CN113422183B - 基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米光子学技术领域，具体公开了一种基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，包括介质基底、金属薄膜、同心双半圆环波导谐振腔和直线波导腔，金属薄膜设置于介质基底的上端面，金属薄膜上设置有直线波导腔，以及位于直线波导腔上侧的同心双半圆环波导谐振腔。通过构造共心双半圆环结构，使输出波导同时受到两个波导谐振腔共振模式的影响。两个波导谐振腔腔之间由于反相振荡导致电磁波发生干涉相消而产生类电磁诱导透明现象实现双模式双通道带阻滤波功能，与圆环结构和相交圆环结构相比，其滤波性能有所提升，此结构在全光窄带带阻滤波器方面具有潜在的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光子学技术领域，尤其涉及一种基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器。
背景技术
随着光学技术的发展，未来的集成光学对集成密度提出了更高的要求。表面等离子体激元(SPPs)由于与金属和介质界面有很强的接合作用，可以在纳米尺度上控制光信号的传播，在亚波长光学器件和高集成度光子电路中显示出巨大的应用前景。
如今，已经有许多表面等离子体波导结构，如金属纳米颗粒波导、金属薄膜、金属-绝缘体-金属(MIM)板、等离子体，等离激元纳米团簇、纳米狭缝和混合布拉格波导，但其上述列举的表面等离子体波导结构的滤波性能较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，旨在提升滤波性能。
为实现上述目的，本发明采用的一种基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，包括介质基底、金属薄膜、同心双半圆环波导谐振腔和直线波导腔，所述金属薄膜设置于所述介质基底的上端面，所述金属薄膜上设置有所述直线波导腔，以及位于所述直线波导腔上侧的所述同心双半圆环波导谐振腔。
其中，所述介质基底采用SiO2基底。
其中，所述金属薄膜采用Ag制成。
其中，所述同心双半圆环波导谐振腔包括第一半环谐振腔和第二半环谐振腔，且所述第一半环谐振腔和所述第二半环谐振腔呈共心形式上下排列。
其中，所述直线波导腔的宽度为50nm。
其中，所述直线波导腔的长度为1500nm。
其中，所述第一半环谐振腔的中心半径为120nm。
其中，所述第二半环谐振腔的中心半径为245nm。
本发明的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，通过构造共心双半圆环结构，使输出波导同时受到两个波导谐振腔共振模式的影响。两个波导谐振腔腔之间由于反相振荡导致电磁波发生干涉相消而产生类电磁诱导透明现象实现双模式双通道带阻滤波功能，与圆环结构和相交圆环结构相比，其滤波性能有所提升，此结构在全光窄带带阻滤波器方面具有潜在的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器的立体图。
图2是本发明的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器的结构示意图。
图3是本发明的第一半环谐振腔、第二半环谐振腔和同心双半圆环波导谐振腔的透射谱线图。
图4是本发明的四种不同耦合距离的透射谱线图。
图5是本发明的模式1、模式2的透射比和半高宽与耦合距离g的关系透射谱线图。
图6是本发明的其他参数设置保持一致的情况下，以0.02nm的步长增加介质折射率的值，其对应的透射谱线图。
1-介质基底、2-金属薄膜、3-第一半环谐振腔、4-第二半环谐振腔、5-直线波导腔。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1至图6，本发明提供了一种基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，包括介质基底1、金属薄膜2、同心双半圆环波导谐振腔和直线波导腔5，所述金属薄膜2设置于所述介质基底1的上端面，所述金属薄膜2上设置有所述直线波导腔5，以及位于所述直线波导腔5上侧的所述同心双半圆环波导谐振腔。
在本实施方式中，通过构造共心双半圆环结构，使输出波导同时受到两个波导谐振腔共振模式的影响。两个波导谐振腔腔之间由于反相振荡导致电磁波发生干涉相消而产生类电磁诱导透明现象实现双模式双通道带阻滤波功能，与圆环结构和相交圆环结构相比，其滤波性能有所提升，此结构在全光窄带带阻滤波器方面具有潜在的应用前景。
进一步地，所述介质基底1采用SiO2基底。
所述金属薄膜2采用Ag制成。
所述同心双半圆环波导谐振腔包括第一半环谐振腔3和第二半环谐振腔4，且所述第一半环谐振腔3和所述第二半环谐振腔4呈共心形式上下排列。
所述直线波导腔5的宽度为50nm。
所述直线波导腔5的长度为1500nm。
所述第一半环谐振腔3的中心半径为120nm。
所述第二半环谐振腔4的中心半径为245nm。
所述同心双半圆环波导谐振腔与所述直线波导腔5之间构成边界耦合方式。
所述同心双半圆环波导谐振腔与所述直线波导腔5之间的耦合距离为20nm。
所述第一半环谐振腔3的中心半径等于所述第一半环谐振腔3的内半径与所述第一半环谐振腔3的外半径之和的二分之一。
所述第二半环谐振腔4的中心半径等于所述第二半环谐振腔4的内半径与所述第二半环谐振腔4的外半径之和的二分之一。
在本实施方式中，基于微腔结构的等离子体同心双半圆环波导滤波器，该滤波器设置于介质基底1，包括金属薄膜2、以及开设在金属薄膜2上的同心双半圆环波导谐振腔。
入射光以TM波进入波导时，SPPs被激发后沿着波导从左往右传输，在MIM波导结构中SPPs传播时的色散关系为：
式中，Kd和Km可以表示为：
其中，k0＝2πλ是光在自由空间的波矢，β代表SPPs的传播常数。
结构中填充的介质材料和金属材料的介电常数分别用εd和εm表示。
ω代表入射光的角频率，因此不同传播常数代表不同入射波长下的模式分布不同。
其结构示意图如图2所示，距离所述直线波导腔5较近的所述第一半环谐振腔3用SR3表示，位于SR3上方的另一个半环即所述第二半环谐振腔4则表示为SR4。所述第一半环谐振腔3和所述第二半环谐振腔4内及传输SPPs的所述直线波导腔5中的白色代表的是介质空气，其余灰色部分代表的是金属材料银。所述同心双半圆环波导谐振腔与所述直线波导腔5之间构成了一个边界耦合方式。初始化结构参数设置如下：传输SPPs的所述直线波导腔5的宽度设为W1＝50nm，所述直线波导腔5长度为D＝1500nm，SR3的内半径为R1，外半径为R2，其中心半径r1＝(R1+R2)/2＝120nm；SR4的内半径为R3，外半径为R4，中心半径r2＝(R3+R4)/2＝245nm。所述同心双半圆环波导谐振腔与所述直线波导腔5之间的耦合距离g＝20nm。传输SPPs的所述直线波导腔5的宽度、长度和上一节模型的参数保持一致。入射光从左侧进入经过波导传输，会与半圆环发生耦合作用，若电磁波不满足共振条件，其会沿着波导传输至右侧的输出端口。结构中填充的介质依旧是空气，金属材料为银。在进行数值仿真时，对金属银的介电常数仍然采用Drude色散模型进行描述。SPPs在波导结构中传输的色散关系采用式(4-1)描述。波长扫描范围为800nm-1600nm。
图3中，SR3的透射谱线用第一线条表示，SR4的透射谱线用第二线条表示，整体结构的透射谱线为第三线条所示。通过观察可以得知SR3和SR4的透射谱线中都出现了一个窄的阻带。因此两个谐振腔都具有耦合电磁场能量形成驻波，进而实现波导结构中阻带滤波的功能。对于整体结构双半环的透射谱线，可以很清晰地看到透射谱中出现了两个窄带。右侧透射波谷用模式1(Mode1)表示，左侧透射波谷用模式2(Mode2)表示。其中模式1的透射比为0.13，半高宽为21nm。模式2的透射比达到了0.06，半高宽仅为13nm。模式2位于谐振波长等于986nm处，与SR4的透射波谷的位置一致。模式1位于谐振波长等于1230nm处，与SR3的透射波谷的位置一致。同时，在其他波长范围内，表现出的是通带的状态，最高透射比达到了0.93。由此可以看出此结构具有良好的带阻滤波功能，可以有效地选择波长。
如图4所示，改变异侧半圆环与波导的耦合距离g，选取g＝10nm，15nm，20nm，25nm。从图四中的透射谱线可以看出，在四种不同耦合距离的情况下，透射谱线随着耦合距离的增加而发生蓝移，即模式1和模式2对应的谐振波长会向短波长处移动。随着耦合距离的增大，从波峰下降至波谷的透射谱线而变得越来越陡峭。
如图5(a)和图5(b)分别为模式1和模式2的透射比和半高宽与耦合距离g的关系。从图中可以清晰地看到，当耦合距离为25nm时，两种模式的半高宽最窄，在具有更好的波长选择性能。但与此同时，其透射比也会随之提高。对于模式1而言，其透射比仍保持在0.2以下，但模式2的透射比已上升至0.2以上。这是由于当耦合距离增加时，所述同心双半圆环波导谐振腔与所述直线波导腔5中SPPs的耦合强度降低，所述同心双半圆环波导谐振腔可以局域的能量减少，通过所述直线波导腔5传输至输出端口的能量会逐渐提高。在此四种情况下，模式2的半高宽和透射比始终小于模式1。当g＝10nm时，在其半高全宽为43nm，波谷的透射比为0.01。当g＝25nm时，半高全宽为8nm，透射比为0.15。由此可见，利用增加耦合距离来压缩窄带带阻滤波器带宽的同时，必然会导致透射比升高。为了获得良好的滤波性能，在选择结构参数时必须要权衡两个性能指标，达到折中效果。
在其他参数设置保持一致的情况下，以0.02nm的步长增加介质折射率的值，其对应的透射谱线如图6所示。可以看出当结构中介质材料的折射率n逐渐增大时，共振波长会向长波长处移动。窄带带阻的中心波长与介质折射率存在着较好的线性关系。因此利用这个现象可以实现对滤波器传输特性的调谐。折射率从1增加到1.06时，模式1对应的谐振波长从1230nm变化1302nm，可以计算出其灵敏度为1200nm/RIU。因此该结构在折射率传感检测方面也有较大的应用价值。
结果表明此结构同样可以实现双模式双通道带阻滤波功能，其窄带中心波长分别为986nm和1230nm。模式1的透射比为0.13，阻带半高宽为21nm；模式2的透射比为0.06，阻带半高宽仅为13nm。与圆环结构和相交圆环结构相比，其滤波性能有所提升。此结构在全光窄带带阻滤波器方面具有潜在的应用前景。
通过设计了同侧半圆环腔滤波结构的设计，获得了较好的滤波性能。此结构两个模式对应的阻带半高宽分别为21nm和13nm，透射比分别为0.13和0.06。结果表明同侧半圆环结构具有较高的品质因数，更适合作为窄带带阻滤波器。同时，此结构相对于圆环结构、交叉圆环结构而言，其窄带带阻滤波性能在一定程度上有所提升。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
包括介质基底、金属薄膜、同心双半圆环波导谐振腔和直线波导腔，所述金属薄膜设置于所述介质基底的上端面，所述金属薄膜上设置有所述直线波导腔，以及位于所述直线波导腔上侧的所述同心双半圆环波导谐振腔；所述同心双半圆环波导谐振腔包括第一半环谐振腔和第二半环谐振腔，且所述第一半环谐振腔和所述第二半环谐振腔呈共心形式上下排列，所述第一半环谐振腔和第二半环谐振腔的开口均朝向直线波导腔一侧，所述同心双半圆环波导谐振腔与所述直线波导腔之间构成边界耦合方式。
2.如权利要求1所述的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
所述介质基底采用SiO2基底。
3.如权利要求1所述的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
所述金属薄膜采用Ag制成。
4.如权利要求1所述的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
所述直线波导腔的宽度为50nm。
5.如权利要求4所述的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
所述直线波导腔的长度为1500nm。
6.如权利要求4所述的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
所述第一半环谐振腔的中心半径为120nm。
7.如权利要求4所述的基于同侧双微腔耦合结构的波导滤波器，其特征在于，
所述第二半环谐振腔的中心半径为245nm。
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