CN113466977B

CN113466977B - 一种表面等离激元窄带梳状滤波器

Info

Publication number: CN113466977B
Application number: CN202110788372.5A
Authority: CN
Inventors: 赵洪霞; 程培红; 丁志群
Original assignee: Ningbo University of Technology
Current assignee: Ningbo University of Technology
Priority date: 2021-07-13
Filing date: 2021-07-13
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2041-07-13
Also published as: CN113466977A

Abstract

本发明公开了一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其包括下层硅膜层、上层石墨烯层、顶层二氧化硅层，下层硅膜层的宽度方向上的中间区域上开设有贯穿其上下表面的单缝，被单缝分成左侧硅膜层和右侧硅膜层，单缝内自下而上依次填充有石墨烯和二氧化硅，形成在下面的石墨烯填充层和在上面的二氧化硅填充层，石墨烯填充层的上表面与二氧化硅填充层的下表面之间不存在空隙，上层石墨烯层贴合设于左侧硅膜层的上表面、二氧化硅填充层的上表面及右侧硅膜层的上表面上，顶层二氧化硅层贴合设于上层石墨烯层的上表面上，且顶层二氧化硅层的宽度方向的中心位置与上层石墨烯层的宽度方向的中心位置对齐；优点是单信道带宽窄，且结构简单，易于片上集成。

Description

一种表面等离激元窄带梳状滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，尤其是涉及一种表面等离激元窄带梳状滤波器，梳状滤波器由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带组成，且只让某些特定频率范围的信号通过，由于梳状滤波器其特性曲线像梳子一样，因此称为梳状滤波器。

背景技术

表面等离激元（简称SPPs）是局域在金属-电介质界面的一种特殊电磁场形式，它沿着金属表面传播且垂直于界面向两侧指数衰减。由于独特的表面传播特性，表面等离激元光子器件可克服传统光学衍射极限，在亚波长级别下引导和操纵光，大大减小了光子器件的空间尺寸和电磁场的相互作用距离，使得微纳米范围内的光学集成成为可能。

目前，基于表面等离激元的功能结构主要集中在吸收器、探测器、调制器和滤波器等，其中，红外滤波器具有更为广泛的应用，如已应用于红外波段选频和通信等领域，但大多数研究侧重于单信道滤波，有关多信道梳状滤波的研究和报道还比较少。多信道梳状滤波的研究主要有：如Y. Gong等人设计的一种基于MIM波导的准周期序列光栅结构的多信道滤波器，该多信道滤波器在1.2～1.8微米波长范围内得到10个反射信道，但单信道带宽均在30纳米以上（参见Gong, Yongkang; Liu, Xueming; Wang, Leiran. High-channel-count plasmonic filter with the metal-insulator-metal Fibonacci-sequencegratings. optics letters,2010,Vol.35,No.3,285-287.（宫永康，刘雪明，王擂然.金属-绝缘体-金属-斐波那契序列光栅高通道计数等离子体滤波器.光学快报,2010,35(3):285-287））；又如Luoxin等人通过在两块金属夹层之间插入N个由两种不同折射率绝缘介质交替排列构成的周期结构，获得1～2微米波长范围内14个信道，虽然信道数量增加了，隔离度也增为0.2dB，但是单信道带宽仍达到7纳米以上（参见罗昕,邹喜华,温坤华,等. 双节MIM结构表面等离子体窄带光学滤波器.光学学报,2013,33(11):1123003）。上述基于表面等离激元的多信道梳状滤波器仍存在单信道带宽较大的不足，成为了制约其实用化和充分利用有限带宽资源的关键障碍，因此要满足实用化需求且充分利用有限带宽资源，还需进一步改进和优化设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其单信道带宽窄，且结构简单，易于片上集成。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：包括下层硅膜层、上层石墨烯层、顶层二氧化硅层，所述的下层硅膜层的宽度方向上的中间区域上开设有贯穿所述的下层硅膜层的上下表面的单缝，所述的下层硅膜层被所述的单缝分成左侧硅膜层和右侧硅膜层，所述的单缝内自下而上依次填充有石墨烯和二氧化硅，形成在下面的石墨烯填充层和在上面的二氧化硅填充层，所述的石墨烯填充层的上表面与所述的二氧化硅填充层的下表面之间不存在空隙，所述的上层石墨烯层贴合设置于所述的左侧硅膜层的上表面、所述的二氧化硅填充层的上表面及所述的右侧硅膜层的上表面上，所述的顶层二氧化硅层贴合设置于所述的上层石墨烯层的上表面上，且所述的顶层二氧化硅层的宽度方向的中心位置与所述的上层石墨烯层的宽度方向的中心位置对齐。

所述的左侧硅膜层、所述的单缝、所述的右侧硅膜层的宽度比为(5～15):1:(5～15)，所述的上层石墨烯层的宽度与所述的左侧硅膜层、所述的单缝、所述的右侧硅膜层的宽度之和一致，所述的顶层二氧化硅层与所述的上层石墨烯层的宽度比为1: (0.6～32)。

所述的左侧硅膜层的宽度和所述的右侧硅膜层的宽度均为200～300纳米，所述的单缝的宽度为20～40纳米，所述的上层石墨烯层的宽度为420～640纳米，所述的顶层二氧化硅层的宽度为20～640纳米。

所述的下层硅膜层、所述的石墨烯填充层、所述的二氧化硅填充层的厚度比为(10～25): (9.5～23):1。

所述的石墨烯填充层的厚度为76～92纳米，所述的二氧化硅填充层的厚度为4～8纳米，所述的下层硅膜层的厚度为80～100纳米。

所述的上层石墨烯层的厚度为0.68～1.7纳米。

所述的顶层二氧化硅层的厚度为3～20纳米。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）在下层硅膜层的宽度方向上的中间区域上开设贯穿下层硅膜层的上下表面的单缝，且在下层硅膜层的上表面上贴合设置上层石墨烯层，即在硅膜单缝结构表面引入了石墨烯，激发了表面等离激元，实现了表面模态的局域增强，进而由单缝边沿左右两端局域光场在上层石墨烯层与下层硅膜层接触的表面再次激发了表面等离激元，两次激发的表面等离激元满足相长干涉就产生了梳状透射光谱。

2）在单缝内设置有二氧化硅填充层，且在上层石墨烯层的上表面的宽度方向上的中间区域上贴合设置有顶层二氧化硅层，即上层石墨烯层与单缝对应的区域的上下表面上均设置有二氧化硅介质层，强烈抑制了入射光波的反射增强透射率。

3）在单缝内设置有石墨烯填充层，石墨烯填充层与上层石墨烯层构成通带微腔，可以诱发局域光场在下层硅膜层的上表面和单缝边沿左右两端激发的表面等离激元的二次干涉效应，能够大幅压窄透射光谱中单信道带宽（可压窄到2.88纳米，与现有的基于表面等离激元的多信道梳状滤波器相比，压窄了2.5倍以上），增加信道数，同时提升通带透射率。

4）可通过调控顶层二氧化硅层的宽度实现相邻信道间距、单信道带宽和信道数的需求选择。

5）因单层石墨烯对光的垂直吸收率仅为2.3%，几乎完全透明，因此本发明中利用石墨烯填充单缝，材料的固有吸收小，使得梳状滤波器的通带透射率较高。

6）由于梳状信道是由该梳状滤波器的材料自身耦合共振产生，不需要特殊图形结构单元设计或复杂叠加，因此该梳状滤波器的结构更简单，更易于片上集成，且能与硅加工工艺兼容，在光子器件方面能发挥不可替代的作用。

附图说明

图1为本发明的梳状滤波器的二维平面结构示意图；

图2为实施例一的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图；

图3为实施例二的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图；

图4为实施例三的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图；

图5为对比例一的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图；

图6为对比例二的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图；

图7为对比例三的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图；

图8为对比例四的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，如图1所示，其包括下层硅膜层1、上层石墨烯层2、顶层二氧化硅层3，下层硅膜层1的宽度方向上的中间区域上开设有贯穿下层硅膜层1的上下表面的单缝11，下层硅膜层1被单缝11分成左侧硅膜层12和右侧硅膜层13，单缝11内自下而上依次填充有石墨烯和二氧化硅，形成在下面的石墨烯填充层4和在上面的二氧化硅填充层5，石墨烯填充层4的上表面与二氧化硅填充层5的下表面之间不存在空隙，上层石墨烯层2贴合设置于左侧硅膜层12的上表面、二氧化硅填充层5的上表面及右侧硅膜层13的上表面上，顶层二氧化硅层3贴合设置于上层石墨烯层2的上表面上，且顶层二氧化硅层3的宽度方向的中心位置与上层石墨烯层2的宽度方向的中心位置对齐。

在本实施例中，下层硅膜层1的宽度为450纳米，单缝11的宽度为21纳米，左侧硅膜层12的宽度和右侧硅膜层13的宽度均为214.5纳米，上层石墨烯层2的宽度为450纳米，顶层二氧化硅层3的宽度为40纳米，下层硅膜层1的厚度为90纳米，石墨烯填充层4的厚度为85.556纳米，二氧化硅填充层5的厚度为4.444纳米，上层石墨烯层2的厚度为1.7纳米，顶层二氧化硅层3的厚度为11.4纳米。

在本实施例中，上层石墨烯层2可由5层石墨烯单层21堆叠而成，石墨烯单层的厚度为0.34纳米。实际设计时上层石墨烯层2可由2至5层石墨烯单层21堆叠而成。

为了获得该梳状滤波器的梳状透射光谱，并检测该梳状滤波器的性能指标，研究在横磁（transverse magnetic，TM）偏振光场入射下，即光波由顶层二氧化硅层3一侧垂直入射该梳状滤波器时，入射平面电磁波与该梳状滤波器结构相互作用后透射光谱的特性。图2给出了本实施例的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图。分析图2，从图2中可以看出，滤波通带集中在1～1.25微米范围内，处于近红外波段，信道数高达19个，相邻信道间距相等均为11.5纳米，单信道带宽（峰值高度下降到一半时的透射峰宽度）可达2.88纳米，远优于现有的基于表面等离激元的多信道梳状滤波器的带宽值。

实施例二：

本实施例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其结构与实施例一的梳状滤波器的结构相同，在实施例一的基础上为了明确顶层二氧化硅层3的宽度不同对该梳状滤波器的梳状透射光谱的影响，改变了顶层二氧化硅层3的宽度，将顶层二氧化硅层3的宽度设计为300纳米，而其它参数保持不变。

图3给出了本实施例的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图。分析图3，从图3中可以看出，滤波通带范围未变，仍集中在1～1.25微米范围内，但信道数减少为14个，相邻信道间距增大到18.35纳米，伴随单信道带宽增到5.98纳米。

实施例三：

本实施例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其结构与实施例一的梳状滤波器的结构相同，在实施例一的基础上为了进一步确定顶层二氧化硅层3的宽度不同对该梳状滤波器的梳状透射光谱的影响，再次改变了顶层二氧化硅层3的宽度，将顶层二氧化硅层3的宽度设计为450纳米，而其它参数保持不变。

图4给出了本实施例的梳状滤波器的梳状透射光谱示意图。分析图4，从图4中可以看出，滤波通带范围未变，仍集中在1～1.25微米范围内，但信道数减少为11个，相邻信道间距增大明显，达到25.2纳米，同时单信道带宽增大到6.78纳米。

对比图2、图3和图4，可以明显地发现：随着顶层二氧化硅层3的宽度由40纳米增大到450纳米，由于表面等离激元模式局域的区域增大和整体结构损耗的增强，因此导致梳状滤波器的信道数由19个减少为11个；相邻信道之间的间隔由11.5纳米增大到25.2纳米，单信道带宽由2.88纳米增大到6.78纳米，但仍低于现有的基于表面等离激元的多信道梳状滤波器的单信道带宽值。由此可知，利用该梳状滤波器的设计结构，不但能获得单信道带宽更窄的梳状透射光谱，而且可以通过改变顶层二氧化硅层3的宽度值，使梳状滤波器的信道数、相邻信道间距和单信道带宽灵活调节。

对比例一：

该对比例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其结构与实施例一的梳状滤波器的结构相同，其仅在实施例一的基础上改变了左侧硅膜层12、单缝11、右侧硅膜层13的宽度比，设计为8.5:1:8.5，具体为：下层硅膜层1的宽度为540纳米，单缝11的宽度为30纳米，左侧硅膜层12的宽度和右侧硅膜层13的宽度均为255纳米，上层石墨烯层2的宽度为540纳米，顶层二氧化硅层3的宽度为40纳米，下层硅膜层1的厚度为90纳米，石墨烯填充层4的厚度为85.556纳米，二氧化硅填充层5的厚度为4.444纳米，上层石墨烯层2的厚度为1.7纳米，顶层二氧化硅层3的厚度为11.4纳米。

该对比例的梳状滤波器的梳状透射光谱如图5所示。从图5中可知，与实施例一相比该梳状滤波器的透射率基本不变，只是信道数由19个减到14个，相邻信道间隔增大到13.21纳米，单信道带宽增为4.26纳米。

对比例二：

该对比例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其结构与实施例一的梳状滤波器的结构相同，其仅在实施例一的基础上改变了左侧硅膜层12、单缝11、右侧硅膜层13的宽度比，设计为13:1.5:13，具体为：下层硅膜层1的宽度为440纳米，单缝11的宽度为24纳米，左侧硅膜层12的宽度和右侧硅膜层13的宽度均为208纳米，上层石墨烯层2的宽度为440纳米，顶层二氧化硅层3的宽度为40纳米，下层硅膜层1的厚度为90纳米，石墨烯填充层4的厚度为85.556纳米，二氧化硅填充层5的厚度为4.444纳米，上层石墨烯层2的厚度为1.7纳米，顶层二氧化硅层3的厚度为11.4纳米。

该对比例的梳状滤波器的梳状透射光谱如图6所示。从图6中可知，与实施例一相比该梳状滤波器的各信道透射率略有下降，信道数减为16个，相邻信道间隔增大到13纳米，单信道带宽增为4.13纳米。

对比例三：

该对比例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其结构与实施例一的梳状滤波器的结构相同，其仅在实施例一的基础上改变了石墨烯填充层4的厚度、二氧化硅填充层5的厚度、上层石墨烯层2的厚度和顶层二氧化硅层3的厚度比，设计为45:2.5:0.68:6，具体为：下层硅膜层1的宽度为450纳米，单缝11的宽度为21纳米，左侧硅膜层12的宽度和右侧硅膜层13的宽度均为214.5纳米，上层石墨烯层2的宽度为450纳米，顶层二氧化硅层3的宽度为40纳米，下层硅膜层1的厚度为95纳米，石墨烯填充层4的厚度为90纳米，二氧化硅填充层5的厚度为5纳米，上层石墨烯层2的厚度为1.36纳米，顶层二氧化硅层3的厚度为12纳米。

该对比例的梳状滤波器的梳状透射光谱如图7所示。从图7中可知，与实施例一相比该梳状滤波器的滤波通带整体右移，从长波长始各信道透射率近似线性下降，信道数增为22个，相邻信道间隔增大到12.55纳米，单信道带宽增为3.76纳米。

对比例四：

该对比例提出的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其结构与实施例一的梳状滤波器的结构相同，其仅在实施例一的基础上改变了石墨烯填充层4的厚度、二氧化硅填充层5的厚度、上层石墨烯层2的厚度和顶层二氧化硅层3的厚度比，设计为83:5:1.02:15，具体为：下层硅膜层1的宽度为450纳米，单缝11的宽度为21纳米，左侧硅膜层12的宽度和右侧硅膜层13的宽度均为214.5纳米，上层石墨烯层2的宽度为450纳米，顶层二氧化硅层3的宽度为40纳米，下层硅膜层1的厚度为88纳米，石墨烯填充层4的厚度为83纳米，二氧化硅填充层5的厚度为5纳米，上层石墨烯层2的厚度为1.02纳米，顶层二氧化硅层3的厚度为15纳米。

该对比例的梳状滤波器的梳状透射光谱如图8所示。从图8中可知，与实施例一相比该梳状滤波器的滤波通带整体右移，除左边频外，从长波长一侧开始各信道透射率近乎线性下降明显，信道数增为20个，相邻信道间隔增大到11.94纳米，单信道带宽增为4.15纳米。

由图5、图6、图7和图8可知，只要该梳状滤波器各构成部分的宽度和厚度在上述可选择数值范围内，改变该梳状滤波器的各构成部分的宽度比和厚度比，该梳状滤波器的透射光谱只是在透射率上变化明显，但单信道带宽均小于7纳米，低于现有的基于表面等离激元的多信道梳状滤波器的单信道带宽值。

综上所述，本发明采用表面等离激元干涉激发梳状透射光谱，通过在上层石墨烯层2的上下表面同时设置二氧化硅介质层（即在上表面上设置有顶层二氧化硅层3，在下表面上设置有二氧化硅填充层5）和由石墨烯填充层4与上层石墨烯层2构建石墨烯微腔可实现梳状透射光谱各信道带宽的压窄，同时通过改变顶层二氧化硅层3的宽度值或其他结构参数的比例，能灵活调节梳状滤波器的信道数、相邻信道间距和单信道带宽。

在上述各个实施例和对比例中，下层硅膜层1的材料为硅，实际实施时也可选择锗或金，由于介质硅在近红外波段的吸收系数最小，所以选择介质硅进行了实施例和对比例；上层石墨烯层2和石墨烯填充层4的材料为石墨烯；顶层二氧化硅层3和二氧化硅填充层5的材料为二氧化硅。

Claims

1.一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：包括下层硅膜层、上层石墨烯层、顶层二氧化硅层，所述的下层硅膜层的宽度方向上的中间区域上开设有贯穿所述的下层硅膜层的上下表面的单缝，所述的下层硅膜层被所述的单缝分成左侧硅膜层和右侧硅膜层，所述的单缝内自下而上依次填充有石墨烯和二氧化硅，形成在下面的石墨烯填充层和在上面的二氧化硅填充层，所述的石墨烯填充层的上表面与所述的二氧化硅填充层的下表面之间不存在空隙，所述的上层石墨烯层贴合设置于所述的左侧硅膜层的上表面、所述的二氧化硅填充层的上表面及所述的右侧硅膜层的上表面上，所述的顶层二氧化硅层贴合设置于所述的上层石墨烯层的上表面上，且所述的顶层二氧化硅层的宽度方向的中心位置与所述的上层石墨烯层的宽度方向的中心位置对齐。

2.根据权利要求1所述的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：所述的左侧硅膜层、所述的单缝、所述的右侧硅膜层的宽度比为(5～15):1:(5～15)，所述的上层石墨烯层的宽度与所述的左侧硅膜层、所述的单缝、所述的右侧硅膜层的宽度之和一致，所述的顶层二氧化硅层与所述的上层石墨烯层的宽度比为1: (0.6～32)。

3.根据权利要求2所述的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：所述的左侧硅膜层的宽度和所述的右侧硅膜层的宽度均为200～300纳米，所述的单缝的宽度为20～40纳米，所述的上层石墨烯层的宽度为420～640纳米，所述的顶层二氧化硅层的宽度为20～640纳米。

4.根据权利要求1所述的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：所述的下层硅膜层、所述的石墨烯填充层、所述的二氧化硅填充层的厚度比为(10～25): (9.5～23):1。

5.根据权利要求4所述的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：所述的石墨烯填充层的厚度为76～92纳米，所述的二氧化硅填充层的厚度为4～8纳米，所述的下层硅膜层的厚度为80～100纳米。

6.根据权利要求1所述的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：所述的上层石墨烯层的厚度为0.68～1.7纳米。

7.根据权利要求1所述的一种表面等离激元窄带梳状滤波器，其特征在于：所述的顶层二氧化硅层的厚度为3～20纳米。