CN108493527B - 一种基于mim波导内嵌矩形腔等离子体滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，属于微纳光电子领域。采用口径耦合的方法构造了一种金属‑介质‑金属矩形波导的滤波器。在本发明实例中，金属薄膜采用金属银材料制成金属薄膜整体为正方形并在金属薄膜上通过镂空方式，形成入射波导、矩形口径和矩形谐振腔。本发明采用矩形谐振腔通过矩形口径与光波导相连实现表面等离激元SPP与谐振腔的共振耦合作用，本发明的特点：通过调节矩形谐振腔的长度，宽度以及矩形口径的宽度等，可以实现滤波器的选频特性。

Description

一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器
(一)技术领域
本发明涉及微纳光子技术领域，具体涉及一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器。
(二)背景技术
表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是一种在金属介质交界面上传播的电磁表面波,其场分布在界面两侧呈指数衰减。SPPs具有可突破传统光学衍射极限及强局域性的特点,因此可以实现光在亚波长级别的引导和操控。基于SPPs可以作为能源和信息载体在高密度集成光电路中具有重要的潜在应用价值。
SPPs波导结构中有两种重要的波导结构类型,即IMI(Insulator-MetalInsulator)和MIM(Metal Insulator-Metal)波导.IMI波导具有较低的损耗,但是限制光在亚波长传播的能力较弱.相对应的,MIM波导不仅在较宽的频谱范围内支持亚波长高群速的模式,而且可实现长程传播并允许其在纳米级别操控和传播光表面等离子体是沿着导体表面传播的波。通过改变金属表面的结构，表面等离子体的性质，特别是和光的相互作用是可以改变的，为开发新的光学器件提供了潜力。这可能导致更小的光子电路，其长度尺度比目前实现的要小得多。表面等离激元正在探索它们在亚波长光学、数据存储、光产生、显微术和生物光子学方面的潜力。
随着科学技术的不断发展，应用于波长选择的波分复用器在光学计算和电信号传播中起到很重要作用。基于MIM结构的SPPs的滤波器常见的耦合方式主要有直接耦合、边界耦合、和口径耦合三种。直接耦合对应的滤波器一般为带通滤波器，边界耦合对应的滤波器一般为带阻滤波器，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，由于SPPs波在金属中的趋肤深度约在20nm左右，因此这两种耦合方式只有在耦合间距小于20nm时才能获得有效的耦合。
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有了更高的要求。而这依赖于速度的提高，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，光子互联器件，如光纤成为了研究热点。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，使两者很难集成与同一回路，因此制约了基于光子回路系统的发展。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。
(三)发明内容
本发明提供一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其目的为了解决传统的波导滤波器透射率不高，功能相对单一，滤波调控范围较窄和尺寸大且复杂等问题。
本发明的目的是这样实现的：
与现有技术相比，例如，加拿大Alberta Edmonton大学的HANZ团队通过口径耦合设计的环形滤波器。西南交通大学的YAN Lian-shan团队通过口径耦合设计的矩形腔滤波器。本发明设计了一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器结构简单，滤波器的Q值较大且可以实现多透射峰。本发明通过在入射波导的中间放置一个矩形口径使得矩形谐振腔通过它与波导管相连。从而使得表面等离激元SPP与矩形谐振腔实现共振耦合。这样利用表面等离激元SPP与谐振腔的共振耦合作用，可以通过调节矩形谐振腔的长度与宽度以及矩形口径的大小，可以发现滤波器的透射曲线出现明显的红移。该滤波器在微纳光学器件尤其是光通信系统中有良好的应用前景。
(四)附图说明
图1是一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器的结构示意图。
图2是一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器中矩形口径采用不用的宽度时的透射率曲线图。
图3是一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器中矩形腔采用不用的长度时的透射率曲线图。
图4是一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器采用不用的宽度时的透射率曲线。
图5是一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器中矩形腔采用不用的宽度时的多峰透射率曲线图。
图中标号：1、金属薄膜；2、光波导；3、矩形口径；4、矩形谐振腔。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明实施方式一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，由金属薄膜以及呈镂空状开设在金属薄膜上的1条入射波导、1个矩形口径和1个矩形谐振腔组成。
金属薄膜采用金属银薄膜材料制成。在本发明例中，金属薄膜整体为正方形大小设置为2000*2000nm。金属薄膜上通过镂空方式，形成入射波导、矩形口径和矩形谐振腔，从而使得入射波导、出射波导和谐振腔内填充的介质为空气。在本发明实例中，入射波导水平延伸设置在金属薄膜上且与整体结构等宽。
本发明通过在入射波导的中间放置一个矩形口径使得矩形谐振腔通过它与波导管相连。矩形口径与谐振腔发生共振耦合，形成一个强大的局域电磁场，使得谐振器体现出滤波特性。在本实例中，矩形口径的对称中心与谐振腔的对称中心在同一垂直线上。在本实施例中，出射波导的延伸方向与入射波导同一条直线上且为矩形长条。
在实际使用时，本发明采用金属银的杜德模型。平面光由入射波导水平入射，经矩形口径耦合进入矩形谐振腔，表面激发的表面等离激元通过隧道效应穿越到出射波导。利用表面等离激元SPP与谐振腔的共振耦合作用，通过调节矩形谐振腔的长度与宽度以及矩形口径的大小等，可以提高滤波器的透射率及其选频特性。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
对于图1所示的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器。在本实例中，入射波导通过矩形口径和谐振腔相耦合。在本实例中，入射波导的宽度设定w＝50nm,矩形口径高b＝150nm。初始矩形谐振腔的长度L＝700nm，宽度h＝200nm,矩形口径的宽度d＝50nm。如图2所示依次改变矩形口径的宽度d使之分别为20nm、30nm、40nm、50nm、60nm。由图可得，随着宽度d的增加，透射峰越来越窄即半波宽越小，滤波器的性能越好。
如图3所示，通过调节矩形谐振腔的长度L使之分别为700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm。由图可得，当增加矩形谐振腔的长度时透射峰明显红移。L为700nm时滤波器的品质因数为最大。
在如图3的基础上得到图4,L为700nm改变矩形谐振腔的宽度h使之为50nm、100nm、150nm、200nm、250nm。由图所得，随着h的增加透射峰出现红移或蓝移。在200nm时透射峰的品质因数最大。
当改变h矩形谐振腔的宽度增加到一定程度时，滤波器会出现第二个，第三个透射峰。如图5所示本发明可以实现滤波器的选频特性。

Claims (7)

1.一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：由金属薄膜，以及呈镂空状开设在金属薄膜上的1条入射波导、1个矩形口径和1个矩形谐振腔组成；金属薄膜由金属银薄膜材料制成；金属薄膜整体为正方形，大小设置为2000*2000nm；金属薄膜上通过镂空方式，形成入射波导、出射波导和谐振腔，从而使得入射波导、出射波导和谐振腔内填充的介质为空气；入射波导为长方形；矩形口径垂直于入射波导且具有相对于入射波导的上下两部分，谐振腔位于入射波导的一侧且与矩形口径垂直接触；入射波导与整体结构等宽；入射波导水平延伸设置在金属薄膜上；
金属薄膜为正方形且内嵌谐振腔为矩形；
矩形口径的对称中心与矩形谐振腔的对称中心相重合；
通过在入射波导的中间放置一个矩形口径使得谐振腔通过它与波导管相连，矩形口径与谐振腔发生共振耦合，形成一个强大的局域电磁场，使得谐振器体现出滤波特性；矩形口径的对称中心与谐振腔的对称中心在同一垂直线上；出射波导的延伸方向与入射波导在同一条直线上且为矩形长条；
平面光由入射波导水平入射，经矩形口径耦合进入矩形谐振腔，表面激发的表面等离激元通过隧道效应穿越到出射波导；利用表面等离激元SPP与谐振腔的共振耦合作用，通过调节矩形谐振腔的长度与宽度以及矩形口径的大小，提高滤波器的透射率及其选频特性。
2.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：矩形口径在谐振腔中间放置，谐振腔位于一侧与口径垂直接触。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：矩形口径垂直位于入射波导两侧，并与谐振腔接触。
4.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：矩形口径的宽度设置为20nm～60nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：矩形谐振腔的长度设置为700nm～1100nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：矩形谐振腔的宽度设置为50nm～250nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于MIM波导内嵌矩形腔等离子体滤波器，其特征是：当矩形谐振腔的长度设置为1100nm时，改变矩形谐振腔h可以获得多个透射峰。
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