CN110890612B - 一种内嵌扇形金属谐振腔mim可调谐等离子体滤波器 - Google Patents

一种内嵌扇形金属谐振腔mim可调谐等离子体滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明为涉及微纳光电子技术领域的一种内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器。本发明整体为在矩形金属薄膜上镂空两个矩形波导和一个内嵌对称扇形金属纳米圆形谐振腔组成。研究发现通过改变扇形共振腔角度θ、半径R、耦合距离d、共振腔内的介质折射率n等主要参数可以有效提高该结构的透射特性，可高效实现可调谐窄带带通滤波特性。与其他SPPs带通滤波器相较而言，本发明滤波器可实现在800nm～1450nm范围带通滤波，透射率最高可达75％，品质因子最高可达到70，拥有更加优越的滤波性能。对结构参量优化，共振波长可分布在光通信的850nm和1310nm通信窗口，为设计和实现光通信领域下一代等离子体滤波器提供重要的理论依据并具有潜在的应用价值。

Description

一种内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器
(一)技术领域
本发明涉及微纳光电子技术领域，具体涉及一种内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器。
(二)背景技术
表面等离子体激元是金属与介质(通常是空气)界面上激发的一种电子和光子的混合态。该电磁波的显著特性表现为电磁能量在垂直界面上振幅以指数形式衰减，具有突破传统的光学衍射极限、局域场增强效应和最小化尺寸以及电场约束等性能,使得制作亚波长光学器件成为可能。
近年来，基于表面等离子体滤波器的研究其波导结构主要包括两种典型的形式：金属-介质-金属(M-I-M)结构和介质-金属-介质(I-M-I)。相较于I-M-I结构，M-I-M波导滤波器具有更小的模式尺寸因而当前涌现出大量的研究。其主要集中在实现各种功能M-I-M波导光学元件，如滤波器、耦合器、折射率传感器、逻辑门、布拉格反射器，马赫-泽德干涉仪，解复用器等,其中，对M-I-M结构表面等离子体共振的滤波器的研究包括不同结构，如：齿形波导滤波器，等离子体劈裂环共振滤波器，环形谐振腔滤波器。
目前，基于M-I-M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，滤波器技术在集成光学器件的发展过程中至关重要。2014年J.Chen等人提出了一种带有分裂环谐振器的可调谐谐振器，透射谱中出现4种共振模式，透射率最高可达到43％；2018年Y.P.Qi等人提出了十字连通形环形谐振腔滤波器，透射谱中出现3种共振模式，优化谐振腔的各项参数，透射率最高达到60％。尽管以上研究在结构设计，透射率和品质因子方面上有了一定的提高，但是在品质因子和透射率方面还有着一定的改进空间。基于上述讨论分析，本发明提出了一种基于内嵌对称扇形金属块的圆形谐振腔滤波器。
(三)发明内容
本发明针对传统的滤波器以及表面等离子体滤波器的高损耗，结构复杂，体积大而影响其应用范围的问题提出了一种基于金属-介质-金属(MIM)的内嵌对称扇形金属块的纳米圆形谐振腔滤波器。该滤波器损耗低，结构简单，体积小，滤波效果优越。改变参数可实现不同的滤波功能和选频特性，并且应用范围广阔。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
基于内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器结构由一个矩形金属银薄膜上镂空两个矩形波导，一个内嵌对称扇形金属块的圆形谐振腔构成。在圆形谐振腔内填充介质，形成金属-介质-金属型带通滤波器。该带通滤波器结构简单，品质因数高，滤波损耗低，阻带透射率低，通带很窄，拥有良好的滤波效果。
上述方案中,金属银薄膜的厚度符合工作条件即可,为了获得良好滤波效果,金属银薄膜厚度为250nm。
上述方案中，金属银薄膜内的两个矩形波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔内的对称扇形金属块之间的距离h＝70nm，圆形谐振腔半径为225nm，内嵌对称扇形金属块的圆心角θ为90°且半径r＝140nm，圆形谐振腔和波导中填充介质折射率n为1，波导和圆形谐振腔之间的间距d范围为5nm～20nm。
金属银薄膜内的两个矩形波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔内的对称扇形金属块之间的距离h＝70nm，圆形谐振腔半径为225nm，波导和圆形谐振腔之间的间距d为10nm，圆形谐振腔和波导中填充介质折射率n为1，内嵌对称扇形金属块圆心角θ范围为45°～135°。
金属银薄膜内的两个矩形波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔内的对称扇形金属块之间的距离h＝70nm，波导和圆形谐振腔之间的间距d为10nm，内嵌对称扇形金属块的圆心角θ范围为90°且半径r＝140nm，圆形谐振腔和波导中填充介质折射率n为1，圆形谐振腔半径为205nm～225nm。
金属银薄膜内的两个矩形波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔内的对称扇形金属块之间的距离h＝70nm，波导和圆形谐振腔之间的间距d为10nm，内嵌对称扇形金属块的圆心角θ范围为90°且半径r＝140nm，圆形谐振腔半径为225nm，圆形谐振腔和波导中填充介质折射率n范围为1.00～1.20。
金属银薄膜内的两个矩形波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔内的对称扇形金属块之间的距离h＝70nm，波导和圆形谐振腔之间的间距d为10nm，内嵌对称扇形金属块的圆心角θ为75°且半径r＝140nm，圆形谐振腔半径为225nm，圆形谐振腔和波导中填充介质折射率n为1.09，滤波器可以同时工作在850nm和1310nm通信窗口。
(四)附图说明
图1为本发明的三维结构示意图。
图2为本发明的二维结构示意图。
图3为本发明在圆形谐振腔内嵌90°对称扇形金属块和未嵌入金属块的透射率曲线图。
图4为本发明在圆形谐振腔内嵌金属块的圆心角θ变化时的透射率曲线图。
图5为本发明的圆形谐振腔半径R改变时的透射率曲线图。
图6为本发明的圆形谐振腔与矩形波导之间耦合距离d改变时的透射率曲线图。
图7，8为本发明的矩形波导和圆形谐振腔内填充介质折射率n改变时的透射利率曲线图。
图9为本发明的圆形谐振腔内嵌半径r为140nm，圆心角为75°的对称扇形金属块，圆形谐振腔和矩形波导内填充介质折射率为1.09，两个矩形波导与圆形谐振腔耦合距离d为5nm，圆形谐振腔半径为225nm时，本发明滤波器工作在850nm和1310nm通信窗口的透射率曲线图。
(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。
基于内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器，其三维立体图如图1所示。
基于内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器，其二维立体图如图2所示，由金属银薄膜2，左侧矩形入射波导1-1、圆形谐振腔3、内嵌对称扇形金属块4-1,4-2、右侧矩形出射波导1-2构成。圆形谐振腔3与矩形波导1-1,1-2的耦合距离d为10nm，圆形谐振腔内部对称扇形金属块4-1,4-2之间的距离h为70nm。
金属银薄膜可以采用金、银、铝等金属材料。本发明的金属膜的材料为银，厚度为250nm。
为了保证波导中更好的激发等离子共振，矩形波导宽度ω设置为固定值50nm。
图3所示为本发明圆形谐振腔内嵌90°对称扇形金属块和未嵌入金属块的透射率曲线图。可以看出在500nm～1500nm波长范围内，内嵌对称扇形金属块使得透射率一定幅度降低并且透射峰出现同步的红移现象，但是滤波器的品质因子得到极大的提升。
图4所示为本发明在圆形谐振腔内嵌金属块的圆心角θ变化时的透射率曲线图。可以明显看出Mode1谐振峰出现微弱的红移现象，Mode2谐振峰出现较大红移现象，最终导致该滤波器在650～1270nm波长范围内进行滤波。
图5所示为本发明在圆形谐振腔半径R改变时的透射率曲线图。在800～1400nm波长范围内，R增大，Mode1出现红移现象，Mode2出现蓝移现象。共振峰的透射率基本不变，而通带变窄，并且两个共振峰之间的禁带加宽，提高了该滤波器的品质因子。
图6所示为本发明在圆形谐振腔与矩形波导耦合距离d发生变化时的透射率曲线图。可以明显看出在700nm～1600nm波长范围，随着耦合距离d的增大，虽然共振峰透射率降低，但是通带明显变窄，滤波器的品质因子可以得到极大的提升。
图7和图8所示为本发明在改变圆形谐振腔内填充介质折射率n变化的曲线图和折线图。在700nm～1600nm波长范围内，图7可以看出随着介质折射率n的增大，透射率变化很小，品质因子近乎不变。通过图8可以看出，两个共振峰的红移现象与介质折射率改变几乎线性关系，且斜率相等，该滤波器同时拥有很好的传感特性和选频特性。
图9所示为本发明在内嵌对称扇形金属块的圆心角θ为75°，介质折射率为1.09，矩形波导与圆形谐振腔耦合距离d为5nm，圆形谐振腔半径为225nm时，出现两个极窄的共振峰，且平均透过率超过70％。更重要的是，在此参数结构下，该滤波器可以同时工作在光通信的850nm和1310nm两个通信窗口。
本发明的滤波器结构工作在可见光和近红外波段范围。
需要说明的是，尽管以上发明是说明性的，但那是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。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 (2)

1.内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器，其特征在于：在结构方面，所述滤波器为在矩形金属银薄膜(2)上镂空入射波导(1-1)、圆形谐振腔(3)、对称扇形金属块(4-1,4-2)、出射波导(1-2)结构，其中，圆形谐振腔(3)的中心在矩形波导(1-1,1-2)的中心连线上，内嵌对称扇形金属块(4-1,4-2)沿波导传输方向对称分布且其对称点与圆形谐振腔(3)中心重合；在滤波效果方面，通过调节波导结构参数以及内部填充介质的折射率，可以实现在500nm～1400nm范围内双通道可调谐滤波；此外，通过调节矩形波导(1-1,1-2)宽度ω为50nm，圆形谐振腔(3)内的对称扇形金属块(4-1,4-2)之间的距离h为70nm，矩形波导和圆形谐振腔间距d为5nm，内嵌对称扇形金属块(4-1,4-2)的圆心角θ为75°且金属块(4-1,4-2)半径r为140nm，圆形谐振腔(3)半径为225nm，圆形谐振腔(3)和矩形波导(1-1,1-2)中填充介质折射率n为1.09，可以使得滤波器同时工作在850nm和1310nm两个通信窗口。
2.根据权利要求1所述的内嵌扇形金属谐振腔MIM可调谐等离子体滤波器，其特征在于：在另一参数设置中，金属银薄膜(2)内的两个矩形波导(1-1,1-2)宽度ω为50nm，圆形谐振腔(3)内的对称扇形金属块(4-1,4-2)之间的距离h为70nm，圆形谐振腔(3)半径为225nm，波导和圆形谐振腔之间的间距d为10nm，圆形谐振腔(3)和波导(1-1,1-2)中填充介质折射率n为1，内嵌对称扇形金属块(4-1,4-2)半径r为140nm的条件下，扇形金属块(4-1,4-2)的圆心角θ可调谐范围为45°～135°。
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