CN111221065A - 一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器，其中，该双波长滤波器包括中间氮化硅介质波导层以及结构相同的上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅，并且所述上层金属光栅和所述下层金属光栅不对称地镶嵌在所述中间氮化硅介质波导层的上下面中。本发明的双波长滤波器结构简单，设计合理，工作在近红外波段，可用于红外滤波、传感等领域。

Description

一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器

技术领域

本发明涉及微纳光学器件领域，具体地涉及一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器。

背景技术

滤波器作为电磁波调控的重要器件，一般可应用于传感、脉冲整形、偏振控制以及电光开关等等。目前，传统光学滤波片存在如下问题：(1)制作工艺复杂；(2)所制作的光学滤波片滤过波长单一；(3)基于多层介质膜滤波器带宽一般较大。滤光片在应用光学领域存在着巨大的应用前景，但上述问题限制了其发展。

近年来基于导模共振(GMR,Guided Mode Resonance)理论可获得超窄带透射。导模共振是一类由光栅、超材料等微器件表面周期性亚波长结构的光栅衍射效应将电磁波耦合进亚波长结构下面的平板波导而引起的谐振的总称。其能量局限于波导层内，克服了传统非导模共振金属光栅的欧姆损耗和辐射损耗，极大地限制了谐振能量的泄露，使其容易获得较大的谐振峰幅值。目前基于导模共振的单面金属光栅滤波器已有大量的研究。单面金属光栅导模共振滤波器的基本结构为仅在作为波导层的介质层的上表面或下表面固定单面金属光栅。入射电磁波被光栅衍射后可以耦合到介质层构成的波导中形成导模。较传统金属光栅滤波器，单面金属光栅导模共振滤波器的透过率大幅提高，同时具有较窄的带宽，对入射电磁波的角度和偏振都比较敏感，因而衍生出多种用途的滤波器，在光波段、太赫兹波段和微波波段都得到了研究。但是单面金属光栅导模共振滤波器的旁瓣抑制比还相对较低，极大的限制了它的应用领域。

中国发明专利申请CN107037517A公开了一种双层金属光栅导模共振带通滤波器，由介质层以及第一、第二一维金属光栅组成，介质层的上、下表面分别与第一、第二一维金属光栅固定，第一、第二一维金属光栅的金属条相互平行，第一、第二一维金属光栅的分布周期相同，第一一维金属光栅的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影与第二一维金属光栅中同其相邻的金属条的纵向中心线在介质层的下表面上的投影之间的距离是所述分布周期的一半。但这种带通滤波器存在以下缺点：1.滤过波长单一；2.透射深度较小；3.尺寸相对较大并且由于一维金属光栅突出而造成整个滤波器表面凹凸不平。

发明内容

本发明旨在提供一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器，以解决上述问题。为此，本发明采用的具体技术方案如下：

根据本发明实施例，提供了一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器，其中，该双波长滤波器包括中间氮化硅介质波导层以及结构相同的上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅，并且所述上层金属光栅和所述下层金属光栅不对称地镶嵌在所述中间氮化硅介质波导层的上下两面中。

进一步地，所述双波长滤波器的一个周期包含两组上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅。

进一步地，两个上层金属微纳光栅之间的间距与两个下层金属微纳光栅之间的间距不同。

进一步地，所述双波长滤波器一个周期的长度P＝1000nm；上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅的厚度t_m＝40nm，宽度w＝100nm；两个不同上层金属微纳光栅间距分别为L1＝633nm，P-L1＝367nm；两个不同下层金属微纳光栅间距分别为L2＝460nm，P-L2＝540nm；中间氮化硅介质波导层厚度T_d＝250nm。

进一步地，所述上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅由银制成。

本发明采用上述技术方案，具有的有益效果是：本发明通过将双层金属光栅镶嵌在介质波导层上下两侧来诱导导模产生，再通过引入结构不对称，进而获得双波长窄带滤波器，该双波长滤波器结构简单，设计合理，易于加工。

附图说明

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

图1为根据本发明优选实施例的一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器的结构示意图

图2为图1所示的双波长滤波器所获得的透射光谱图；

图3为图1所示的双波长滤波器在两个透射率最小值处的磁场分布图；

图4为图1所示的双波长滤波器的两个透射率最小值与上层光栅间距之间的关系的曲线图；

图5为图1所示的双波长滤波器的横向位移的示意图，该横向位移是上下层金属微纳光栅之间相对位置的位移；

图6为图1所示的双波长滤波器的两个透射率最小值与横向位移之间的关系的曲线图；

图7为图1所示的双波长滤波器对于环境折射率的灵敏度的曲线图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，根据本发明实施例的一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器可包括中间氮化硅(Si₃N₄)介质导波层2，中间介质导波层2上下两面均镶嵌有金属微纳光栅1，且上下两层金属微纳光栅位置不对称。由于上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅是镶嵌在中间氮化硅介质波导层中，因此，整个双波长滤波器表面平整。优选地，金属微纳光栅采用银微纳光栅，银微纳光栅具有损耗比较小以及共振波长的峰宽较窄的优点。

该双波长滤波器在X方向(长度方向)是周期结构的。在一个实施例中，所述双波长滤波器的一个周期包含四个金属微纳光栅，分别镶嵌在中间介质导波层2的上下两个面，每一面含有两个金属微纳光栅。具体的，所述双波长滤波器的一个周期的宽度为P＝1000nm，一个周期包含四个相同宽度w＝100nm、相同厚度L1＝633nm的金属微纳光栅；其中，上层两个不同金属微纳光栅间距分别为P-L1＝367nm，P-L1＝367nm；下层两个不同金属微纳光栅间距分别为L2＝460nm，P-L2＝540nm；中间氮化硅介质波导层2厚度T_d＝250nm。本发明的双波长滤波器的尺寸小(纳米级)，结构简单，易于加工。应该理解，上述尺寸大小仅是示例性的，本发明并不限于此。

TM电磁波沿着Z方向(厚度方向)传播，即TM电磁波向中间氮化硅介质波导层2方向垂直入射，产生两个透射率最小值。在透射率最小值波长位置，磁场主要分布在中间氮化硅介质波导层2内，且两个磁场相位相差1/4周期。结果如图2所示：透射率在1239nm处最小值达到0.007，带宽小于3nm；在1302nm处最小值达到0.12，带宽小于2nm。进一步的，如图3所示，磁场主要分布在中间氮化硅介质波导层2内，其中(a)表示在1239nm处的磁场分布，(b)表示在1302nm处的磁场分布。从图2和3可见，该滤波器具有两个滤过波长，并且滤波效率高，工作在近红外波段，可用于红外滤波领域。

导模共振发生在中间氮化硅介质波导层2，该双波长滤波器的两个透射率最小值与上层微纳光栅间距之间的关系如图4所示，通过改变L1的大小可以调整共振波长的位置和峰宽大小。在实际应用中，可以根据所需的共振波长的位置和峰宽大小参照图4来确定L1的大小，非常方便。即，通过调整上层微纳光栅间距可以设计出特定工作波长的双波长滤波器，设计合理。

如图5和6所示，通过改变上层光栅的横向位移Δ可以调整透射率最小值的位置和峰宽。其中，该横向位移Δ是上下金属光栅之间相对位置的位移。在实际应用中，可以根据所需的透射率最小值的位置和峰宽参照图6来确定横向位移Δ，非常方便。

图7示出了本实施例的双波长滤波器对于环境折射率的灵敏度，其中，DIP1和DIP2分别表示两个透射率最小值。从图7可以得到两个透射率最小值的灵敏度分别为655nm/RIU和570nm/RIU(相当于两条直线的斜率)。这种灵敏度适中，适合用在传感等领域。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双层不对称金属微纳光栅的双波长滤波器，其特征在于：包括中间氮化硅介质波导层以及结构相同的上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅，并且所述上层金属光栅和所述下层金属光栅不对称地镶嵌在所述中间氮化硅介质波导层的上下两面中。

2.根据权利要求1所述的双波长滤波器，其特征在于：所述双波长滤波器的一个周期包含两组上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅。

3.根据权利要求2所述的双波长滤波器，其特征在于：两个上层金属微纳光栅之间的间距与两个下层金属微纳光栅之间的间距不同。

4.根据权利要求3所述的双波长滤波器，其特征在于：所述双波长滤波器一个周期的长度P＝1000nm；上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅的厚度t_m＝40nm，宽度w＝100nm；两个不同上层金属微纳光栅之间的间距分别为L1＝633nm，P-L1＝367nm；两个不同下层金属微纳光栅之间的间距分别为L2＝460nm，P-L2＝540nm；中间氮化硅介质波导层厚度T_d＝250nm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的双波长滤波器，其特征在于：所述上层金属微纳光栅和下层金属微纳光栅由银制成。

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