CN203616502U

CN203616502U - 一种表面等离激元光波导滤波器

Info

Publication number: CN203616502U
Application number: CN201320804756.2U
Authority: CN
Inventors: 黄旭光; 朱家胡; 陶金
Original assignee: South China Normal University; China Mobile Group Guangdong Co Ltd
Current assignee: South China Normal University; China Mobile Group Guangdong Co Ltd
Priority date: 2013-12-09
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2023-12-09

Abstract

本实用新型涉及光滤波器件，更具体地，涉及一种表面等离激元光波导滤波器。其包括金属波导，在金属波导中设有用于入射和反射光线进出的通道和用于产生谐振波长的共振腔，通道和共振腔内填充有电介质，通道和共振腔之间设有用于阻碍光波进出的金属间隙。本实用新型是在金属波导上构造出一个亚波长的滤波器，其结构简单，尺寸小，只有几百纳米，易于高密度的光集成，且其高性能的窄带滤波有助于研制应用于光通信的光开关。而且，本实用新型滤波的波长可以通过共振腔的几何尺寸或腔内不同折射率的电介质来调节，也就是说通过制造不同几何尺寸的器件或者在器件上填充不同折射率的电介质就可以实现对任何波长的滤波，大大提高了器件的应用范围。

Description

一种表面等离激元光波导滤波器

技术领域

本实用新型涉及光滤波器件，更具体地，涉及一种表面等离激元光波导滤波器。

背景技术

近几年来电子集成线（回）路(IC)的尺寸按照摩尔定律所预期的速度迅速减少，其单元器件已在实验室实现了数十纳米量级尺度的突破。由于受到电子固有的荷电性、带宽、热耗和热电串扰等物理限制，电子IC的尺寸与集成度几乎到了其理论极限值因而难以进一步突破。与此相反地，光子集成线路在理论上完全不受这些因素的制约，并具有电子IC无法比拟的极高的带宽和响应速度、高抗扰性等优异性能。但作为基本组成元素的光波导，光子集成线路单元器件的大小一般在数十至数千波长的尺度范围，其横向尺寸至今仍被限制在光波长的量级而不能发挥其潜力。为了突破这一波长极限，大幅度地减少光子集成线路的尺寸，研制集成度更高、功能更强和功耗更低的光子集成线路或平面集成光器件，研究人员相继提出了高折射率差介质波导（如SOI硅隔离体）和光子晶体等原理和技术。然而，高折射率反差形成的传统介质波导由于在原理上仍受到光衍射极限的限制，对光波模式的束缚被限制在介质的光波长量级。虽然利用光子晶体缺陷态所形成的波导效应可以实现比传统介质波导更强的光束缚能力，但这种结构需要至少数周期长度的光子晶体对光场干涉相消才能形成禁带限制作用，即光子晶体实质上仍然没能摆脱物理光学的波长极限制约，致使光子晶体器件在其横向和纵向方向无法达到亚波长或纳米量级。由于其并行波导隔离间距均须大于波长以确保互不耦合串扰，集成度难以大幅提高。所以，这两类光波导实质上仍没能摆脱物理光学的波长极限制约。因此，如何设计并制作突破衍射极限的各种高集成度、高效率的光通信器件，如波长选择及其它光器件等，是实现纳米光电和全光集成的成败关键所在，也是目前迅速发展的纳米光学领域的一大研究热点。

解决上述问题的主要途径是利用表面等离子体的自身特性。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是局域在金属表面的一种自由电子与光子相互作用形成的混合激发态。SPPs金属波导的突出特点之一就是具有将电磁场能量聚集在纳米尺度范围的能力，在金属内具有极短（纳米级）的穿透深度，打破光学器件波长极限的限制，被认为是最有希望的纳米集成光学器件的载体，且表面等离子体激元既具有电子学的尺度又具有光子学的速度，在纳米集成光学与器件方面有着极大的应用潜力，金属结构光波导器件也由此在纳米光子器件占有显著位置。SPPs研究已在纳米金属小孔阵列结构透射增强、纳米光学成像、纳米光刻和高灵敏生化传感等其它领域获得了激动人心的结果，但在光波传输、光信息处理尤其是具有可控功能的纳米光电子器件等方面的进展十分有限，远不能满足研制和开发高功能纳米集成光电子器件的应用要求。可见，开展有关表面等离子体激元的纳米（类）金属-介质-（类）金属集成光波导器件研究，特别是纳米高效波长选择，无论是对于深入认识纳米（类）金属-介质微结构的表面等离子体激元激发及其与光子相互作用的规律、促进纳米波导光学理论和纳米光子学学科的发展，对于突破目前国际上已有的SPPs元器件被动不可调的制约、研制纳米新型光滤波器等光通信关键功能器件，对于推动纳米固定和可调滤波器、波长路由开关等其它波长调制的纳米SPPs光电器件的发展，还是对于设计新型纳米光波导结构、研制下一代纳米平面集成光电子器件，均有促进作用。

实用新型内容

本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种尺寸小、易于高密度光集成的表面等离激元光波导滤波器。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：

一种表面等离激元光波导滤波器，包括金属波导，在金属波导中设有用于入射和反射光线进出的通道和用于产生谐振波长的共振腔，通道和共振腔内填充有电介质，通道和共振腔之间设有用于阻碍光波进出的金属间隙。

外部的宽带入射光波通过耦合器耦合进入本实用新型的通道，并在通道中的电介质与金属波导中的金属交界面形成表面等离子波，等离子波沿着通道传输，部分光波透过金属间隙进入共振腔。在共振腔中，由于金属波导中金属的高反射作用，光波在腔内来回反射，符合共振波长的光波在腔内形成驻波，而其余波长的光波透过金属间隙，重新回到通道，并通过另一个耦合器将光波耦合出去，最终实现了窄带滤波功能。

在一种优选方案中，所述电介质为空气。采用空气作为电介质，获取方法简单方便，制作成本低。

在另一种优选方案中，所述金属波导为银薄膜。

在另一种优选方案中，所述共振腔为矩形腔。

在另一种优选方案中，通道的波导宽度为30nm至70nm。

在进一步的方案中，通道的波导宽度为50nm。

在另一种优选方案中，金属间隙为银结构。

在进一步的方案中，金属间隙的宽度为10nm-50nm。

在更进一步的方案中，金属间隙的宽度为20nm。

在另一种优选方案中，共振腔的长度为360nm-500nm，宽度为40nm-100nm。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型是在金属波导上构造出一个亚波长的滤波器，其结构简单，尺寸小，只有几百纳米，易于高密度的光集成，且其高性能的窄带滤波有助于研制应用于光通信的光开关。而且，本实用新型滤波的波长可以通过共振腔的几何尺寸或腔内不同折射率的电介质来调节，也就是说通过制造不同几何尺寸的器件或者在器件上填充不同折射率的电介质就可以实现对任何波长的滤波，大大提高了器件的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型一种表面等离激元光波导滤波器具体实施例的立体结构图。

图2为本实用新型一种表面等离激元光波导滤波器具体实施例的俯视示意图。

图3为本实用新型一种表面等离激元光波导滤波器具体实施例中一种实例的反射谱图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1和2所示，为本实用新型一种表面等离激元光波导滤波器具体实施例的结构示意图。参见如图1，本具体实施例的一种表面等离激元光波导滤波器，包括金属波导1，在金属波导1中设有用于入射和反射光线进出的通道2和用于产生谐振波长的共振腔3，通道2和共振腔3内填充有电介质，通道2和共振腔3之间设有用于阻碍光波进出的金属间隙4。

外部的宽带入射光波通过耦合器耦合进入本具体实施例的通道2，并在通道2中的电介质与金属波导1中的金属交界面形成表面等离子波，等离子波沿着通道2传输，部分光波透过金属间隙4进入共振腔3。在共振腔3中，由于金属波导1中金属的高反射作用，光波在腔内来回反射，符合共振波长的光波在腔内形成驻波，而其余波长的光波透过金属间隙4，重新回到通道2，并通过另一个耦合器将光波耦合出去，最终实现了窄带滤波功能。

在具体实施过程中，所述金属波导1可以采用银薄膜实现。此外，金属波导1也可以采用其他金属介质实现，在此不一一列举。

在具体实施过程中，电介质可以直接采用空气。空气能自动填进去，方便获取方法简单方便，制作成本低。此外，电介质也可以为其他就绝缘介质，而且通道和共振腔体中的电介质可以相同也可以不同。

在具体实施过程中，共振腔3可以通过电子束光刻或者聚焦离子束的方法在金属波导上雕刻形成。一般地，共振腔3采用矩形腔结构。其长度一般设计为360nm-500nm，宽度为40nm-100nm，优选地，其长度为380nm，宽度为60nm。

在具体实施过程中，通道2可以通过电子束光刻或者聚焦离子束的方法在金属波导上雕刻形成。其波导宽度为30nm至70nm。优选地，通道的波导宽度为50nm。

在具体实施过程中，金属间隙4的设置在于形成一面反射镜，其可以为银结构。其宽度一般设计为10nm-50nm，优选地为20nm。

如图3所示，为本具体实施例中共振腔3的腔长为380nm，腔宽为60nm,金属间隙宽为20nm，通道宽为50nm时的反射谱图。

光波只能以消逝波形式渗入金属里面，且因此在电介质（如空气）和金属的界面处几乎完全被反射回来。本具体实施例的滤波器提出具有两高反射金属端面的短波导部分，用于构造出具有支持驻波的共振腔3。如图1所示，电介质假定为折射率等于1的空气。金属波导1周围由金属银覆盖。当入射光波从金属波导1的左边沿着直波导传输时，部分光波会进入到共振腔3里。在共振腔3里面，前向和后向的光波在共振腔3的两个空气-银界面几乎完全被反射。而部分光将会进入左边的直波导。显然，这个结构是一个共振腔结构，当纳米级的共振腔3里满足某些适当的条件时，驻波就可以形成。定义

为光在共振腔3里每一圈的相位延迟，得到Δφ=4πn_effL/λ+φ_r，其中

这里

和

分别是光束在共振腔3的两端因反射引起的附加相移，而L是共振腔3的长度，n_eff为波导的有效折射率。基于共振腔原理，当共振条件满足

可以建立稳定的驻波，这里正整数m为等离子驻波的波腹数。基于法珀里共振腔的光学理论和等离子模的有效折射率，腔的共振波长可以被推导出：

λ_m=2n_effL/(m-φ_r/2π).

从公式，可以知道共振波长λm与长度L和波导的有效折射率n_eff成正比。因为有效折射率与波导的宽度成类反比的关系，所以共振波长也和波导的宽度成类反比关系。作为一个腔，其有效折射率也与腔的耦合强度有关。故有效折射率与两波导中的金属间隙4有一定的关系，同理，共振波长也与金属间隙4有一定的关系。实现一个任意波长滤波的直接方法是选择一个适合的长度L。而波导的宽度w支配着波导模的有效折射率，因此也影响着共振波长。所以，可以通过选取共振腔3的长度和/或宽度去实现所需要的任意波长的窄带滤波功能。对于一个共振波长，其所需的最小腔长为L=λ/(2n_eff)。

本实用新型的滤波器可以降低使用本振信号源的频率，降低误码率，提高系统性能的光纤无线传输系统，尺寸在亚波长级别，可以应用于高集成的纳米光子回路。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，包括金属波导，在金属波导中设有用于入射和反射光线进出的通道和用于产生谐振波长的共振腔，通道和共振腔内填充有电介质，通道和共振腔之间设有用于阻碍光波进出的金属间隙。

2.根据权利要求1所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，所述电介质为空气。

3.根据权利要求1所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，所述金属波导为银薄膜。

4.根据权利要求1所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，所述共振腔为矩形腔。

5.根据权利要求1所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，通道的波导宽度为30 nm至70nm。

6.根据权利要求5所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，通道的波导宽度为50nm。

7.根据权利要求1所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，金属间隙为银结构。

8.根据权利要求7所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，金属间隙的宽度为10 nm -50nm。

9.根据权利要求8所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，金属间隙的宽度为20nm。

10.根据权利要求1-9任一项所述的表面等离激元光波导滤波器，其特征在于，共振腔的长度为360 nm -500nm，宽度为40-100nm。