi/hyperspectral imaging in the extended visible bandwidth”为题发表于《Optics Express》。
从经典的RGB拜耳滤光片到多光谱/高光谱集成彩色滤光片阵列(CFAs)，片上光谱传感器已成为遥感光谱成像的关键技术。它们使笨重的光谱仪小型化，成为紧凑便携的设备。在这些微纳滤光片中，FP光学微腔具有最成熟的机制和最简单的调谐方法，即改变其腔长。虽然它们已经被用于商业产品，但FP腔光谱传感器一直在高光谱分辨率和宽工作带宽之间进行权衡，这限制了目前传感器的工作性能。
同时，复杂、高成本的制造方法限制了光谱的通道数量。一般来说，具有不同腔长的CFAs需要单独的光刻工艺，并辅以组合沉积/蚀刻方法。通常情况下，进行N次工艺可以实现2N个集成滤光片阵列，这是一种繁琐、昂贵且不灵活的方法。而灰度光刻技术只需要一步就可以进行灵活控制并自定义腔长，这是一种低成本、多功能的方法而且尺寸可以达到晶圆级。在可见光范围内，CMOS像素的单位尺寸通常为(或小于)1微米，这需要高精度电子束光刻(EBL)制造。
图1 灰度光刻工艺示意图
王占山和程鑫彬团队提出了一种基于FP腔的CFAs的新理念，由多层金属-介质FP微腔组成，可以在450 nm到750 nm的扩展可见光波段上实现快照光谱成像，其光谱分辨率为~10 nm。FP微腔阵列由多层反射镜(Ag/SiO2/TiO2)和PMMA光刻胶间隔层组成。该设计通过在金属薄膜上再添加两层电介质改善金属反射镜的相位色散，使金属镜的宽带反射率大大增强。此外，该团队使用灰度EBL光刻技术进行多通道滤光片的制备工艺，实现了快速并且与CMOS兼容的制造方法。
图2 彩色滤光片图像，以及光谱测量结果
实验结果表明，所制备的16通道CFAs在整个带宽上都接近高光谱分辨率(~ 15 nm)，易于支持快照光谱成像，具有较高的光学性能和识别能力。
图3 测试的光谱系统和成像照片
该团队利用等效片上集成光学系统对多层金属-介质微腔的CFAs进行了表征。结果表明，与原来的金属和全介质相比，金属-介质CFAs的光谱分辨率和覆盖带宽的综合性能有了很大的提高。
该工作通过介质层增加金属反射率，解决了反射率色散问题导致的带宽不足的瓶颈问题，并且发掘了高精度EBL三维灰度处理在光谱成像中的巨大潜力。在工业生产中，采用EBL技术还可以制造用于步进光刻的多通道滤光片的灰度掩模，从而提高滤光片生产的效率和稳定性。
同济大学物理科学与工程学院程鑫彬教授和博士后董思禹为论文共同通讯作者，学院博士后朱静远、硕士研究生周思量和博士研究生宁燚为论文共同第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括同济大学物理科学与工程学院王占山教授、特聘研究员顿雄等。
论文信息
Jingyuan Zhu, Siliang Zhou, Yi Ning, Xiong Dun, Siyu Dong, Zhanshan Wang, and Xinbin Cheng, "Grayscale-patterned integrated multilayer-metal-dielectric microcavities for on-chip multi/hyperspectral imaging in the extended visible bandwidth," Opt. Express 31, 14027-14036 (2023)
https://doi.org/10.1364/OE.485869
