CN107196026B

CN107196026B - 一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔mim结构滤波器

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Publication number: CN107196026B
Application number: CN201710357788.5A
Authority: CN
Inventors: 张冠茂; 王志爽; 乔利涛; 刘海瑞
Original assignee: Lanzhou University
Current assignee: Lanzhou University
Priority date: 2017-05-19
Filing date: 2017-05-19
Publication date: 2020-04-03
Anticipated expiration: 2037-05-19
Also published as: CN107196026A

Abstract

一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜上刻蚀有波导管，在该波导管两侧非对称刻蚀半圆腔，该半圆腔通过通道和波导管贯通，在波导管、半圆腔和通道中填充空气形成空气层。本发明首次提出一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器。在同等半径下，半圆腔结构相比于圆盘或圆环结构可以减小一半的结构尺寸。而结构尺寸的减小则可以大大提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度。其次，采用基于口径耦合的横向非对称分布半圆腔结构可提高此滤波器的耦合效率并拓展其带宽。最后还具有结构紧凑、尺寸小，器件易制备等特点。

Description

一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器

技术领域

本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指利用口径耦合的方法构造的一种表面等离激元横向非对称半圆腔MIM(Metal-Insulator-Metal，金属-介质-金属)结构滤波器。

背景技术

表面等离激元波（SPPs，Surface Plasmon polaritons）是一种沿着金属介质表面传播的电磁表面波，在垂直于界面方向以指数形式衰减。SPPs具有良好的局域特性，并能突破传统光学中的衍射极限，从而实现亚波长光学器件的集成。

SPPs的多层系统中有两种最典型的三层结构是IMI和MIM。相比于IMI 结构，MIM结构拥有更小的模式尺寸，可以将传播长度限制在微米量级（如Journal of Physics DApplied Physics, 2010, 43(38):385102-385109(8).）。因此，MIM型结构的SPPs传输可用于光学器件构造中，这有助于实现超密集的集成光电路。

目前，基于MIM结构SPPs的光学功能器件已经在理论和实验研究方面取得了突破，其中滤波器技术在微纳集成光学器件发展中至关重要。基于MIM结构SPPs滤波器常见的耦合方式主要有直接耦合、边界耦合、口径耦合三种。直接耦合对应的滤波器一般为带通滤波器（如Optics Express, 2009, 17(26):24096-101，Optics Express, 2011, 19(4):3513-8. 和Plasmonics, 2015, 10(1):139-144.）；边界耦合对应的滤波器一般为带阻滤波器（如Journal of Modern Optics, 2015, 62(17):1400-1404，Plasmonics, 2013, 8(2):267-275.和Optics Express, 2006, 14(7):2932-7.），且这两种耦合方式构成的滤波器其带宽相对较窄。除此之外，SPPs波在金属中的趋肤深度在20nm左右，这两种耦合方式在耦合间距小于20nm时才能获得有效的耦合，因此，这两种耦合方式在耦合效率和器件制备上有不小的挑战。口径耦合构造的滤波器相对另外两种耦合方式来说可以提高耦合效率，并且通过改变耦合口径的宽度和高度可以调节耦合强度（如Optics Express, 2009, 17(15):12678-84. ，Optics Communications, 2013, 294(5):368-371. 和Optics Express,2011, 19(4):3251-7.）。

发明内容

本发明提供一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度，同时提高此滤波器的耦合效率并拓展其带宽。

为此，本发明所采用的技术方案为：

一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜上刻蚀有波导管，在该波导管两侧非对称刻蚀半圆腔，该半圆腔通过通道和波导管贯通，在波导管、半圆腔和通道中填充空气形成空气层。

所述半圆腔的半径r为50nm～100nm，通道口径A为35nm～50nm，半圆腔中心之间的距离为D为150nm～250nm。

本发明首次提出一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器。在同等半径下，半圆腔结构相比于圆盘或圆环结构可以减小一半的结构尺寸。而结构尺寸的减小则可以大大提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度。其次，采用基于口径耦合的横向非对称分布半圆腔结构可提高此滤波器的耦合效率并拓展其带宽。最后还具有结构紧凑、尺寸小，器件易制备等特点。

本发明利用口径耦合的方法构建的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，其通带和阻带宽，带内分布平坦；通带透射比超过90%,阻带透射比低于5%；通过选择结构参数，可以实现对光通信波段850nm，1310nm和1550nm三个通信工作窗口的通断控制选择。

附图说明

图1为本发明口径耦合横向非对称MIM滤波器结构剖面示意图；

图2为本发明双半圆腔横向非对称结构滤波器透射谱分布图；

图3为本发明改变参数r保持其它结构参数不变(D=200nm,A=40nm):(a)透射谱线与参数r的关系图；(b) 带宽与参数r的关系图；(c) 陡峭度与参数r的关系图；

附图4为本发明改变参数D保持其它结构参数不变(r=100nm,A=40nm):(a)透射谱线与参数D的关系图；(b) 带宽与参数D的关系图；(c) 陡峭度与参数D的关系图；

附图5为本发明改变参数A保持其它结构参数不变(r=100nm,D=200nm):(a)透射谱线与参数A的关系图；(b) 带宽与参数A的关系图；(c) 陡峭度与参数A的关系图；

附图6为本发明在优化结构参数后获得的透射谱分布图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参照图1，一种表面等离激元横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜1上刻蚀有波导管2，在该波导管2两侧非对称刻蚀半圆腔3，该半圆腔3通过通道4和波导管2贯通，在波导管2、半圆腔3和通道4中填充空气形成空气层。

其中半圆腔3的半径为r，通道4的口径为A，半圆腔3最底端与波导管2的距离为d，两半圆腔3中心之间距离为D，输入输出端口与半圆腔3的距离为L，波导管2的宽度W。L和W固定为300nm和50nm，为剔除半圆腔3与波导管2之间的倐逝耦合将d固定为50nm，可变结构参数初始化为A=40nm，r=100nm，D=200nm。透射系数T定义为

，其中

和

分别为输入和输出端口处的功率。

本发明中介质选用空气

，金属选用银Ag，其相对介电常数

采用标准Drude模型计算，

，式中无穷介电常数取为

，等离子体频率

，电子碰撞频率

。

在上述结构及参数条件下，本发明传输特性验证优化过程如下：

1、保持初始化结构参数(r=100nm,D=200nm,A=40nm)不变，其透射谱线分布图参见图2 所示。其透射谱分布类似矩形滤波器，具有透射比高，通带和阻带的带宽较宽，透射谱线平滑等特性。光通信波段中第一光通信窗口(中心波长为850nm)位于此结构透射谱的通带，第二、第三光通信窗口(分别位于1310nm,1550nm处)位于其透射谱的阻带。

2、为探究可调节结构参数A，r，D对本发明滤波器传输特性的影响，其结果参见图3、图4和图5。在保持其余结构参数不变的情况下对可调节结构参数A，r，D进行逐一分析。分析结果表明：结构参数r，A，D对透射谱的通带和阻带的带宽，上升沿和下降沿的陡峭度及透射谱线的移动均有影响。具体如下：

本发明的MIM结构滤波器的透射谱线类似于矩形滤波器（见图2）。为更好地呈现结构参数与通带和阻带的带宽之间的关系，我们定义带宽(BW)：短波长处通带的带宽为透射比大于0.8部分的谱线宽度，阻带的带宽为透射比小于0.05部分的谱线宽度。此外为了描述透射谱线上升沿和下降沿的陡峭度与结构参数的关系，本发明中定义陡峭度(SD)：

,其中SW为透射比0.8（0.2）到0.2（0.8）之间的下降沿（上升沿）的谱线宽度，0.6为透射比0.8与0.2之差，陡峭度的单位为微米^-1。此时，SD可直观地反映上升沿和下降沿陡峭度的大小。SD越大，陡峭度越大。

当改变结构参数r而其它参数保持初始值不变(D=200nm,A=40nm)，参见附图3(a)，随着r的增大，透射谱线出现明显的红移现象，且通带和阻带的带宽有明显的增大。图3(b)显示了通带、阻带带宽与r的函数关系。图3(c)是r与透射谱线上升沿与下降沿陡峭度的关系图，随着r的增大，下降沿的陡峭度减小，上升沿的陡峭度不变。

当改变结构参数D其它参数保持初始值不变(r=100nm,A=40nm)，参见附图4(a)，随着D的增大，透射谱线出现红移，通带带宽减小，阻带的带宽缓慢增长。图4(b)显示了通带、阻带的带宽与D的函数关系。图4(c)是D与透射谱线上升沿与下降沿陡峭度的关系图，随着D的增大，下降沿的陡峭度增大，上升沿的陡峭度减小。

当改变结构参数A其它参数保持初始值不变(r=100nm,D=200nm)，参见附图5(a)，随着A的增大，透射谱线出现蓝移，短波处通带的带宽和阻带的带宽均减小。图5(b)显示了通带、阻带的带宽与A的函数关系。图5(c)是A与透射谱线上升沿与下降沿陡峭度的关系图，随着A的增大，下降沿的陡峭度缓慢增大，而上升沿的陡峭度则缓慢减小。

从图3~图5，可以了解到可变结构参数r，D，A对透射谱线影响的不同作用。参数r对通带和阻带的带宽，上升沿的陡峭度及透射谱线的移动均有影响，而对下降沿的陡峭度影响不大。参数D，A则对通带的带宽，上升沿和下降沿的陡峭度及透射谱线的移动有影响，对阻带的带宽影响不大。基于上述结构参数对所设计的MIM结构滤波器透射谱线的影响规律，可以对滤波器的结构和相应的透射特性进行优化处理。

根据图3~图5中参数r，D，A对本发明滤波器透射谱线影响的不同作用来优化本发明滤波器的结构。其优化分析结果参见附图6。将可变结构参数设置为A=35nm、r=90nm、D=200nm时，光通信波段中第一光通信窗口位于此优化结构透射谱的通带，第二、第三光通信窗口位于其透射谱的阻带。将可变结构参数设置为A=50nm、r=50nm、D=150nm时，此时优化结构具有更小的结构尺寸且光通信波段中第一光通信窗口位于此优化结构透射谱的阻带，第二、第三光通信窗口则位于其透射谱的通带部分。当可变结构参数设置为A=45nm、r=70nm、D=250nm时，光通信波段中第一光通信窗口位于此优化结构透射谱的通带，第二、第三光通信窗口位于其透射谱的阻带。此优化结构有别于另外两种优化结构，其通带和阻带具有较窄的带宽且下降沿的陡峭度非常高。在这三种优化设计结构中，其阻带都具有平底的传输特性。由此，可以实现对光通信波段中三个光通信窗口传输通断的控制选择。

Claims

1.一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜，其特征在于：在金属膜(1)上刻蚀有波导管(2)，在该波导管(2)两侧非对称刻蚀半圆腔(3)，该半圆腔(3)通过通道(4)和波导管(2)贯通，在波导管(2)、半圆腔(3)和通道(4)中填充空气形成空气层；

所述半圆腔(3)的半径r为50nm～100nm，通道(4)口径A为35nm～50nm，半圆腔(3)中心之间的距离为D为150nm～250nm；其通带和阻带宽，带内分布平坦，通带透射比超过90％，阻带透射率低于5％；通过优化选择r，A，D结构参数，可以实现对光通信波段在850nm，1310nm和1550nm三个通信工作窗口的通断控制选择；

所述半圆腔(3)的半径r为90nm，通道(4)口径A为35nm，半圆腔(3)中心之间的距离D取为200nm；它可以通过850nm的光通信第一窗口，阻断1310nm，1550nm的光通信第二，第三窗口；

所述半圆腔(3)的半径r为50nm，通道(4)口径A为50nm，半圆腔(3)中心之间的距离D取为150nm；它可以阻断850nm的光通信第一窗口，通过1310nm，1550nm的光通信第二、第三窗口；

所述半圆腔(3)的半径为r为70nm，通道(4)口径A为45nm，半圆腔(3)中心之间的距离D取为250nm；它可以通过850nm的光通信第一窗口，阻断1310nm，1550nm的光通信第二、第三窗口；该滤波器其通带和阻带具有较窄的带宽，且上升、下降沿的陡峭度非常高。