CN111650675A - 一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器的研究 - Google Patents

Abstract

本发明为涉及微纳光电子技术领域的一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器。本发明整体为在矩形金属薄膜上镂空一个矩形波导和一个内嵌矩形金属纳米环形谐振腔组成。研究发现通过改变内嵌矩形长s、高h、耦合距离d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阻滤波特性。本发明滤波器可实现在500nm～1200nm范围带阻滤波，对结构参量优化，可有效调节透射峰的位置和大小，增强了带阻滤波器的适用范围以及精度，基于本发明设计可以实现高精度、可调、易加工的带阻滤波器。

Description

一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器的研究

(一)技术领域

本发明涉及微纳电子领域，属于等离子滤波器领域，具体是基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器的研究。

(二)背景技术

表面等离激元(surface plasmon)是金属表面的自由电子与电磁波的电子耦合，电子在金属-电解质表面上作相干集体振荡，这是一种非辐射电磁模式。在共振激发下能够形成极强的电场和局域磁场，其能量是沿着金属表面的方向传播,并在垂直于金属表面的方向上能量是呈指数衰减，利用表面等离子体的这一特殊性质，它能够将光波约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。

光学异常透射现象(Extraordinary Optical Transmission,EOT)。1998年，来自美国的Ebbesen等研究者在研究银膜上的亚微米孔阵列的光学特性时，发现当光照射到亚波长小孔的表面上时，在其表面上会产生倏逝场，由于隧道效应的存在，一部分倏逝场会穿透到小孔的另一个表面并被散射，进而形成传播场，金属薄膜上的表面等离激元通过近场增强特性对倏逝场的衰减进行了补偿，从而有效地提高能量的传输效率。光透过该结构的能量远远高于经典衍射理论中计算结果。这种现象被称为光学异常透射。

基于表面等离体的纳米光子器件是实现纳米全光网络的基础，因此如何实现在纳米尺寸上对表面等离体调控成为该领域研究者关注的热点。基于金属纳米颗粒阵列或金属纳米线的表面等离体波导已经在理论上提出并在实验上获得验证，但是此类结构的能量损失大，使得有效传播距离过小而难以在短期内获得应用。

而基于金属-绝缘体-金属(Metal.Insulator.Metal，MIM)表面等离体波导结构避免了辐射模和泄漏模的出现，可以将电磁波有效地局域在亚波长结构中，从而实现了光在纳米尺度内的传输。近年来，基于MIM波导的功能器件已被设计，如光分束器，定向耦合器，布拉格反射器，滤波器。

(三)发明内容

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，本发明的目的是提供一种基于金属-介质-金属(MIM)的内嵌矩形金属块的纳米环形谐振腔滤波器。该滤波器具有选频特性好，损耗低，结构紧凑，体积小，滤波效果优越等优点，通过调节其结构参数，例如内嵌矩形金属块的尺寸、谐振腔尺寸、谐振腔与金属一绝缘体一金属波导的耦合距离等，能够实现其滤波特性的调节。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

金属薄膜材料选用金属银。

金属薄膜的厚度符合工作条件即可,为了获得良好滤波效果,金属膜厚度为250nm。

金属薄膜内的矩形长条波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔半径r为250nm，内嵌矩形金属块长度s的范围为50nm～200nm,高度h为20nm，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为10nm。

金属薄膜内的矩形长条波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔半径r为250nm，内嵌矩形金属块的长度s为20nm,高度h的范围为50nm～200nm，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为10nm。

金属薄膜内的矩形长条波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔半径r为250nm，内嵌矩形金属块的长度s和高度h相等，范围为50nm～150nm，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为10nm。

金属薄膜内的矩形长条波导宽度ω为50nm，圆形谐振腔半径r为250nm，内嵌矩形金属块的长度s为45nm,高度h为80nm，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间距d的范围为10nm～30nm。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图。

图2是本发明的二维结构示意图。

图3是本发明在圆形谐振腔内嵌长度s为45nm高度h为80nm的金属块和未嵌入金属块的透射率曲线图。

图4是本发明在圆形谐振腔内嵌金属块长度s变化时的透射率曲线图。

图5是本发明在圆形谐振腔内嵌金属块高度h变化时的透射率曲线图。

图6是本发明在圆形谐振腔内嵌金属块长度s和高度h同等变化时的透射率曲线图。

图7是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8是本发明在圆形谐振腔内嵌金属块长度s为200nm高度h为20nm和内嵌金属块长度s为20nm高度h为200nm之间的透射率曲线对比图。

(五)具体实施方式

为了进一步说明本发明的技术方案和优点，结合下面实例对本发明的技术方案作详细说明和探讨。但不用于限制本发明。

一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其三维立体图如图1所示。

一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其二维立体图如图2所示。由金属薄膜(2)、矩形波导(1)、圆形谐振腔(3)、内嵌矩形金属块(4)、圆形谐振腔与矩形波导之间的耦合距离d为10nm。

金属薄膜可以采用金、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所示为本发明在圆形谐振腔内嵌长度s为45nm高度h为80nm的金属块和未嵌入金属块的透射率曲线图。可以看出内嵌矩形金属块使得透射率有一定幅度降低并且透射谷出现红移现象，滤波器的品质因子得到提升。

图4所示为本发明在圆形谐振腔内嵌金属块长度s变化时的透射率曲线图。可以看出第一个透射谷出现微弱的红移现象，第二个透射谷出现较大红移现象，表明该滤波器可以在500nm～1200nm波长范围内进行滤波。

图5所示为在圆形谐振腔内嵌金属块高度h变化时的透射率曲线图。在500nm～1200nm波长范围内，h较小时只有一个透射谷，h增大到一定程度时，会出现两个透射谷，随着h的增大，第一个透射谷出现微弱的红移现象，第二个透射谷出现较大红移现象。

图6所示为本发明在圆形谐振腔内嵌金属块长度s和高度h同等变化时的透射率曲线图。在500nm～1200nm波长范围内，当s和h较小时，透射谷只有一个，随着s和h的增大时，会出现多个透射谷，并且相等数量的透射谷出现红移现象。

图7所示为本发明在圆形谐振腔与长矩形波导耦合距离d发生变化时的透射率曲线图。可以明显看出随着耦合距离d的增大，透射谷透射率明显降低，并且出现蓝移现象。

图8所示为本发明在圆形谐振腔内嵌金属块长度s为200nm高度h为20nm和内嵌金属块长度s为20nm高度h为200nm之间的透射率曲线对比图。在500nm～1200nm波长范围内，可以明显看出s较大的金属块其第一个透射谷的透射率小于第二个透射谷的透射率，相反，h较大的金属块其第一个透射谷的透射率大于第二个透射谷的透射率，说明s对第二个透射谷的影响较大，h对第一个透射谷的影响较大。

以上所述实施方式仅仅是对本发明进行了具体说明，并非是限制于本发明范围，在不脱离本发明的原理前提下，凡是在本领域技术人员对本发明的技术方案做出各种等同的变形或改进，均视为在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其特征在于：所述滤波器由矩形金属薄膜(2)、矩形波导(1)、圆形谐振腔(3)、内嵌矩形金属块(4)组成。该结构金属薄膜(2)选用金属银材料。在本发明中，矩形金属薄膜(2)尺寸设计为800*800nm,矩形波导(1)宽度为50nm，圆形谐振腔(3)与矩形波导(1)之间耦合距离d为10nm。在金属薄膜上进行镂空操作，形成内部填充介质为空气的矩形波导和内嵌矩形金属块的圆形谐振腔结构。

2.根据权利要求1所述的一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其特征在于：金属薄膜(2)的厚度为250nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其特征在于：金属薄膜(2)的材料为金属银。

4.根据权利要求1所述的一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其特征在于：金属薄膜内(2)的矩形波导(1)宽度ω为50nm，圆形谐振腔(3)半径r为250nm，内嵌矩形金属块(4)长度s的范围为50nm～200nm,高度h为20nm，圆形谐振腔和矩形波导中填充介质折射率n为1，圆形谐振腔和矩形波导之间的间距d为10nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其特征在于：金属薄膜内(2)的矩形波导(1)宽度ω为50nm，圆形谐振腔(3)半径r为250nm，内嵌矩形金属块(4)长度s为20nm,高度h的范围为50nm～200nm，圆形谐振腔和矩形波导中填充介质折射率n为1，圆形谐振腔和矩形波导之间的间距d为10nm。

6.根据权利要求1所述的一种基于内嵌矩形金属谐振腔等离子体滤波器，其特征在于：金属薄膜(2)内的矩形波导(1)宽度ω为50nm，圆形谐振腔(3)半径为250nm，圆形谐振腔和矩形波导中填充介质折射率n为1，圆形谐振腔和矩形波导之间的间距d范围为10nm～30nm。

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