CN105738990B - 一种强透射特性的等离激元波导滤波器 - Google Patents

一种强透射特性的等离激元波导滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种强透射特性的等离激元波导滤波器，属于微纳光电子领域，包括光纤衬底、金属膜和电介质层，光纤衬底设置在金属膜的正下方，电介质层铺设在金属膜的上表面，金属膜上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构，其中，每个单位孔阵列结构的中心设置有一个纳米狭缝；纳米狭缝包括一个方形孔和四个圆形孔；方形孔和四个圆形孔形成花朵形；其中两个圆形孔与方形孔两边相连接，水平设置，两个圆形孔圆心与方形孔中心在一条直线上，关于方形孔对称；另外两个圆形孔与方形孔另外两边相连接，竖直设置，两个圆形孔圆心与方形孔中心在一条直线上；每个圆形孔均与其中两个圆形孔两两相连接；纳米狭缝贯通于金属膜和电介质层的上下表面。

Description

一种强透射特性的等离激元波导滤波器
技术领域
本发明涉及微纳光电子领域，具体的来说是涉及一种强透射特性的等离激元波导滤波器。
背景技术
表面等离激元是在金属电解质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播，并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，由于其独特的表面波特性，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。
光学异常透射特性表现为：当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的限制。自1998年Ebbesen等人阐述这种光学异常透射现象以来，关于此方面的研究得到了广泛的关注，并在许多方面显现出极其广阔的应用前景，比如生物传感、光学滤波器、纳米光刻、新型光源和光学存储等，并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金膜厚度、孔的形状、金属材料、光入射角度等参数，可以有效调节透射峰的位置，以及透射率的大小。
随着科技的发展，信息技术深刻影响和改变人类的生活方式。与此同时，对于高速信息传输及处理，人们也有了更高的要求。而这依赖于速度更高，体积更小的信息处理系统。人们迫切期望能够找到一种可以携带更多数据容量，并且轻便、高速的媒介来传输信息。于是，光子互连器件，如光纤，成为了研究的焦点。而滤波器因其选频特性在信息传输中扮演着重要的角色，传统的波导滤波器其尺寸大约是微电子元器件的100倍。正是由于尺寸上的不匹配，使两者很难集成于同一回路，因此制约了基于光子回路信息系统的发展。同时由于传统的波导滤波器透射率不高，因此迫切需要研究一种体积更小、透射率更高的波导滤波器。
发明内容
本发明需要解决的是传统的波导滤波器透射率不高和尺寸大的问题，提供一种强透射特性的等离激元波导滤波器。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：
一种强透射特性的等离激元波导滤波器，包括光纤衬底、金属膜和电介质层，光纤衬底设置在金属膜的正下方，电介质层铺设在金属膜的上表面，金属膜上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构，其中，每个单位孔阵列结构的中心设置有一个纳米狭缝；纳米狭缝包括一个方形孔和四个圆形孔；方形孔和四个圆形孔形成花朵形；其中两个圆形孔与方形孔两边相连接，水平设置，两个圆形孔圆心与方形孔中心在一条直线上，关于方形孔对称；另外两个圆形孔与方形孔另外两边相连接，竖直设置，两个圆形孔圆心与方形孔中心在一条直线上，关于方形孔对称；每个圆形孔均与其中两个圆形孔两两相连接，并且每个圆形孔均与方形孔相连接；纳米狭缝贯通于金属膜和电介质层的上下表面。
为了使加工简易，上述方案中，优选的是单位孔阵列结构为正方形或长方形。
上述方案中，优选的是电介质层(3)的厚度为5nm～20nm，金属膜(1)的厚度为60nm，可以进一步提高波导滤波器的透射率。
为了进一步提高等离激元波导滤波器的光透射率，进一步的，上述方案中，优选的是电介质层材料为二氧化硅或砷化镓，金属膜的材料为金或银。
大圆形孔的半径和方形孔边长可以直接回影响到透射率的高低，为了能更好提高传感器的透射率，上述方案中，优选的是圆形孔的半径为75nm～90nm，方形孔的边长为10nm～60nm。
进一步的，上述方案中，优选的是圆形孔的半径为85nm。
上述方案中，优选的是N为25～60的正整数。
本发明的优点与效果是：
1、通过在光纤末端上镀膜，采用由方形孔及对称设于方形孔两侧的圆形孔构成的单位孔阵列纳米狭缝结构，在电介质材料层上周期均匀排列设置多个相同的单位孔阵列结构，利用该结构中长程表面等离激元与局域表面等离激元通过纳米狭缝相互耦合作用，得到增强光透射，半波长窄的等离激元波导滤波器；进一步的，它具有光透射率高、体积小巧、易于集成，选频特性好的特点；
2、在制作强透射特性的等离激元波导滤波器时，可通过改变介质层材料，介质层厚度、圆形孔的半径等其他参数，使制得的等离激元波导滤波器获得可选择透射峰的位置，从而改变选频范围和高的透射系数。
附图说明
图1为强透射特性的等离激元波导滤波器的结构示意图。
图2为强透射特性的等离激元波导滤波器一个单位孔阵列结构的示意图。
图3为强透射特性的等离激元波导滤波器中采用大圆孔不同半径时的透射系数曲线图。
图4为强透射特性的等离激元波导滤波器中采用不同电介质材料时的透射系数曲线图。
图5为强透射特性的等离激元波导滤波器中采用二氧化硅材料时不同厚度的透射系数曲线图。
图6为强透射特性的等离激元波导滤波器中采用不同金属材料时的透射系数曲线图。
图中标号为：1光纤衬底，2金属膜，3电介质层，4单位孔阵列结构，5纳米狭缝，5.1圆形孔，5.2方形孔，R圆形孔半径，a方形孔长度，b方形孔宽度，P单位孔阵列结构宽度或长度。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
一种强透射特性的等离激元波导滤波器，包括光纤衬底1、金属膜2和电介质层3，光纤衬底1设置在金属膜2的正下方，电介质层3铺设在金属膜2的上表面，金属膜2上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构4；金属膜2的厚度为60nm，金属膜2还可以是其他厚度，本方案中选择金属膜2的厚度为60nm是根据进行选择，并没有限定金属膜2的厚度一定为60nm，金属膜2的材料可为金或银。金属膜2上的单位孔阵列结构4的个数N一般取25～60的正整数，用户根据需要选择其他的数量可以，图1中只画出了9个单位孔阵列结构4；单位孔阵列结构4为正方形或长方形，为了方便加工，单位孔阵列结构4为正方形，长和宽相等且均为P，单位孔阵列结构4可以为其他形状，不限定于正方形和长方形，如图1和图2所示。
电介质层3的厚度比较好的为5nm～20nm，其他厚度也可以；电介质层3材料为二氧化硅、三氧化二铝或砷化镓等适合器件工作的材料，可以更好提高光透射率。
每个单位孔阵列结构4的中心设置有一个纳米狭缝5；纳米狭缝5包括一个方形孔5.2和四个圆形孔5.1；方形孔5.2和四个圆形孔5.1形成花朵形；其中两个圆形孔5.1关于方形孔5.2对称，水平设置，两个圆形孔5.1圆心与方形孔5.2中心在一条直线上；另外两个圆形孔5.1也关于方形孔5.2对称，竖直设置，两个圆形孔5.1圆心与方形孔5.2中心在一条直线上；每个圆形孔5.1均与其中两个圆形孔5.1两两相交，其中也可以是相切，只是效果没有相交的好，并且每个圆形孔5.1均与方形孔5.2相交；圆形孔5.1的半径为75nm～90nm，方形孔5.2的边长为10nm～60nm，圆形孔5.1的半径为85nm时效果最好，本发明中圆形孔5.1的半径和方形孔5.2的边长都不限定上述所说的范围。纳米狭缝5贯通于金属膜2和电介质层3的上下表面，纳米狭缝5通过耦合作用，进一步提高等离激元波导滤波器的光透射率。
本方案中，可通过改变圆形孔5.1的半径、电介质层3材料、电介质层3材料的厚度、金属膜2的材料等来调节透射峰的位置与大小，从而得到一种在理想波段、具有高透射率、可选频的等离激元滤波器。
本发明的工作过程：
平面波从介质层3的上表面垂直向下入射、并在金属膜2下表面出射或是平面波由金属膜2的下表面垂直向上入射、并在介质层3的上表面透射。当平面波光束垂直入射于金属膜2其中一个表面时，相邻圆形孔5.1产生的长程表面等离激元与方形孔5.2产生的局域表面等离激元通过纳米狭隙相互耦合，形成一个强大的电磁场，这样大大增强了光的透射，同时具有很好的频谱特性。
下面结合具体应用实施例，对等离激元波导滤波器的使用效果得出如下结果：
如图3所示，为本等离激元波导滤波器的大圆孔不同半径时的透射系数曲线图，图3横坐标为入射光波长，单位为nm，图中的纵坐标为透射系数，也称之为透射效率，在图中用四种不同的曲线分别表示大圆孔不同半径时的透射光谱图，其大圆孔的半径R依次为70、75、80、85nm。从图3中的结果可见，随着圆形孔5.1半径R的增大，透射系数先增大后减小，在半径为80nm达到最大，透射峰的位置发生改变，证明其选频特性可根据实际需要进行调节。
如图4所示，为本等离激元波导滤波器中电介质层3采用不同材料时的透射系数曲线图。图中的横坐标及纵坐标的表示与图3的相同，在图中用四种不同的曲线分别表示电介质层3采用4个不同材料的时的透射系数曲线图，4个不同材料分别为二氧化硅(SiO2)、三氧化二铝(Al2O3)、砷化镓(CaAs)、磷化铟(lnP)。从图4中的结果可见，随着材料的改变，透射率逐渐减小，，最大透射峰的位置出现移动，因此可以选择不同电介质层3材料来改变谱峰从而改变频率。
如图5所示，为本等离激元波导滤波器中采用不同厚度二氧化硅时的透射光谱图。图中的横坐标及纵坐标的表示与图3的相同，在图中用五种不同的曲线分别表示不同厚度的二氧化硅的透射光谱图，其厚度分别为0、5、10、15、20nm。从图5中的结果可见，随着距离厚度的增大，透射率增大，透射峰的位置不断红移，即透射峰对应的波长不断增大，同时可以得到电介质/金属结构的离激元波导滤波器的性能远远低于电介质/金属/电介质结构的等离激元波导滤波器。
如图6所示，为本等离激元波导滤波器中的金属膜2采用不同的材料时的透射光谱图。图中的横坐标及纵坐标的表示与图3的相同，在图中用三种不同的曲线分别表示不同金属材料时的透射光谱图，其材料分别为铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)。从图6中的结果可见：金和银的透射系数较高，因此在实际的工艺中，金属膜2可选择金和银。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可以作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请的范围内。

Claims (7)

1.一种强透射特性的等离激元波导滤波器，包括光纤衬底(1)、金属膜(2)和电介质层(3)，光纤衬底(1)设置在金属膜(2)的正下方，电介质层(3)铺设在金属膜(2)的上表面，金属膜(2)上均匀排列设置有N个单位孔阵列结构(4)，其特征在于：每个单位孔阵列结构(4)的中心设置有一个纳米狭缝(5)；纳米狭缝(5)包括一个方形孔(5.2)和四个圆形孔(5.1)；方形孔(5.2)和四个圆形孔(5.1)形成花朵形；其中两个圆形孔(5.1)与方形孔(5.2)两边相连接，水平设置，两个圆形孔(5.1)圆心与方形孔(5.2)中心在一条直线上，关于方形孔(5.2)对称；另外两个圆形孔(5.1)与方形孔(5.2)另外两边相连接，竖直设置，两个圆形孔(5.1)圆心与方形孔(5.2)中心在一条直线上，关于方形孔(5.2)对称；每个圆形孔(5.1)均与其中两个圆形孔(5.1)两两相连接，并且每个圆形孔(5.1)均与方形孔(5.2)相连接；纳米狭缝(5)贯通于金属膜(2)和电介质层(3)的上下表面。
2.根据权利要求1所述的一种强透射特性的等离激元波导滤波器，其特征在于：所述单位孔阵列结构(4)为正方形或长方形。
3.根据权利要求1所述的一种强透射特性的等离激元波导滤波器，其特征在于：所述电介质层(3)的厚度为5nm～20nm，金属膜(2)的厚度为60nm。
4.根据权利要求3所述的一种强透射特性的等离激元波导滤波器，其特征在于：所述电介质层(3)材料为二氧化硅或砷化镓，所述金属膜(2)的材料为金或银。
5.根据权利要求1所述的一种强透射特性的等离激元波导滤波器，其特征在于：所述圆形孔(5.1)的半径为75nm～90nm，方形孔(5.2)的边长为10nm～60nm。
6.根据权利要求5所述的一种强透射特性的等离激元波导滤波器，其特征在于：所述圆形孔(5.1)的半径为85nm。
7.根据权利要求1所述的一种强透射特性的等离激元波导滤波器，其特征在于：所述N为25～60的正整数。
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