CN113991268B - 基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及纳米光子学技术领域，具体涉及基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，包括带阻滤波器本体，带阻滤波器本体具有传输波导、四个第一矩形耦合谐振腔和四个第二矩形耦合谐振腔，四个第一矩形耦合谐振腔分别与传输波导连通，均位于传输波导的一侧，四个第二矩形耦合谐振腔分别与四个第一矩形耦合谐振腔连通，第一矩形耦合谐振腔和第二矩形耦合谐振腔具有足够的特性，可以过滤比大多数金属‑介质‑金属滤波器更宽的波长范围，滤波器所产生的光谱，具有透射率高，阻带透射率低且变化平缓，阻带较宽的优点，解决了现有的带阻滤波器的圆形耦合谐振腔进行相消干涉后产生的光谱的阻带较窄的问题。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光子学技术领域，尤其涉及基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器。
背景技术
表面等离子体极化激元(spp)是一种电磁波与金属表面的自由电子相互作用而形成的沿着金属-介质界面传播的电磁表面波；电磁感应透明(EIT)是一种由原子能级和外加光场的相互作用引起材料吸收带透射率的激光激活增强；等离子体诱导透明(PIT)被认为是经典电磁感应透明的(EIT)的等离子体模拟，在MIM等离子体波导耦合系统中，PIT的性能对纳米结构中光的动态控制和操纵具有重要意义。此外，波导耦合系统中PIT的产生机制可以与量子系统中EIT的解释相比较。原子的作用由腔起作用，原子跃迁由腔模起作用，驱动激光束表现为相邻腔间的强耦合。
MIM等离子体波导通过现有的带阻滤波器的圆形耦合谐振腔进行相消干涉后产生光谱，但产生的光谱的阻带较窄。
发明内容
本发明的目的在于提供基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，旨在解决现有的带阻滤波器的圆形耦合谐振腔进行相消干涉后产生的光谱的阻带较窄的问题。
为实现上述目的，本发明提供了基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，包括带阻滤波器本体，所述带阻滤波器本体具有传输波导、四个第一矩形耦合谐振腔和四个第二矩形耦合谐振腔，四个所述第一矩形耦合谐振腔分别与所述传输波导连通，均位于所述传输波导的一侧，四个所述第二矩形耦合谐振腔分别与四个所述第一矩形耦合谐振腔连通。
其中，所述基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器还包括四个第二调节板，所述带阻滤波器本体还具有四个第三矩形耦合谐振腔，四个所述第三矩形耦合谐振腔分别与四个第二矩形耦合谐振腔连通，均位于远离所述传输波导的一侧，四个所述第二调节板分别与所述带阻滤波器本体滑动连接，均位于所述第三矩形耦合谐振腔内。
其中，所述基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器还包括第一调节板，所述带阻滤波器本体还具有矩形透射腔，所述矩形透射腔与所述传输波导连通，并位于远离所述第一矩形耦合谐振腔的一侧，所述第一调节板与所述带阻滤波器本体滑动连接，并位于所述矩形透射腔内。
其中，所述第一矩形耦合谐振腔和所述第二矩形耦合谐振腔的高均为150nm，宽均为50nm。
其中，所述第一矩形耦合谐振腔和与所述第一矩形耦合谐振腔连通的所述第二矩形耦合谐振腔形成双矩形耦合谐振腔，四个所述双矩形耦合谐振腔呈对称分布，相邻两个所述双矩形耦合谐振腔之间的间距为12.5nm。
其中，所述传输波导的宽为50nm。
其中，所述矩形透射腔的长为125nm。
本发明的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，所述第一矩形耦合谐振腔和所述第二矩形耦合谐振腔具有足够的特性，可以过滤比大多数金属-介质-金属滤波器更宽的波长范围，滤波器所产生的光谱，具有透射率高，阻带透射率低且变化平缓，阻带较宽的优点，解决了现有的带阻滤波器的圆形耦合谐振腔进行相消干涉后产生的光谱的阻带较窄的问题。
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是本发明提供的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器的结构示意图；
图2是带阻滤波器本体的投射率曲线图；
图3是当c分别等于100nm、95nm、90nm、85nm，80nm、75nm和70nm时红移的透射率曲线图；
图4是矩形透射腔对高带宽带阻滤波结构的调制效应图；
图5是当g分别等于50m、60m和70m时的的透射率变化图。
1-带阻滤波器本体、2-第一调节板、3-传输波导、4-第一矩形耦合谐振腔、5-第二矩形耦合谐振腔、6-矩形透射腔、7-第三矩形耦合谐振腔、8-第二调节板、9-双矩形耦合谐振腔。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图5，本发明提供基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，包括带阻滤波器本体1，所述带阻滤波器本体1具有传输波导3、四个第一矩形耦合谐振腔4和四个第二矩形耦合谐振腔5，四个所述第一矩形耦合谐振腔4分别与所述传输波导3连通，均位于所述传输波导3的一侧，四个所述第二矩形耦合谐振腔5分别与四个所述第一矩形耦合谐振腔4连通。
在本实施方式中，MIM进入所述传输波导3的入射波导宽度ω＝50nm，由于波导宽度远小于入射光波波长，因此波导中只存在横向磁(TM)基模，其在MIM波导中的色散关系为：
其中kz2A和kz1B分别为金属和绝缘体的横向传播常数。εd和εm分别为空气和金属介电常数。kz2和kz1分别为
其中β为SPPs波的传播常数，k0为自由空间波矢，其中绝缘体选用空气，金属材质选用银，这是因为在可见光谱中，银是损耗最低的金属，银材质使用Drude-Lorentz近似来建模，该模型提供的银的介电常数与频率关系为：
其中ε∞＝3.7，ωp＝9.1eV，γ＝0.018eV，分别为频率趋于无穷大时的相对介电常数，等离子体振荡的固有频率，金属中自由电子的碰撞衰减频率。当SPP与槽腔直接耦合时，谐振腔中会发生共振。根据驻波原理，当满足以下条件才能在槽腔内产生稳定得驻波：
Δφ＝βm·Leff+φr＝2mπ；
其中φr计算了槽腔表面的光束相移，m指槽腔内驻波波腹个数，βm是驻波波腹第m对应的SPP传播常数，因此，可以获得如下的谐振波长：
λm＝2neffL/(m-φr/π)；
其中neff＝β/k0表示MIM波导的有效折射率，槽长度表示为L。由此，我们确定了构成MIM光波导的物质介电常数与SPP波在腔体耦合时的谐振波长，当SPPs从所述传输波导3的入射端口发射，沿着所述传输波导3从左向右传播，经过所述双矩形耦合谐振腔9的耦合作用，将能量局域在所述双矩形耦合谐振腔9内，在计算过程中，所述第一矩形耦合谐振腔4与所述第二矩形耦合谐振腔5的拼接面长度为c谐振腔与传输波导3采用直接耦合方式。
所述双矩形耦合谐振腔9结构与传统矩形结构相比，所述双矩形耦合谐振腔9的光透射率明显较高，最高点透射率可达0.88，在透射率低于0.01时，获得了可以滤除波长λ＝870nm和λ＝1690nm两个通讯窗口之间的所有波长，构成了高达820nm的透射率小于0.01的阻带宽度，这主要是因为SPPs传输经过四个所述双矩形耦合谐振腔9的最左侧的所述双矩形耦合谐振腔9时，在所述双矩形耦合谐振腔9之间来回反射形成F-P谐振腔，出射波与所述传输波导3中的传输波满足相位相消条件，即满足驻波条件Δφ＝βm·Leff+φr＝2mπ，当满足该条件时光波导进入下一级矩形栅，进一步发生相消干涉，因此所述双矩形耦合谐振腔9具有足够的特性，可以过滤比大多数金属-介质-金属滤波器更宽的波长范围，滤波器所产生的光谱，具有透射率高，阻带透射率低且变化平缓，阻带较宽的优点，解决了现有的带阻滤波器的圆形耦合谐振腔进行相消干涉后产生的光谱的阻带较窄的问题，且所述双矩形耦合谐振腔9的双矩形结构相比于圆形结构的滤波器，更易于加工生产。
进一步的，所述基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器还包括四个第二调节板8，所述带阻滤波器本体1还具有四个第三矩形耦合谐振腔7，四个所述第三矩形耦合谐振腔7分别与四个第二矩形耦合谐振腔5连通，均位于远离所述传输波导3的一侧，四个所述第二调节板8分别与所述带阻滤波器本体1滑动连接，均位于所述第三矩形耦合谐振腔7内；所述基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器还包括第一调节板2，所述带阻滤波器本体1还具有矩形透射腔6，所述矩形透射腔6与所述传输波导3连通，并位于远离所述第一矩形耦合谐振腔4的一侧，所述第一调节板2与所述带阻滤波器本体1滑动连接，并位于所述矩形透射腔6内；所述第一矩形耦合谐振腔4和所述第二矩形耦合谐振腔5的高(h)均为150nm，宽(d)均为50nm；所述第一矩形耦合谐振腔4和与所述第一矩形耦合谐振腔4连通的所述第二矩形耦合谐振腔5形成双矩形耦合谐振腔9，四个所述双矩形耦合谐振腔9呈对称分布，相邻两个所述双矩形耦合谐振腔9之间的间距(t)为12.5nm；所述传输波导3的宽(w)为50nm；所述矩形透射腔6的长(l)为125nm。
在本实施方式中，当通过所述第二调节板8在所述第三矩形耦合谐振腔7内上移时，可增加所述第二矩形耦合谐振腔5的深度，从而改变所述第一矩形耦合谐振腔4与所述第二矩形耦合谐振腔5的拼接面长度(c)，导致SPPs波入射光程增加，驻波条件发生变化，因此发现透射曲线会发生明显的红移并于耦合距离成正比例变化，而滤波带宽度几乎没有变化，可以认为这种变化有利于滤波器适应不同的滤波条件下各种光学滤波电路，且变化简单，宜于通过简单的变化达到多种滤波效果。
当通过所述第一调节板2在所述矩形透射腔6内上滑动时，可改变所述矩形透射腔6与所述传输波导3之间的高度(g)，当g的长度增加时PIT效应产生共振峰的峰值波长会发生红移，阻带宽度逐渐变小，但滤波带右侧透射曲线不会发生移动并保持稳定，这样我们就得到了随着所述矩形透射腔6高度g改变而发生变化的一种可调节的确定阻带宽度的带阻滤波效果。
以上所揭露的仅为本发明基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器较佳实施例而已，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 (6)
1.基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，其特征在于，包括带阻滤波器本体，所述带阻滤波器本体具有传输波导、四个第一矩形耦合谐振腔和四个第二矩形耦合谐振腔，四个所述第一矩形耦合谐振腔分别与所述传输波导连通，均位于所述传输波导的一侧，四个所述第二矩形耦合谐振腔分别与四个所述第一矩形耦合谐振腔连通；
所述基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器还包括四个第二调节板，所述带阻滤波器本体还具有四个第三矩形耦合谐振腔，四个所述第三矩形耦合谐振腔分别与四个第二矩形耦合谐振腔连通，均位于远离所述传输波导的一侧，四个所述第二调节板分别与所述带阻滤波器本体滑动连接，均位于所述第三矩形耦合谐振腔内。
2.如权利要求1所述的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，其特征在于，
所述基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器还包括第一调节板，所述带阻滤波器本体还具有矩形透射腔，所述矩形透射腔与所述传输波导连通，并位于远离所述第一矩形耦合谐振腔的一侧，所述第一调节板与所述带阻滤波器本体滑动连接，并位于所述矩形透射腔内。
3.如权利要求1所述的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，其特征在于，
所述第一矩形耦合谐振腔和所述第二矩形耦合谐振腔的高均为150nm，宽均为50nm。
4.如权利要求1所述的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，其特征在于，
所述第一矩形耦合谐振腔和与所述第一矩形耦合谐振腔连通的所述第二矩形耦合谐振腔形成双矩形耦合谐振腔，四个所述双矩形耦合谐振腔呈对称分布，相邻两个所述双矩形耦合谐振腔之间的间距为12.5nm。
5.如权利要求1所述的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，其特征在于，
所述传输波导的宽为50nm。
6.如权利要求2所述的基于等离子体诱导透明的可调制超宽带带阻滤波器，其特征在于，
所述矩形透射腔的长为125nm。
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