CN109683219A - 基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器 - Google Patents
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Abstract
基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，包括电介质基底和设于电介质基底上的产生表面等离子体的金属薄膜。金属薄膜上设有复数个透光单元，透光单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆孔和复数个宽度相等的与圆孔同心的圆环，复数个透光单元周期性阵列排列。通过调节所述金属薄膜厚度、透光单元间隔长度、圆环的宽度以及复数个圆环之间的间距等，优化表面等离子体滤光器的参数以使其适用不同的应用环境。本发明结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成；使用时无需外加磁场或电场，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰；功耗低，且能同时获得多种不同波段、不同性能参数的光谱，从而满足不同环境下滤光器的使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及微纳光子器件领域，特别是涉及一种基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器。
背景技术
随着社会的进步，电子器件已经很难满足人们对信息传输速度和存储量的需求，人们逐渐将目光转向了光子器件。而光子器件存在衍射极限的问题，使得光子器件无法小型化和集成化，极大限制了光子器件在信息领域的应用。
表面等离子体（Surface Plasmons, SPs）具有亚波长、电场局域以及局域场增强等优良特性。表面等离子体滤光器通过控制外部因素改变滤光器中SPs的激发或传输，进而调控光的传输，从而实现对光的滤光操作。相对于传统的滤光器，表面等离子体滤光器在小于衍射极限尺度内实现对光的控制，从而在纳米尺度上实现滤光器的集成。因而利用表面等离子体设计并实现微纳光子器件可有效解决光子器件的衍射极限问题。例如在波导中设置一个双核光子晶体光纤，在光纤外包层中填充不同介质，实现通过改变外界磁场控制的SPs微纳滤光器；或设计由不同锯齿状波导组成滤光器，通过锯齿状波导将光耦合到不同路径内。
然而现有表面等离子体滤光器都存在结构复杂、损耗过大以及难以集成的问题，且表面等离子体滤光器参数可调性差，无法进行多波段同时调节，不能很好的满足多种器件的要求；另外由于需要外加磁场和电场等，不可避免的存在外加磁场和外加电场对信号光及后续光路的干扰。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，通过在金属薄膜上周期性地设置亚波长圆环孔阵列，使得表面等离子体滤光器结构简单操作方便，尺寸小便于集成以及无泵浦光对信号光及后续光路进行干扰。
本发明的技术方案是：基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，包括电介质基底和设于电介质基底上的产生表面等离子体的金属薄膜，金属薄膜上设有复数个透光单元，所述的透光单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆孔和多个与所述圆孔同心的圆环，所述的复数个透光单元周期性阵列排列。
本发明进一步的技术方案是：所述的电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，所述电介质的厚度为175nm-225nm；所述的金属薄膜的材料为银或金，所述金属薄膜的厚度为50nm-150nm。
本发明再进一步的技术方案是：所述透光单元数量不小于9，所述的复数个透光单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个所述的透光单元的排列周期为500nm-700nm。
本发明更进一步的技术方案是：所述的圆孔半径为0-100nm，所述的圆环的数量为三个以上；所述圆孔与其最接近的圆环之间的间距为0-100nm，复数个所述圆环之间的间距相等，所述圆环的宽度为20-55nm。
本发明与现有技术相比具有如下特点：
1、本发明的表面等离子体滤光器，仅包括电介质基底和具有周期性阵列排布的透光单元的金属薄膜，结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成；使用时无需外加磁场或电场，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。
2、本发明的表面等离子体滤光器，通过金属薄膜厚度、透光单元排列周期、圆环的宽度以及复数个圆环之间的间距等参数的变化，调节滤光器的透光率，降低滤光器工作过程中的能量损耗；且能同时调节参数获得多种不同波段的光谱，从而满足不同环境下滤光器的使用要求。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为实施例一的结构示意图；
图2为实施例一中透光单元的结构示意图；
图3为实施例一工作状态透光单元石英/银界面处（x,z）平面内z方向电场分量Ez的空间分布图；
图4为实施例一的光透过率谱图；
图5为实施例二的不同的圆环宽度下的光透过率谱图；
图6为实施例三的不同的圆环宽度差值下的光透过率谱图。
具体实施方式
实施例一，如图1所示，基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，包括电介质基底1和设于电介质基底1上的产生表面等离子体的金属薄膜2，金属薄膜2上设有复数个透光单元3。
所述的电介质基底1的电介质材料为石英，所述电介质的厚度为225nm；所述的金属薄膜2的材料为银，所述金属薄膜2的厚度为50nm。
复数个所述的透光单元3排列形成的阵列的形状为正方形，复数个所述的透光单元3的排列周期为600nm。如图2所示，所述的透光单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆孔3-1和三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2，复数个所述的透光单元3周期性阵列排列。
所述的圆孔3-1半径为65nm，所述的圆环3-2的数量为三个，所述圆孔3-1与其最接近的圆环3-2之间的间距为35nm，相邻圆环3-2之间的间距相等均为25nm，所述圆环3-2的宽度W为25nm。
光线k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2时，表面等离子体滤光器处于工作状态，圆孔3-1内表面等离子体共振（Surface Plasmon polaritons, SPPs）模式与圆环3-2内局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmons, LSPs）模式发生耦合，不同共振模式间的电荷发生转移，即使得SPPs共振模式所对应的可见光波段透射峰发生大小的变化（可见光波段透射峰的位置变化仅由透光单元的周期决定）；LSPs共振模式所对应的近红外波段透射峰发生位置的移动和大小的变化。石英/银界面处（x,z）平面内z方向电场分量Ez的空间分布如图3所示，从图3中可看出，圆孔3-1内积聚了较多的电荷，导致内圆电场较强；与此同时，三个圆环3-2的半径越大，圆环3-2内的电荷密度越小，且圆环3-2内的一部分电荷由于发生耦合被转移至圆孔3-1中，导致三个圆环3-2中的电场依次减小。
此时，表面等离子体滤光器在近红外波段区域形成三个透射峰，如图4所示，定义透射峰的中心波长为表面等离子体滤光器近红外波段不同共振透射峰的中心位置波长，三个透射峰的中心波长分别为λ1=1323 nm，λ2=2248 nm，λ3=3362 nm，透过率分别为0.8737、0.5469和0.2486。由此可知表面等离子体滤光器实现了对近红外波段的滤光操作，能够获得三种不同中心波长的透射光谱，具有很好地滤光效果。然而从图4中可看出滤光后的三个透射光谱具有不同的透过率，存在不同程度的能量损耗，尤其是表面等离子体滤光器的第二峰和第三峰的透过率较低仅为0.5469和0.2486，若实际应用中某些光子器件要求表面等离子体滤光器的第二峰和第三峰具有相对高的透过率，则基于该表面等离子体滤光器制作的微纳光子器件可能存在无法满足该类光子器件的问题。因而需要对表面等离子体滤光器进行改进以实现对第二峰和第三峰透过率的改善。
实施例二，基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，包括电介质基底1和设于电介质基底1上的产生表面等离子体的金属薄膜2，金属薄膜2上设有复数个透光单元3。
所述的电介质基底1的电介质材料为石英，所述电介质的厚度为225nm；所述的金属薄膜2的材料为银，所述金属薄膜2的厚度为50nm。
复数个所述的透光单元3排列形成的阵列的形状为正方形，复数个所述的透光单元3的排列周期为600nm。如图2所示，所述的透光单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆孔3-1和三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2，复数个所述的透光单元3周期性阵列排列。
所述的圆孔3-1半径为65nm，所述的圆环3-2的数量为三个，所述圆孔3-1与其最接近的圆环3-2之间的间距为35nm，相邻圆环3-2之间的间距相等均为25nm，三个所述圆环3-2的宽度W相等，分别为20 nm、25 nm、30 nm、35nm。
光线k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2时，表面等离子体滤光器处于工作状态，表面等离子体滤光器在近红外波段区域形成三个透射峰，如图5所示，表面等离子体滤光器均实现了对近红外波段的滤光操作，能够获得三种不同中心波长的透射光谱，具有很好地滤光效果。另外，当圆环3-2的宽度W从20 nm、25 nm、30 nm、35nm逐渐增加时，三个透射峰的中心波长稍微往中心波长大的方向移动，且第一峰的透过率由0.8266增加到0.9077，第二峰的透过率0.4386由增加到0.6982，第三峰的透过率由0.1629增加到0.4539。由此可知，通过调节表面等离子体滤光器的圆环3-2的宽度W可改善第二峰和第三峰的透过率，从而满足不同光子器件对于表面等离子体滤光器滤光效果和透过率的要求。
实施例三，基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，包括电介质基底1和设于电介质基底1上的产生表面等离子体的金属薄膜2，金属薄膜2上设有复数个透光单元3。
所述的电介质基底1的电介质材料为石英，所述电介质的厚度为225nm；所述的金属薄膜2的材料为银，所述金属薄膜2的厚度为50nm。
复数个所述的透光单元3排列形成的阵列的形状为正方形，复数个所述的透光单元3的排列周期为600nm。如图2所示，所述的透光单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆孔3-1和三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2，复数个所述的透光单元3周期性阵列排列。
所述的圆孔3-1半径为65nm，所述的圆环3-2的数量为三个，所述圆孔3-1与其最接近的圆环3-2之间的间距为35nm，相邻圆环3-2之间的间距相等均为25nm，最接近圆孔的所述圆环3-2的宽度W为25 nm，相邻圆环3-2宽度的差值D分别为0 nm、5 nm、10nm、15nm。具体地，相邻圆环3-2宽度的差值D分别为0 nm、5 nm、10nm、15nm。具体地，当相邻圆环3-2宽度的差值D为0 nm时，三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2的宽度W分别为25 nm、25 nm和25 nm；当相邻圆环3-2宽度的差值D为5nm时，三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2的宽度W分别为25nm、30 nm和35 nm；当相邻圆环3-2宽度的差值D为10 nm时，三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2的宽度W分别为25 nm、35 nm和45 nm；当相邻圆环3-2宽度的差值D为15 nm时，三个与所述圆孔3-1同心的圆环3-2的宽度W分别为25 nm、40 nm和55 nm。
光线k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2时，表面等离子体滤光器处于工作状态，表面等离子体滤光器在近红外波段区域形成三个透射峰，如图6所示，表面等离子体滤光器均实现了对近红外波段的滤光操作，能够获得三种不同中心波长的透射光谱，具有很好地滤光效果。另外，当相邻圆环3-2宽度的差值D从0 nm、5 nm、10nm、15nm逐渐增加时，三个透射峰的中心波长稍微往中心波长小的方向移动，且第一峰的透过率由0.8737增加到0.8997，第二峰的透过率0.5469由增加到0.6989，第三峰的透过率由0.2486增加到0.6384。由此可知，通过调节表面等离子体滤光器的相邻圆环3-2宽度的差值D可大大改善第二峰和第三峰的透过率，尤其是对于第三峰透过率的改善，从而满足不同光子器件对于表面等离子体滤光器滤光效果和透过率的要求。
本发明通过圆与圆环的不同分布改变圆内部SPPs共振模式和圆环内部LSPs共振模式的耦合程度，使得电荷发生转移，从而对表面等离子体效应产生影响；并选择电介质的材料和厚度、金属薄膜的的材料和厚度、透光单元的数量和排列周期、圆孔半径、圆环数量以及圆环宽度等为不同的参数，控制近红外波段产生的透射峰的位置、透过率以及数量，实现对光的控制，从而获得表面等离子体滤光器的不同几何特性。
本发明为基于表面等离子体滤光器制作的微纳光子器件的设计提供新思路，拓展金属结构在通信及信息处理领域的应用范围，在生物医学、红外遥感技术和红外拍摄等领域产生巨大的影响。此外，近红外表面等离子体的电磁场阐明了前所未有的空间限制，使其对增强短程多模数据通信和集成红外光子学具有极大的吸引力，丰富了金属结构在光通信和信息处理领域的应用范围。
Claims (4)
1.基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，其特征是：包括电介质基底和设于电介质基底上的产生表面等离子体的金属薄膜，金属薄膜上设有复数个透光单元，所述的透光单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆孔和多个与所述圆孔同心的圆环，所述的复数个透光单元周期性阵列排列。
2.如权利要求1所述的基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，其特征是：所述的电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，所述电介质的厚度为175nm-225nm；所述的金属薄膜的材料为银或金，所述金属薄膜的厚度为50nm-150nm。
3.如权利要求1所述的基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，其特征是：所述透光单元数量不小于9，复数个所述的透光单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个所述的透光单元的排列周期为500nm-700nm。
4.如权利要求1所述的基于周期性亚波长圆环孔阵列的表面等离子体滤光器，其特征是：所述的圆孔半径为0-100nm，所述的圆环的数量为三个以上；所述圆孔与其最接近的圆环之间的间距为0-100nm，复数个所述圆环之间的间距相等，所述圆环的宽度为25-55nm。
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