CN110579826A - 基于mim矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器 - Google Patents

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张开富
杨宏艳
杨秀华
杨寓婷
李海鸥
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李琦
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Abstract

本发明公开了基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器。在本发明实例中，金属薄膜采用金属银材料制成，整体为矩形的金属薄膜，主要包括金属膜以及开设在金属膜上的矩形阵列结构。该矩形腔阵列由入射波导、中间波导和出射波导组成。谐振腔由单元结构为矩形的阵列构成，每个矩形腔可以形成一个F‑P腔。通过调控矩形个数n、波导的宽度W、矩形腔的长度L等几何参数，实现对光波进行一个或者多个不同波长的光波滤波，和阻带宽度的有效调节。对比与其他结构的SPPs滤波器而言，这个结构拥有着更简洁的工艺以及较小的能量损耗，可以作为简单的光学设备应用于高集成的光电集成电路中。

Description

基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器
(一)技术领域
本发明涉及微纳光电子技术领域，具体涉及一种基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器。
(二)背景技术
表面等离子激元(SPPs，Surface Plasmon polaritons)是金属表面自由电子和光子相互耦合而形成的一种沿介质—金属表面传播的倏逝波。是具有相同共振频率的光波与金属中的自由电子之间相互作用产生的一种集体振荡。由于衍射极限，器件尺寸受限于波长量级，传统光学无法满足集成光学的需求，微纳光学器件在高度集成的光电路中具有广阔的应用前景，通过改变其金属表面的形貌结构，从而在亚波长尺度上实现对光传播的主动操控，实现各种传统电子器件功能，为集成光学的微型化提供了潜力。
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，其已经进入了高速发展时期，掀起了人们对利用表面等离子激元制备纳米尺寸光学器件的关注。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，如逻辑门器件，分束器、传感器、光放大器、藕合器、调制器和滤波器等，其在各领域中发挥了越来越重要作用。
目前，基于MIM结构SPPs的光学功能器件已经在理论和实验研究方面取得了突破，其中滤波器技术在微纳集成光学器件发展中至关重要。例如，Xian-Shi Lin等人(OPTICSLETTERS/Vol.33,No.23/December 1,2008)设计的锯齿形波导结构，该结构具有简单，阻带可调等优点，但阻带带宽较窄和损耗较高，使得其应用会受到一定的限制。Xi Gao 等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 104,191603 2014)设计了光栅波导结构的滤波器，该滤波器具有低损耗、宽频带、高频率等优良的滤波特性，但在阻带内透射率较高，且无法使用在可见光和近红外波段。因此，基于以上分析，为了克服损耗较大以及完善透射率大小的功能，本发明提出了一种基于MIM矩形腔阵列结构表面等离子体滤波器。
(三)发明内容
本发明针对传统的滤波器及表面等离子光学滤波器能量损耗高、结构复杂，从而导致其应用范围有限的问题提供基于表面等离激元的矩形腔阵列结构滤波器的设计,其能够实现不同特性和功能。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于矩形腔阵列结构的低损耗等离子体滤波器，其结构由上下金属膜和矩形腔结构单元组成。金属膜上开设多个相同的矩形腔结构单元，这些相同的矩形腔将形成F-P腔将对入射波进行多次谐振，从而实现优良的滤波效果。这些矩形结构单元内部均填满了介质，既形成银—空气—银对称结构的滤波器。该滤波器结构简单，易于制作，滤波损耗低，阻带透射率低且平坦，带宽较宽。
上述方案中，金属膜的材料为银。
上述方案中，上述方案中,金属膜的厚度符合工作条件即可,为了获得良好滤波效果, 金属膜厚度为100nm。
上述方案中，上述方案中,金属膜上纳米狭缝结构单元内部填充介质为空气。
上述方案中，金属膜间波导内通道长度为300nm，宽度W范围为70nm～130nm。
上述方案中，金属膜间波导外通道宽度为200nm，长度L范围为232nm～322nm。
上述方案中，金属膜的材料为银。
上述方案中，矩形阵列的数目为3～14个。
(四)附图说明
图1为本发明的单个单元结构的二维结构示意图。
图2为本发明的三个单元阵列结构的三维结构示意图。
图3为本发明的三矩形谐振腔的平面二维结构示意图。
图4为本发明的三矩形谐振腔的透射率曲线图。
图5为本发明的单元阵列的个数n变化时的透射率曲线图。
图6为本发明的波导内通道宽度W变化时的透射率曲线图。
图7为本发明的波导外通道长度L变化时的透射率曲线图。
(五)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明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其单个单元结构的二维平面图如图1所示，由上下对称的金属膜(2)、金属膜中间左边的入射波导(1)、右边的出射波导(4)和矩形谐振腔(3)构成。
金属膜可以采用金属材料制成，如金、银、铜等金属材料，但为了能够获得更好的传感性能，本发明的金属膜的材料为银，厚度为100nm。
所有的周期波导内通道长度都为300nm，外通道宽度都为200nm。
图4所示为有三个矩形谐振腔阵列时，入射光谱与透射率的关系。内通道宽度 W＝100nm，外通道长度L＝292nm，矩形阵列数n＝3。可以看到在波长在1000nm～1200nm 处有较好的透射率，而在波长为1450nm～1600nm这个范围形成一个透射率较低的阻带。
图5所示为保持内通道宽度W＝100nm，外通道长度L＝292nm不变矩形阵列数分别为n＝3、n＝6、n＝8、n＝11、n＝14时的透射光谱图。从图4中我们可以看出，随着n的增加波长范围在1400nm～1800nm内形成一个阻带的透射率明显变低，并且阻带变得平缓。在阻带以外的波长范围，都拥有着较高的透射率。
图6所示为保持外通道长度L＝292nm，矩形阵列数n＝14不变，内通道宽度W分别70nm、80nm、90nm、100nm、110nm、120nm、130nm时的透射光谱图。从图5中我们可以看出内通道宽度W从130nm～70nm时，首先阻带由尖锐逐渐变得平缓，透射率也逐渐减小，并且阻带的宽度逐渐的变大。阻带以外拥有着较高的透射率。
图7所示为保持内通道宽度W＝100nm，矩形阵列数n＝14不变，外通道长度L分别为232nm、262nm、292nm、322nm。时透射谱线的变化，我们可以看到阻带以外的透射率几乎没有变化，阻带的宽度随着外通道长度L的增大而变宽。
本发明的滤波器结构在近红外频段内具有阻带范围大，且阻带范围内的透射率几乎低至0的特点，另外，该滤波器的单元结构简单，并且可以通过直接增加或者减少矩形单元结构的方法对滤波器进行优化。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (9)

1.基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：所述滤波器由上下金属膜(2)和中间镂空的矩形阵列波导构成；矩形阵列单元结构由入射波导(1)、出射波导(4)和中间的矩形谐振腔(3)相连构成，左右波导构成内通道(1)和(4)，中间矩形谐振腔构成外通道(3)，该滤波器由多个相同的该单元结构的阵列构成。该结构金属薄膜采用金属银薄膜材料制成。在本发明例中，单元矩阵金属薄膜整体为长方形大小设置为592*700nm。金属薄膜上通过镂空方式，形成入射波导、出射波导和矩形谐振腔，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。
2.根据权利1所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：单元金属膜(2)为矩形且内嵌两个矩形波导和一个矩形谐振腔。
3.根据权利1所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：金属膜(2)的材料为银。
4.根据权利1所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：金属膜(2)的厚度为100nm。
5.根据权利1或2所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：两个矩形波导和矩形谐振腔的对称中心与金属膜(2)的对称中心相重合。
6.根据权利1所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：该单元矩形结构的阵列数可以设置为3～14。
7.根据权利1所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：金属膜(2)间波导内通道(1)长度为300nm，宽度W设置为70nm～130nm。
8.根据权利1所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：金属膜(2)间谐振腔外通道(3)宽度为200nm，长度L范围为232nm～322nm。
9.根据权利1或7所述的基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器，其特征在于：当单元矩形结构的阵列数为14，谐振腔外通道(3)长度为292nm时，改变内通道宽度W可以改变阻带带宽。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111504947A (zh) * 2020-04-14 2020-08-07 桂林电子科技大学 基于mim环形格点阵列的表面等离激元折射率传感器

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CN102890383A (zh) * 2012-10-22 2013-01-23 北京邮电大学 一种超紧凑的表面等离激元多腔耦合系统

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