CN109901253A - 一种表面等离子体滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种表面等离子体滤波器，属于微纳光学器件领域。主要通过金属异质结构组合，以引入无序，来实现结构的随机性，从而达到产生表面等离子体的安德森局域化效应的目的。由交替堆叠两种金属波导构成的金属异质波导能够实现对SPs有效折射率的周期性调制以及在某个特定的波长下产生禁带。通过引入无序，打破金属表面上有效折射率的周期性，就能产生一个SPs局域模式，出现安德森局域化效应，实现滤波效果。通过改变无序度大小，就可以对滤波范围以及透过波长实现有效地控制，进而实现滤波效果。本发明在近红外波段的光子集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景。同时，随机的金属异质波导在实际应用中可以实现较低的损耗，效率高。

Description

一种表面等离子体滤波器

技术领域

本发明涉及一种表面等离子体滤波器，属于微纳光学器件领域。

背景技术

表面等离子体(Surface Plasmons,SPs)是金属表面的自由电子形成的表面等离激元与入射光子相互耦合而形成的混合电磁模式，可突破衍射极限，将电磁波能量局域和控制在亚波长尺度内。

由于TE(Transverse Electric Field)波在界面处只有水平分量，所以它不能使得金属表面的电子产生聚焦从而产生电子极化现象，即TE波不能激发出SPs的本征模式。与其相对的TM(Transverse Magnetic)波由于在介质与金属内部电磁场空间分量分布不连续，而在金属-介质交界面上产生极化电荷，它们可以沿交界面纵向激荡进而向前传播。

现有的表面等离子体滤波器中，金属异质波导结构中要求每个周期内两种金属的结构参数L₁和L₂分别与其他周期内的对应的L₁和L₂精确相同，即结构固定，而在生产过程中对其精度要求较高势必会导致生产过程中损耗变大，效率降低。

发明内容

为了解决目前存在的问题，本发明提供了一种表面等离子体滤波器，为金属-绝缘体-金属结构，所述表面等离子体滤波器的金属异质波导为随机结构。

可选的，金属异质波导为上下对称结构。

可选的，金属异质波导结构由磁控溅射方法得到。

可选的，所述表面等离子体滤波器绝缘体为空气层。

可选的，所述金属异质波导的材质为铝和银。

可选的，铝对应的结构参数为L₁＝270纳米，银对应的结构参数为L₂＝230纳米。

可选的，所述金属异质波导的无序度为10％-28％。

可选的，所述表面等离子体滤波器的周期p＝L₁+L₂，所述随机结构包括六十个周期。

本发明还提供一种上述表面等离子体滤波器在光电子设备中的应用。

本发明还提供一种上述表面等离子体滤波器在近红外波段、光信息处理中的应用。

本发明有益效果是：

本发明提供的表面等离子体滤波器基于安德森局域化效应，由金属异质结构组成。金属波导结构由磁控溅射方法得到，绝缘体是空气层。采用随机函数以引入无序，来实现结构的随机性。当光从侧面入射到金属异质结构上时，由交替堆叠两种金属波导构成的金属异质波导能够实现对SPs有效折射率的周期性调制以及在某个特定的波长下产生禁带。此时，通过引入无序，打破金属表面上有效折射率的周期性，就能产生一个SPs局域模式，出现安德森局域化效应，实现滤波效果。通过改变无序度大小，就可以对滤波范围以及透过波长实现有效地控制，进而实现滤波效果。本发明在近红外波段的光子集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景，同时，随机的金属异质结构由于降低了对于金属宽度精度的要求，使得该表面等离子体滤波器的制造过程中制造难度降低，可以实现较低的损耗，且制备效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的前提结构金属-绝缘体-金属结构的示意图。

图2为周期性金属异质波导的示意图。

图3为金属异质波导中表面等离子体的有效折射率实部与波长的关系。

图4为周期性金属异质波导中引入无序度的结构图。

图5为无序度为10％时的透射光谱。

图6为无序度为20％时的透射光谱。

图7为无序度为28％时的透射光谱。

图8(a)周期性金属异质波导中禁带中心波长(λ＝1.55微米)处|H_z|²的分布；(b)随机金属异质波导中窄透射峰波长(λ＝1.56微米)处磁场分量|H_z|²的分布。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种表面等离子体滤波器，参见图4，所述表面等离子体滤波器为金属-绝缘体-金属结构，其金属异质波导为随机结构，且为上下对称结构。

本发明提供的表面等离子体滤波器的金属异质波导可由通常用来制作金属波导的贵金属材质制备，比如，金、银、铝等，本实施例以铝银为例进行说明：

现有的表面等离子体滤波器主要由两种金属波导(两层金属，空气间隔层三部分构成，如图1所示)形成，详见图2。由交替堆叠两种金属波导构成的金属异质波导实现对SPs有效折射率的周期性调制，图3计算了两种不同金属(铝和银)组合成的金属波导有效折射率实部随波长的变化，其中涉及的结构参数为金属铝的宽度L₁＝270纳米，金属银的宽度L₂＝230纳米，空气隔层宽度w＝25纳米，由交替堆叠的铝银两种金属波导组合成的金属异质波导的周期p＝L₁+L₂，为500纳米。

本发明通过改变L₁和L₂的宽度从而在金属异质波导中引入无序，如图4所示。

本实施例定义用ψ表示无序度，ψ＝Δx/p，其中，Δx表示L₁和L₂分别减少和增加的随机长度；图5中ψ＝10％，即Δx＝p×ψ＝500纳米×10％＝50纳米，定义ψ＝10％时，每个周期中L₁和L₂的长度在(L₁-Δx/2，L₂+Δx/2)即(245，255)纳米间随机变化。

需要进行说明的是，上述关于无序度的定义也可以采用其他方式，比如，同样定义ψ＝Δx/p，其中，Δx表示L₁和L₂分别减少和增加的随机长度；每个周期内的金属的宽度的变化值在(-p×ψ，+p×ψ)内变化，即L₁的长度在(L₁-p×ψ，L₁+p×ψ)范围内随机变化，L₂的长度在(L₂-p×ψ，L₂+p×ψ)范围内随机变化。

本实施例中定义L₁和L₂的长度在(L₁-Δx/2，L₂+Δx/2)内随机变化。

在近红外波段，当工作波长在1微米—2微米之间时，禁带出现在1.5微米—1.6微米的范围之内，如图5-7中实线所示，同时，计算禁带中心波长(λ＝1.55微米)处磁场分量|H_z|²的分布，如图8(a)所示。从图5-7中虚线部分，可以发现周期性金属异质波导透过谱的通带区域中出现新的窄带，这表明，由于随机干涉效应，SPs在该区域的传播被禁止，通带区域中出现新的窄带。

随着无序度的增大，这些新的窄带会迅速增长。如图7中虚线所示，透过谱的禁带区域中出现透过峰，即SPs随机模式，该窄带透过峰(λ＝1.56微米)磁场分量|H_z|²分布如图8(b)所示。该窄带透过峰是由允许SPs沿着石墨烯表面传播的随机干涉效应产生的。因此实际应用中可以通过改变无序度来选择该器件需要的工作波长范围，详见图4至图8。

因此，周期性金属异质波导中传播的强度均匀的SPs模式转化为随机金属异质波导中的局域SPs模式，图4至图8所示证实了随机金属异质波导中的SPs安德森局域。

上述L₁和L₂的长度的随机变化可采用matlab内置随机函数生成。

本发明提供的表面等离子体滤波器基于安德森局域化效应，由金属异质结构组成。金属波导结构由磁控溅射方法得到，绝缘体是空气层。采用随机函数以引入无序，来实现结构的随机性。当光从侧面入射到金属异质结构上时，由交替堆叠两种金属波导构成的金属异质波导能够实现对SPs有效折射率的周期性调制以及在某个特定的波长下产生禁带。此时，通过引入无序，打破金属表面上有效折射率的周期性，就能产生一个SPs局域模式，出现安德森局域化效应，实现滤波效果。通过改变无序度大小，就可以对滤波范围以及透过波长实现有效地控制，进而实现滤波效果。本发明在近红外波段的光子集成、光信息处理等方面有广泛的应用前景。同时，随机的金属异质波导在实际应用中可以实现较低的损耗，效率高。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面等离子体滤波器，为金属-绝缘体-金属结构，其特征在于，所述表面等离子体滤波器的金属异质波导为随机结构。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，金属异质波导为上下对称结构。

3.根据权利要求1或2所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，金属异质波导结构由磁控溅射方法得到。

4.根据权利要求1-3任一所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，所述表面等离子体滤波器绝缘体为空气层。

5.根据权利要求4所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，所述金属异质波导的材质为铝和银。

6.根据权利要求5所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，铝对应的结构参数为L₁＝270纳米，银对应的结构参数为L₂＝230纳米。

7.根据权利要求6所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，所述金属异质波导的无序度为10％-28％。

8.根据权利要求7所述的表面等离子体滤波器，其特征在于，所述表面等离子体滤波器的周期p＝L₁+L₂，所述随机结构包括六十个周期。

9.一种权利要求1-8任一所述的表面等离子体滤波器在光电子设备中的应用。

10.一种权利要求1-8任一所述的表面等离子体滤波器在近红外波段、光信息处理中的应用。