CN107422404A - 一种集成滤波功能的表面等离激元y型分束器 - Google Patents

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Abstract

一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器，涉及表面等离激元。设有三条表面等离激元槽型波导，所述三条表面等离激元槽型波导按Y型连接而成，所述表面等离激元槽型波导设有金属膜和2条平行金属带，2条平行金属带设在金属膜上，除金属膜和金属带以外，其它部分为介质。利用Y型连接实现表面等离激元分束；利用连接处形成的等效金属腔的波长选择性实现表面等离激元滤波；同时实现滤波和分束功能；这种结构设计灵活、结构简单且紧凑，容易加工，非常适合集成。

Description

一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器
技术领域
本发明涉及表面等离激元，尤其是涉及一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器。
背景技术
表面等离激元(Surface Plasmon Polariton)是一种局域在金属/介质表面的电磁场表面模式，其特点是电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减；并且以大于介质中同频率光的波数沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现能量转换。这使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控。基于表面等离激元的各种功能器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注。由于表面等离激元具有较大的传输损耗，根据传统的滤波器原理来设计表面等离激元滤波器将导致器件性能不高，且无法获得小尺度的器件。因此，需要根据表面等离激元的特点来设计和实现滤波器，这始终是实现表面等离激元滤波器的难点(W.L.Barnes,A.Dereux,and T.W.Ebbesen,“Surface plasmonsubwavelength optics,”Nature 424,824–830(2003))。另一方面。Y型分束器作为重要的光通讯器件，如果在滤波的同时能结合分束功能，将极大地提高光器件的集成度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器。
本发明设有三条表面等离激元槽型波导，所述三条表面等离激元槽型波导按Y型连接而成，所述表面等离激元槽型波导设有金属膜和2条平行金属带，2条平行金属带设在金属膜上，除金属膜和金属带以外，其它部分为介质。
所述金属可选自金、银、铝等；所述介质可选自空气、玻璃、水等，只要满足在需要的波段能支持表面等离激元的传播这一条件即可。
所述金属膜的厚度和金属带的宽度和高度不严格限制，可视具体情况调整优化，一般大于表面等离激元在金属中的穿透深度。所述表面等离激元槽型波导的横截面是一个开口矩形腔。
本发明的优点在于：
1)利用Y型连接实现表面等离激元分束；
2)利用连接处形成的等效金属腔的波长选择性实现表面等离激元滤波；
3)同时实现滤波和分束功能；
4)这种结构设计灵活、结构简单且紧凑，容易加工，非常适合集成。
附图说明
图1为本发明所述表面等离激元槽型波导的结构示意图；
图2为本发明所述表面等离激元槽型波导中表面等离激元基模电场分布图；
图3为本发明实施例的结构示意图；
图4为本发明实施例1在任一支路产生的透过谱；
图5为本发明实施例2在任一支路产生的透过谱。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。本发明的滤波特性和分束特性与金属材料、表面等离激元频率、器件的几何尺寸有关。通过求解麦克斯韦方程组及边界条件或用电磁场计算软件(有限元、FDTD等)可求得透射谱。
参见图1，本发明实施例设有三条表面等离激元槽型波导，所述三条表面等离激元槽型波导按Y型连接而成，所述表面等离激元槽型波导设有金属膜1和2条平行金属带2，2条平行金属带2设在金属膜1上，除金属膜1和2条平行金属带2以外，其它部分为介质。
所述金属带2的宽度为G，高度为H，相邻金属壁间距为W，其横截面是一个开口矩形腔。图2给出表面等离激元在一个槽型波导(W＝0.5μm，H＝0.8μm)中真空波长为900nm的基模的横向电场分布，可见能量主要被束缚在波导的底部，波导的截止波长约等于2W。实际上，组成表面等离激元槽型波导的金属带2不需要必须是长方体，只需满足金属带足够厚，且相邻金属壁形成的横截面是一个开口矩形即可。
所述金属膜的厚度和金属带的宽度和高度不严格限制，可视具体情况调整优化，一般大于表面等离激元在金属中的穿透深度。所述表面等离激元槽型波导的横截面是一个开口矩形腔。
参见图3，将表面等离激元槽型波导按“Y”型连接，形成本发明所述集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器，其中：W0，W1和W2分别是输入波导和两个输出波导的宽度；H1是表面等离激元槽型波导的深度；H2是金属膜的厚度；Dx是波导弯曲部分的长度；Dy是输出波导相邻金属壁之间的间距。当表面等离激元在输入波导中传输到Y型分叉路口时，其会被分叉处的尖端结构散射，该尖端结构和周围的金属壁实际上形成一个等效的金属共振腔。只有特定波长的表面等离激元将在腔内产生共振而被反射回输入波导，其他波长的表面等离激元将经Y型分叉口分别输出到两个输出波导，并且其透射谱在共振波长处将形成透射率谷。因此整个器件同时集成了分束和带阻滤波的功能。通过优化器件的几何参数，可以对透射谷的位置、深度和半宽进行调整。
本发明中金属不限制，可以是金、银、铝等；介质材料不限制，可以是空气、玻璃、水等，只要满足在需要的波段能支持表面等离激元的传播这一条件即可。金属膜的厚度和金属带的宽度和高度不严格限制，可视具体情况调整优化，一般大于表面等离激元在金属中的穿透深度。
以下给出具体实施例。
实施例1
集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器的波导壁和金属膜的材料都是金，结构如图3所示，几何参数如下：波导深度H1＝1.8μm；金属膜厚度H2＝0.4μm；波导宽度W0＝W1＝W2＝0.8μm；Dx＝4.0μm；Dy＝0.7μm。滤波器放置在玻璃衬底上，其余介质为空气。FDTD数值模拟的表面等离激元在输出波导1(或输出波导2)的透射谱(电场平方)见图4，横坐标是入射表面等离激元的真空波长。由图可知：(1)在波长0.92μm处透射率陡降至0.05，实现带阻滤波功能，阻带宽度(半宽)为20nm；(2)其他波长处透射率大约是0.35，即约有70％的功率被平分到两路波导，实现分束功能。
实施例2
集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器的波导壁和金属膜的材料都是金，结构如图4所示，几何参数如下：波导深度H1＝1.8μm；金属膜厚度H2＝0.4μm；波导宽度W0＝W1＝W2＝1.0μm；Dx＝3.0μm；Dy＝3.0μm。滤波器放置在玻璃衬底上，其余介质为空气。FDTD数值模拟的表面等离激元在输出波导1(或输出波导2)的透射谱(电场平方)见图5，横坐标是入射表面等离激元的真空波长。由图可知：(1)在波长1.064μm处透射率陡降至0.065，实现带阻滤波功能，阻带宽度(半宽)为40nm；(2)其他波长处透射率大约是0.35，即约有70％的功率被平分到两路波导，实现分束功能。

Claims (3)

1.一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器，其特征在于设有三条表面等离激元槽型波导，所述三条表面等离激元槽型波导按Y型连接而成，所述表面等离激元槽型波导设有金属膜和2条平行金属带，2条平行金属带设在金属膜上，除金属膜和金属带以外，其它部分为介质。
2.如权利要求1所述一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器，其特征在于所述金属选自金、银或铝。
3.如权利要求1所述一种集成滤波功能的表面等离激元Y型分束器，其特征在于所述介质选自空气、玻璃或水。
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