CN102608707B - 一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法，在矩形腔(102)长度不变的情况下改变凹槽(103)在矩形腔(102)中的位置，以实现自由光谱范围的灵活可调；在凹槽(103)位于某些特定位置的情况下采用改变凹槽(103)的几何参数选择性改变其中一个峰值波长的位置，从而实现滤波器自由光谱范围的灵活可调。本发明在保证了实现表面等离子滤波器的基础上，实现了带通滤波器自由光谱范围的灵活可调，增强了光子集成回路的灵活性。

Description

一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法

技术领域

本发明涉及表面等离子、集成光子器件及金属波导领域。

背景技术

表面等离子体由于可以克服传统的衍射极限并且可以在亚波长尺寸下实现对光束的操控，因而在高集成光子器件和回路中有良好的应用前景。滤波器作为一种重要的器件在各种光学系统中获得了广泛的应用。现有的表面等离子滤波器大体上可以分为两类：基于周期性结构的滤波器和基于单个选频结构的滤波器。由于基于周期性结构的滤波器需要多个周期，当周期数目N大于9时这种周期性结构的尺寸就会超出了亚波长的范围，从而不利于光子器件和回路的小型化和集成化。同时，基于周期性结构的滤波器存在较大的传输损耗不利于信号的长距离传输。基于单个选频结构的表面等离子滤波器在传输损耗和集成化方面存在优势，因此近年来获得了广泛的研究。目前，基于单个选频结构的表面等离子滤波器都是基于不同形状的共振腔结构，如锯齿形、圆环形、圆盘形和矩形。虽然现有的基于单个选频结构的表面等离子滤波器在某些方面具有优势，但这两类滤波器都不能灵活的对滤波器的自由光谱范围进行调节。本发明给出了在矩形腔长度不变的情况下改变凹槽在矩形腔中的位置，可以灵活的改变滤波器峰值波长之间的距离的变化从而实现自由光谱范围的灵活可调；在凹槽位于矩形腔的某些特殊位置的情况下，通过改变凹槽的几何参数如深度或宽度会选择性的改变其中一个峰值波长的位置，而另一个峰值波长的位置则基本不变，从而实现滤波器自由光谱范围的灵活可调，为亚波长尺寸下的波长选择提供了更大的自由度。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种自由光谱范围灵活可调的表面等离子滤波器，目的在于在矩形腔长度不变的情况下能够灵活实现带通滤波器的自由光谱范围可调节。

为了实现上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法，滤波器由以下结构组成：一段基于金属-绝缘体-金属结构的输入波导101和输出波导104，一个中间带有凹槽103的矩形腔102；滤波器自由光谱范围可调的产生方法为：在矩形腔102长度L不变的情况下改变凹槽103在矩形腔102中的位置，以实现自由光谱范围的灵活可调；在凹槽103位于某些特定位置的情况下采用改变凹槽103的几何参数选择性改变其中一个峰值波长的位置，从而实现滤波器自由光谱范围的灵活可调。

采用本发明的方法，在矩形腔102长度不变的情况下改变凹槽103在矩形腔中的位置，使得矩形腔中对应于一阶共振模和二阶共振模的峰值波长分别发生红移或蓝移，而且两个峰值波长移动的方向和大小取决于凹槽在矩形腔中的位置，从而实现滤波器自由光谱范围的灵活可调；在凹槽103位于矩形腔的某些特殊位置时，通过改变凹槽103的几何参数如深度或宽度会选择性的改变其中一个峰值波长的位置，而另一个峰值波长的位置则基本不变，从而实现滤波器自由光谱范围的灵活可调。

本发明的有益效果在于：在矩形腔102长度不变的情况下，通过改变凹槽103的几何参数或其在矩形腔中的位置可以灵活的实现滤波器自由光谱范围的大范围调谐。

附图说明如下：

图1为本发明实现自由光谱范围可调谐的表面等离子滤波器的结构原理示意图。

图2为本发明实现自由光谱范围可调谐的表面等离子滤波器的结构参数示意图。

图3为本发明在有无凹槽103存在时的滤波器传输谱线图。

图4为凹槽103在不同偏移位置s下的滤波器传输谱线图。

图5为滤波器的峰值波长随凹槽偏移位置s变化曲线图。

图6为凹槽103位于矩形腔102中心时增加凹槽深度滤波器的传输谱线图。

图7为凹槽103位于矩形腔102中心时进一步增加凹槽深度滤波器的传输谱线图。

图8为凹槽103偏移矩形腔102中心L/4处，增加凹槽深度滤波器的传输谱线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

图1是本发明实现自由光谱范围可调谐的带通表面等离子滤波器的结构示意图，滤波器采用基于金属-绝缘体-金属的三层波导结构。结构101、102、103、104中是绝缘体，这里选择为空气，其介电常数为1。结构105中是金属薄膜，我们选用目前常用的材料银，其频率相关的介电常数选为常用的Drude模型：

${\mathrm{\ϵ}}_m\left(w\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}-{\mathrm{\ω}}_P^2/\left[\mathrm{\ω}(\mathrm{\ω}+\mathrm{i\γ})\right].$

其中，ε_∞是带间跃迁对的介电常数，ω_p是等离子共振频率，γ是电子碰撞频率。模型中参数选择目前实验中得到的数据分别为3.7，9.1eV和0.018eV。

图2为滤波器的结构参数示意图，输入波导101和输出波导104的宽度w为50nm；矩形共振腔102的长度L和宽度w分布为500nm和50nm；凹槽103的高度H和宽度T分别为100nm和50nm；输入/输出波导101与共振腔102之间的耦合距离d为15nm；凹槽103偏移矩形腔中心的距离为s。如图1所示，当一束TM偏振的平面光沿x轴方向进入输入波导时会在金属与绝缘体的表面会激发出SPP波，沿着介质接触面传播并耦合进入矩形共振腔内。满足共振腔共振条件的SPP波会在共振腔内来回振荡，一部分共振波在来回振荡的过程中从输出波导耦合出来。当图1中凹槽103不存在时滤波器的传输谱如图3中实线所示，可以看出传输谱中有两个峰值波长1507nm和768nm，分别对应矩形腔的一阶和二阶共振模。这两个共振模在矩形腔内的磁场强度分布可以用如下公式表示：

$\stackrel{\‾}{H_1}(x,t)=\frac{2\stackrel{\‾}{H_0}\cos ({\mathrm{\β}}_{1}x-\mathrm{\π}/2)}{\mathrm{\σ}}g2\exp (-j{w}_{1}t)---\left(1\right)$

$\stackrel{\‾}{H_2}(x,t)=\frac{2\stackrel{\‾}{H_0}\cos ({\mathrm{\β}}_{2}x-\mathrm{\π})}{\mathrm{\σ}}g2\exp (-j{w}_{2}t).---\left(2\right)$

从公式(1)和(2)可以我们可以计算出：

$\left|\stackrel{\‾}{H_1}(0,t)\right|=0,$ $\left|\stackrel{\‾}{H_2}(0,t)\right|=\max \left(\right|\stackrel{\‾}{H_2}(x,t)\left|\right);$

$\left|\stackrel{\‾}{H_1}(125,t)\right|\≠0,$ $\left|\stackrel{\‾}{H_2}(125,t)\right|=0.---\left(3\right)$

我们对共振模磁场分布的波节点和波腹点重点关注，从公式(3)我们可以看出在矩形腔102中心位置，一阶共振模磁场强度为0而二阶共振模磁场强度达到最大；在偏移矩形腔中心L/4时，二阶共振模磁场强度为达到最小值0。

当在矩形腔102的中心引入凹槽103后滤波器的传输谱为图3中虚线所示。我们可以看到相比没有凹槽103时滤波器的峰值波长发生了改变：对应一阶共振模的峰值波长发生了蓝移而对应二阶共振模的峰值波长发生了红移。图4显示了在凹槽103引入后随着凹槽偏移位置的改变滤波器传输谱的变化，从图中我们很直观的看出两个峰值波长的位置随着凹槽位置s的改变左右移动，自由光谱范围随之改变。

图5显示了滤波器峰值波长随凹槽103偏移位置s的变化规律，我们可以在不改变矩形腔102长度的情况下改变凹槽在矩形腔中的位置来获得所需要的自由光谱范围。不过此时滤波器的自由光谱范围仅可以在641nm-803nm的范围内灵活调节。

为了进一步增加滤波器自由光谱的调节范围，我们可以通过改变凹槽的几何参数来实现。首先，我们把凹槽103放到矩形腔102的中心位置上，增加凹槽103的深度从100nm到260nm，增加步长为40nm，传输谱的变化如图6所示。从图中我们发现，随着凹槽103深度的增加对应二阶共振模的峰值波长发生线性红移而对应一阶共振模的峰值波长基本不变，因此滤波器自由光谱范围持续减小。在此基础上进一步增加凹槽103的深度从250nm到550nm传输谱的变化如图7所示，二阶共振模的峰值波长持续红移而一阶共振模的峰值波长仍保持不变，直到凹槽深度增加到550nm时两个峰值波长在一阶共振模峰值波长的位置发生重合，此时滤波器的自由光谱范围减小为0。然后，我们将凹槽103放到偏移矩形腔102中心L/4的位置上依次增加凹槽的深度，传输谱的变化如图8所示。从图中我们可以看出，随着凹槽103深度的增加对应一阶共振模的峰值波长发生线性红移而对应二阶共振模的峰值波长基本不变，因此滤波器自由光谱范围持续增加，最大自由光谱范围可达880nm。因此通过在特殊的位置上改变凹槽103的深度可以实现自由光谱范围在0-880nm大范围可调。

Claims (3)

1.一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法，滤波器由以下结构组成：一段基于金属-绝缘体-金属结构的输入波导（101）和输出波导（104），一个中间带有凹槽（103）的矩形腔（102）；滤波器自由光谱范围可调的产生方法为：在矩形腔（102）长度L不变的情况下改变凹槽（103）在矩形腔（102）中的位置，以实现在641nm—803nm范围内可调谐；在凹槽（103）位于某些特定位置的情况下采用改变凹槽（103）的深度选择性改变矩形腔中对应于一阶共振模和二阶共振模的峰值波长中一个峰值波长的位置，从而实现滤波器在0—880nm范围内可调谐；所述某些特定位置是指凹槽（103）位于矩形腔（102）中心处或偏移矩形腔（102）中心L/4处。

2.根据权利要求1所述之一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法，其特征在于：在矩形腔（102）长度L不变的情况下改变凹槽（103）在矩形腔中的位置，使得矩形腔对应于一阶共振模和二阶共振模的峰值波长分别发生移动，而且两个峰值波长移动的方向和大小取决于凹槽在矩形腔中的位置，从而实现滤波器在641nm—803nm光谱范围的灵活可调。

3.根据权利要求1所述之一种等长矩形腔表面等离子带通滤波器调节自由光谱范围的方法，其特征在于：在凹槽（103）位于矩形腔（102）的所述某些特定位置的情况下，通过改变凹槽（103）的深度选择性的改变其中一个峰值波长的位置，而另一个峰值波长的位置则基本不变，从而实现滤波器在0—880nm范围内可调谐光谱范围的灵活可调。

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