CN108680974A - 一种表面等离激元波导可调谐光滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，主要包括金属膜以及开设在金属膜上的多个狭缝结构单元，多个狭缝结构单元中的横向矩形狭缝开设在金属膜下端的三分之一处，纵向矩形狭缝开设在横向矩形狭缝中部上端并且相互垂直，圆盘狭缝开设在纵向矩形狭缝上端且中心点在同一竖轴上，圆盘狭缝内镶有两个完全相同的等腰三角形，其顶角相连和底边相互平行形成蝴蝶结形状的金属棒，其顶角相连的交点就是圆盘狭缝的圆心。所有狭缝结构单元均贯穿金属膜上下表面上且形成统一的整体狭缝结构。本发明的滤波器结构在近红外波段内具有可调谐和高透射率的特性，并且通过改变结构的相关参数，可以达到调整透射光谱半高宽与选频位置目的，从而可以实现适用范围广、利用率高、易于集成的等离子激元可调谐滤波器。

Description

一种表面等离激元波导可调谐光滤波器

(一)技术领域

本发明属于微纳光电子技术领域，具体涉及一种表面等离激元波导可调谐光滤波器。

(二)背景技术

表面等离子激元(Surface Plasmon Polartions,SPPs)是金属纳米结构中自由电子的共谐振荡,具有一系列新奇的光学性质。表面等离激元沿着金属-介质表面传播的一种特殊表面电磁消逝波，并垂直金属表面方向上呈指数衰减，它可以突破传统的光学衍射极限。而最具吸引力之处在于它有利于突破亚波长结构的约束来引导光传播，这将有利于实现光子器件结构尺寸的微型化。

随着纳米技术的逐渐成熟和表面等离子激元理论的逐渐完善，表面等离子体光子学成为了纳米光子学的一门重要学科，其已经进入了快速发展时期，掀起了人们对利用表面等离子激元制备纳米尺寸的光器件热潮关注。随着研究工作的深入，科学家们将把光电子器件细分出多个分支点，其在性能器件上的分类越来越多，如分束器、传感器、光放大器、耦合器、调制器和滤波器等，其在各领域中发挥了越来越重要作用。

近年来，越来越多的等离子激元波导滤波器已被提出并得以证明。例如，已经设计并详细研究了齿形状腔、环形谐振腔和矩形几何谐振腔等结构的滤波器。通过先前提出的滤波器发现，在大多数情况下，其均必须改变谐振腔的外尺寸调整透射光谱滤波器，虽然在性能上具有良好的滤波特性，但在实际应用中存在着不方便调谐的问题。为了解决此问题以及获得良好滤波效果，本发明提出一种表面等离激元波导可调谐光滤波器。

(三)发明内容

本发明主要针对传统的滤波器和透射光谱难以调谐的滤波器问题。在大多数情况下，我们必须改变谐振腔的外尺寸调整透射光谱滤波器，在实际应用中很不方便。因此，本发明提供一种表面等离激元波导可调谐光滤波器。

为了解决上述的问题，本发明是通过以下方案来实现：

一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其由金属膜和多个狭缝结构单元组成；这些狭缝结构单元贯通开设在金属膜上，且所有纳米狭缝结构单元内部均填充待测介质。狭缝结构单元由贯通在金属膜上下表面的下方横向矩形狭缝(波导管)、纵向矩形狭缝(矩形谐振腔)和圆盘内镶有金属棒形成的狭缝(圆盘谐振腔)组成。金属膜下方横向矩形狭缝的中端与纵向矩形狭缝的下端以垂直方式相连通；圆盘谐振腔低部与纵向矩形狭缝的上端相连通，并纵向矩形狭缝中心与圆盘圆心同一竖轴线上，且纵向矩形狭缝的上边是圆盘内的一条弦。圆盘内镶金属棒是由两个完全相同的等腰三角形构成，两个等腰三角形的顶角相连接且底边相互平行，所相连接的交点与圆盘谐振腔的圆心同一点，两个完全相同的等腰三角形相连接形成整体结构呈蝴蝶结形状。

上述方案中，金属膜的厚度符合工作条件的厚度即可，为了获得良好滤波效果，金属膜厚度为100nm。

上述方案中，金属膜的材料为银。

上述方案中，待测介质的折射率在1.00～1.20范围内。

上述方案中，下方横向矩形狭缝长度、厚度与金属膜厚度相等。

上述方案中，纵向矩形狭缝长度为94.2nm～100.125nm,宽度为20nm～100nm范围。

上述方案中，圆盘谐振腔半径为250nm固定不变。

上述方案中，圆盘内镶金属棒所形成的狭缝厚度与金属膜厚度相等。

上述方案中，圆盘内镶蝴蝶结状的材料为银，其厚度与金属膜厚度相等。

上述方案中，圆盘内两个完全相同的等腰三角形银棒边长均相等，底边相互平行且同步变化，底边长度为100nm～300nm范围内。

与现有技术相比，本发明具有以下几个特点：

1、本发明提出的滤波器具有易于调谐透射光谱和实现宽阻带选择性，它与大多数传统滤波器不同，圆盘谐振腔的尺寸不变，只通过改变银棒和介质的参数，传输光谱和宽阻带得到有效的调谐。在光开关和选频过滤具有重要的应用价值。

2、在制作本发明时，通过改变圆盘谐振腔内蝴蝶结状银棒的旋转角度，可以有效的调谐透射光谱并使之在某一个波段出现波谷，使得与另一个透射波谷之间形成一个新的透射峰，该透射峰随着银棒的旋转角度的变化而变化，从而实现透射光谱波谷个数的扩展与缩减，大大提高了滤波器的可调谐性。

3、在本发明中，通过调节介质折射率和狭缝宽度、银棒宽度等参数，可以使滤波器透射光谱的位置、选频波段以及阻带半高宽变化，在实际应用中，从而可以制作针对特定选频范围的滤波器。

(四)附图说明

图1为本发明一种表面等离激元波导可调谐光滤波器立体结构示意图。

图2为本发明一种表面等离激元波导可调谐光滤波器平面结构示意图。

图3为本发明圆盘内双三角形银棒底边长度变化时的透射光谱曲线图。

图4为本发明圆盘内双三角形银棒旋转角度变化时的透射光谱曲线图。

图5为本发明待测介质折射率变化时的透射光谱曲线图。

图6为本发明的纵向矩形狭缝宽度变化时的透射光谱曲线图。

图中标号：1、金属膜；2、下方横向矩形狭缝；3、纵向矩形狭缝；4、圆盘谐振腔；5、蝴蝶结状银棒。

(五)具体实施方式

为了更加理解本发明的目的、技术方案以及优点，下面结合附图对本发明进一步详细说明。

如图1为本发明一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，整体结构主要由金属膜1和多个狭缝结构单元组成。为了获得滤波器的最佳特性，金属膜1的长度为2400nm，宽度为2000nm，厚度为100nm；其中多个狭缝结构单元主要包括下方横向矩形狭缝2(波导管)、纵向矩形狭缝3(矩形谐振腔)和圆盘谐振腔4。下方横向矩形狭缝与纵向矩形狭缝均呈长方体状，其以垂直方式相连接；而圆盘谐振腔呈圆柱体状，圆盘谐振腔体内镶有银棒呈顶角相连的双三棱柱状。其波导管、矩形谐振腔、圆盘谐振腔和银棒厚度均与金属膜厚度相等；

如图2为本发明一种表面等离激元波导可调谐光滤波器平面结构示意图。该滤波器的结构主要由金属膜、波导管和谐振腔构成，下方横向矩形狭缝的中端与纵向矩形狭缝的下端以垂直方式相连通；圆盘谐振腔与纵向矩形狭缝的上端相连通，且纵向矩形狭缝中心与圆盘圆心同一竖轴线上，纵向矩形狭缝的上边是圆盘内的一条弦；圆盘内镶有金属棒是由两个完全相同等腰三角形构成，其以顶角相连接和底边相互平行方式形成，所相连接的交点与圆盘谐振腔的圆心同一点，两个完全相同的等腰三角形相连接形成整体结构呈蝴蝶结形状。

图2中金属膜上白色区域均填充介质为空气。结构参数L，W，D，G，R，I，H，θ，n分别为输入输出口与共振边界的距离，波导管宽度，纵向矩形狭缝宽度，纵向矩形狭缝长度，圆盘谐振腔半径，圆盘内双三角形银棒底边长度，圆盘内双三角形银棒高度，圆盘内双三角形银棒逆时针旋转角度，待测介质折射率。其中L，W，H，R分别固定为750nm，100nm，320nm，250nm。其余结构参数初始化为D＝110nm，G＝100.125nm，I＝100nm，θ＝0°，n＝1.00。其G取值由下列公式计算得出：

若本发明在实际中使用时，需要在金属膜底下覆于一层介质基底，该介质基底可以为硅或二氧化硅。

本发明工作思路是：先由平面光从波导管的左侧平行横向入射，入射光经矩形谐振腔进入圆盘谐振腔，然而从波导管的右侧出射。当SPPs沿着波导管传输时，经过矩形谐振腔进入圆盘谐振腔内，在圆盘谐振腔内分别向双三角形银棒两侧传输，当两股SPPs波满足相位相消条件时，透射光谱就会产生波谷。在这种条件作用下，可以通过调整结构的相应参数，使光的透射具有可调谐作用。

本发明实施操作是：在结构参数固定和初始化的前件下进行开展工作。①当圆盘谐振腔内双三角形银棒底边长度在100nm～300nm范围内变化时，可得出如图3所示的透射光谱曲线图；②在圆盘谐振腔内双三角形银棒底边长度保持为300nm的情况下，当圆盘内双三角形银棒逆时针旋转角度在0°～90°范围内变化时，可得出如图4所示的透射光谱曲线图；③在圆盘内双三角形银棒逆时针旋转角度固定80°的前提下，当待测介质折射率在1.00～1.20范围内变化时，可得出如图5所示的透射光谱曲线图；④当纵向矩形狭缝宽度在20nm～110nm范围内变化时，可得出如图6所示的透射光谱曲线图。

下面结合本发明实施操作，并通过对本实施例进行了仿真验证，对得出的结果进一步分析：

图3为本发明圆盘内双三角形银棒底边长度变化时的透射光谱曲线图。

图中横坐标表示为平面光入射波长，纵坐标表示为光出射的透射率，其工作波段为800nm～2000nm，在图中五种不同的透射光谱曲线分别为双三角形银棒底边长度I依次为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm时仿真得出的结果。由图中结果可见，当双三角形银棒底边长度I增大时，透射光谱向长波长方向进行了移动，即呈现红移现象；透射光谱半高宽随着I增大而增大；当I增大到300nm时，透射光谱开始出现第二个透射波谷。由此可见，通过改变双三角形底边长度可以实现一个变速的可调性。

图4为本发明圆盘内双三角形银棒旋转角度变化时的透射光谱曲线图。图中横坐标与纵坐标表示和图3一致，但其工作波段为800nm～2000nm。图中五种不同的透射光谱曲线分别为逆时针旋转角度θ依次取值0°、20°、40°、60°、80°时仿真得出的结果。由图中结果可见，当双三角形银棒逆时针旋转角度θ增大时，透射光谱出现两个透射波谷，且其之间形成一个透射峰；随着旋转角度θ增加透射峰的透射率逐渐减小，两个透射波谷越来越接近；当θ增加达到90°时，透射峰完全消失，两个透射波谷变成一个透射波谷。大大增强了透射率可调谐选择性。然而，可以作为一种多功能滤波器，在传输谱中的宽带宽可以在一些特殊的应用中进行过滤。

图5为本发明待测介质折射率变化时的透射光谱曲线图。图中横坐标与纵坐标表示和图3一致，工作波段与图4波段相同。图中五种不同的透射光谱曲线分别为待测介质折射率n依次取值1.00、1.05、1.10、1.15、1.20时仿真得出的结果。由图中结果可见，当待测介质折射率n逐渐增大时，透射光谱向长波长方向进行了移动，即呈现红移现象，随着待测介质折射率增加，透射光谱的半高宽逐渐增大，从而实现了一个宽阻带的可调谐。

图6为本发明的纵向矩形狭缝宽度变化时的透射光谱曲线图。图中横坐标与纵坐标表示和图3一致，工作波段与图4波段相同。图中五种不同的透射光谱曲线分别为纵向矩形狭缝宽度D依次取值20nm、40nm、60nm、80nm、100nm时仿真得出的结果。由图中结果可见，当D减小时，透射光谱的半高宽随之减小，透射率高达到0.92，低达到0.01。这不仅可以选择相应的波段来进行过滤，而且使滤波器的品质因数性能得到了改善。

本发明的滤波器结构在近红外频段内高透射率、调谐敏捷的透射光谱特性，并通过改变相关结构参数可以有效的调整透射光谱的位置以及半高宽的大小。从而可以实现适用范围广、利用率高、易于集成的等离子激元可调谐滤波器。

以上所述对本发明的实施例进行了具体说明，但本发明并非是限制于本实施例，因此本发明并不局限于上述实施方案中，在不违背本发明的原理前提下，凡是在本领域技术人员在本发明做出各种等同的变型或替换，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，包括金属膜(1)和多个狭缝结构单元组成，其特征在于：可调谐光滤波器整体结构由金属膜(1)、下方横向矩形狭缝(2)、纵向矩形狭缝(3)和圆盘内镶有金属棒形成的狭缝(4)构成，这些狭缝结构单元贯通开设在金属膜上，且所有纳米狭缝结构单元内部均填充待测介质为空气。金属膜下方横向矩形狭缝中端与纵向矩形狭缝下端以垂直方式相连通；圆盘谐振腔低部与纵向矩形狭缝的上端相连通；并纵向矩形狭缝中心与圆盘圆心同一竖轴线上，且纵向矩形狭缝的上边是圆盘的一条弦。圆盘内金属棒狭缝是由两个完全相同的等腰三角形构成，两个等腰三角形的顶角相连接且底边相互平行，所相连接的交点与圆盘谐振腔的圆心同一点，两个完全相同的等腰三角形相连接形成整体结构呈蝴蝶结形状(5)。

2.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：下方横向矩形狭缝长度、厚度与金属膜厚度相等。

3.根据权利要求1或2所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：纵向矩形狭缝长度介于94.2nm～100.125nm，宽度介于20nm～100nm范围。

4.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：圆盘内镶金属棒所形成的狭缝厚度与金属膜厚度相等。

5.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：圆盘谐振腔半径为250nm固定不变。

6.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：圆盘内金属棒是由两个完全相同的等腰三角形构成。

7.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：圆盘内两个完全相同的等腰三角形银棒边长均相等，底边相互平行且同步变化，底边长度为100nm～300nm范围内。

8.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：待测介质的折射率在1.00～1.20范围内。

9.根据权利要求1所述一种表面等离激元波导可调谐光滤波器，其特征在于：金属膜的厚度符合工作条件的厚度即可，为了获得良好滤波效果，金属膜厚度为100nm。