CN109932775A - 一种基于mim结构内嵌对称耦合金属块组滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，属于微纳光电子领域，滤波器包括金属膜和空气层，在金属膜上刻蚀有波导管1，在该波导管1内侧对称刻蚀两个金属块3，这两个金属块3在波导管1的上下两侧成对称耦合分布。在波导管1与金属块3间填充空气形成空气层2。本发明可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度，同时提高此滤波器的耦合效率,从而改变它的滤波特性获得较小的半波宽。

Description

一种基于MIM结构内嵌对称耦合金属块组滤波器

(一)技术领域

本发明涉及微纳集成光学器件技术领域，具体是指一种基于MIM(Metal -Insulator-Metal，金属-介质-金属)结构内嵌对称耦合金属块组滤波器

(二)背景技术

表面等离激元(SPP)作为一种特殊的电磁波，已经在很多方面显示出了巨大的潜力，并发展成为一门独立的学科—SPP光子学。其与超材料一起被美国国防部评为未来重点关注的六大颠覆性基础研究之一。SPP由于其具有的一系列独特的光学性质，例如近场增强、表面受限、突破衍射极限等，有望在光传感、超分辨率成像、负折射率材料等许多领域发挥出重要的应用价值。

SPPs的多层系统中有两种最典型的三层结构是IMI和MIM。相比于IMI 结构，MIM结构拥有更小的模式尺寸，可以将传播长度限制在微米量级(如 Journal of Physics DApplied Physics,2010,43(38):385102-385109(8).)。因此，MIM 型结构的SPPs传输可用于光学器件构造中，这有助于实现超密集的集成光电路。

本文系统地分析了波导内SPP模式与金属块周围LSP模式的混合作用对内嵌金属块MIM波导结构的光透射特性的影响，采用有限时域差分法(FDTD) 模拟了该结构中SPP波的传播特性。并得出当金属块的长度较小时，MIM波导内传播的SPP波可以激发金属块周围的LSP，透射受到LSP与SPP混合作用的影响；而当金属块的长度较大时，高阶共振模式被激发，此时SPP波对透射起主导作用，能量在腔内发生多次谐振，产生多个不断衰减的透射峰。同时提出了一种基于内嵌双金属块波导结构的SPP带通滤波器，这种滤波器也可以通过合理地调节两个金属块的长度、距离等参数，从而改变它的滤波特性。

(三)发明内容

本发明提供一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度，同时提高此滤波器的耦合效率,从而改变它的滤波特性获得较小的半波宽。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜上刻蚀有波导管，在该波导管内侧对称刻蚀两个金属块，这两个金属块在波导管的上下两侧成对称耦合分布。在波导管与金属块间填充空气形成空气层。波导的宽度w固定为200nm,L为金属块的长度，两个内嵌金属块水平之间的距离为t。d为内嵌金属块之间的距离固定为10nm。

研究发现，此结构相比较于单一直波导而言，出现了一个很明显的透射峰。并且当金属块的长度较大时，其与波导上表面的金属之间形成的夹缝会构成法布里－珀罗腔，高阶共振模式被激发，能量在腔内不断谐振，从而产生多个不断衰减的共振峰。

同时，提出了一种基于内嵌两对称耦合金属块组结构的表面等离激元带通滤波器，此滤波器在共振峰以外波段的透射率可以下降为0，且其共振波长可以通过改变金属块的长度等参数进行调节。

(四)附图说明

图1为内嵌对称耦合金属块组的MIM结构示意图。

图2为内嵌金属块与无金属块MIM结构的透射谱对比图。

图3(a)L从90nm～170nm的透射谱图,图3(b)为一阶中心波长与L 的关系图

图4(a)L从190nm～240nm的透射谱图，图4(b)为一阶和二阶中心波长与L的关系图

图5为增加金属块个数的结构示意图。

图6为增加金属块后透射谱图。

(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：

参照图1，一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，包括金属膜(金属膜为银)1和空气层，在金属膜1上刻蚀有波导管2，在该波导管2 内侧对称刻蚀金属块3金属采用金，该半在波导管2中填充空气形成空气层。

其中波导管的宽度为W，内嵌金属块的长度为L，两金属块上下对称内嵌在波导管中，两金属块之间距离为d，W和d分别固定为200nm和10nm。采用二维FDTD法对结构进行数值仿真，FDTD边界条件设置为完美匹配层(PML)。在下面的仿真中，通过平面光源来激发波导中横磁(TM)波模式，x与y方向上的网格精度被设置为5nm*5nm。透射系数T定义为，T＝Pout/Pin其中Pin 和Pout分别是输入和输出端口的功率。

金属选用银作为材料，因为金属银在可见光谱中损耗最低的金属，采用标准Drude模型：

式中，ε_∞＝3.7，ω_p＝9.1eV，γ＝0.018eV，ε_∞表示金属在频率趋于无穷大时的相对介电常数，ω_p为等离子体震荡的固有频率，γ是金属中自由电子的碰撞衰减频率，ω为入射光的角频率。

图2为内嵌对称耦合金属块组的MIM波导结构的透射光谱图。作为对比，图2中也给出了无金属块波导的透射谱。其中金属块的长度L＝150nm，波导的宽度w＝200nm。如图所示，相比较于无金属块单一直波导而言，此结构在波长为965nm处出现了一个明显的透射峰，透射率可达到70％左右，半峰全宽 (FWHM)为85nm，这可以起到一个光学滤波器的作用。同时，这种现象也被认为是LSP与SPP共同作用的结果。由以往报道可知，当光波耦合进入波导时，仅有TM波模式被激发(也就是SPP波被激发)。沿着波导金属界面传播的SPP 波经过内嵌的金属块，激发了金属块周围的LSP，从而对透射场能量产生影响。

为了研究L对透射峰的影响，发现当L小于170nm时，只有一阶模式被激发，如图3(a)所示，L从90nm～170nm变化时的透射谱图，随着L的增加透射谱产生红移，在此基础上，透射峰的峰值也逐步增加，如图3(b)表示，透射峰峰值与L的关系图，表明L与透射峰峰值线性关系。

为了研究L对透射峰的影响，发现当L从190nm～240nm时，二阶模式被激发，如图4(a)所示，L从190nm～240nm变化时的透射谱图，随着L的增加透射谱产生红移，并且产生二阶模式，透射峰的中心波长也逐步增加，如图3 (b)表示，透射峰的中心波长与L的关系图，表明L与透射峰的一阶和二阶的中心波长皆是线性关系。

在上述基础上增加金属块的个数，如图5所示的结构图。图5所示，在图1的基础上增加两个同等大小、间距为s的且同等高度的金属块被内嵌于MIM 波导之中，金属块上表面与波导之间形成的夹缝的宽度都为d，两个金属块的长度都为L，金属块之间的距离为s，波导的宽度w固定为200nm。

由图6所示，此结构相比较于图1结构的透射谱曲线而言，其FWHM从 95nm下降到45nm，同时在透射峰以外的其他波段，透射率下降为0，也就是形成了光学中的传输禁带，这可以很好地起到一个滤波的作用。关于这方面的理论解释，主要是由于加入第二个金属块之后，可以对前文中单一金属块的透射谱起到二次滤波的作用，使图2中较小的透射率直接下降为0。并且此滤波器的共振波长也可以通过改变金属块长度与夹缝的宽度来进行调节，变化规律与前文介绍的内嵌单金属块的变化规律基本一致，这里不再一一表述。但需要说明的是，在此滤波器的设计中，为了避免多峰的出现，双金属块的长度都应保持在一定的限度内(大约在L＝175nm时，第二个小的透射峰开始出现)。

Claims (7)

1.一种基于MIM结构内嵌对称耦合金属块组滤波器,包括金属膜1，空气层2，在金属膜1上刻蚀有波导管3，在该波导管4内侧对称刻蚀两个金属块5，这两个金属块5在波导管4的上下两侧成对称分布。在波导管4与金属块5间填充空气形成空气层2。波导的宽度w固定为200nm,L为金属块5的长度，两个内嵌金属块5水平之间的距离为t。d为内嵌金属块5之间的距离固定为10nm。

2.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，其特征在于：所述波导管3内侧刻蚀两个金属块5。

3.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，其特征在于：所述两个金属5块在波导管4的上下两侧成对称分布。

4.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，其特征在于：波导管4的宽度固定为为200nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，其特征在于：内嵌金属块5之间的距离固定为10nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，其特征在于：金属膜1选用银作为材料。

7.根据权利要求1所述的一种基于MIM结构的内嵌对称耦合金属块组滤波器，其特征在于：对称刻蚀金属块3金属采用金。