CN206788402U - 一种等离激元波导带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种等离激元波导带通滤波器，由介质层、金属膜和2个以上的纳米狭缝单元组成；金属膜覆设在介质层的表面；每个纳米狭缝单元均呈工字形,并由2个水平方向延伸孔和1个垂直方向延伸孔组成，垂直方向延伸孔的两端分别与水平方向延伸孔相接；2个水平方向延伸孔完全相同；所有纳米狭缝单元均贯通地开设在金属膜上，并在金属膜上呈矩阵形式规则排列。本实用新型具有光透射率高、体积小巧、易于集成，选频特性好的特点；同时可以通过改变水平和/或垂直方向延伸孔的尺寸来改变选频范围和透射系数。
Description
技术领域
本实用新型属于微纳光电子技术领域，具体涉及一种等离激元波导带通滤波器。
背景技术
表面等离激元(Surface Plasmon Polartion，SPP)是在金属-电介质表面上存在的一种特殊的电磁波模式。是在入射光的激发下金属表面的自由电子发生集体振荡所产生的。这种特殊的电磁波沿着金属表面的方向传播，并在垂直于金属表面的方向上呈指数衰减，由于其独特的表面波特性，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(Extraordinary Optical Transmission，EOT)特性表现为：当光入射到具有亚波长周期孔阵列的金属薄膜时，光的透射效率得到了极大的增强，突破了传统孔径衍射理论的限制。自1998年Ebbesen等首次报道光通过金属亚波长孔阵列时具有超强透射(EOT)现象以来，其在等离子体滤波器、热辐射和生化传感等领域极具有潜在的应用价值。这引起了人们对 EOT研究的广泛关注，并由此产生了一些与表面等离子激元相关的光学器件。
研究发现通过改变孔阵列结构的周期、金膜厚度、孔的形状、金属材料、光入射角度等参数，可以有效调节透射峰的位置，以及透射率的大小。随着科技的发展，人们迫切期望能够找到一种可以携带更多数据容量，并且轻便、高速的媒介来传输信息。而滤波器因其选频特性在信息传输中扮演着重要的角色，传统的波导滤波器其尺寸大约是光电子元器件的100倍。正是由于尺寸上的不匹配，使两者很难集成于同一回路，因此制约了基于光子回路信息系统的发展。同时由于存在衍射极限，也迫切需要突破这种限制的新技术。
实用新型内容
本实用新型针对传统滤波器与光电子元器件的尺寸不匹配而难于集成在同一回路中，并限制了光子回路信息系统发展的问题，提供一种等离激元波导带通滤波器。
为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的：
一种等离激元波导带通滤波器，由介质层、金属膜和2个以上的纳米狭缝单元组成；金属膜覆设在介质层的表面；每个纳米狭缝单元均呈工字形, 并由2个水平方向延伸孔和1个垂直方向延伸孔组成，垂直方向延伸孔的两端分别与水平方向延伸孔相接；2个水平方向延伸孔完全相同；所有纳米狭缝单元均贯通地开设在金属膜上，并在金属膜上呈矩阵形式规则排列。
上述方案中，水平方向延伸孔和垂直方向延伸孔均为长条形的矩形孔。
上述方案中，水平方向延伸孔的长度介于120nm～300nm之间，宽度介于 10nm～50nm之间。
上述方案中，垂直方向延伸孔的长度介于240nm～420nm之间，宽度介于 30nm～60nm之间。
上述方案中，每个纳米狭缝单元完全一致。
上述方案中，纳米狭缝单元的个数介于25～60之间。
与现有技术相比，本实用新型的优点为：
1、通过在SiO2波导末端上镀膜，采用垂直方向延伸孔和水平方向的两相同对称矩形孔构成的单位孔阵列狭缝结构，在电介质材料层上周期均匀排列设置多个相同的单位孔阵列结构，利用该结构中长程表面等离激元(SPPs) 与局域表面等离激元(LSPs)通过纳米狭缝相互耦合作用，来增强光透射，半波长窄的等离激元波导滤波器，它具有光透射率高、体积小巧、易于集成，选频特性好的特点；
2、在制作本金属/电介质结构的等离激元波导滤波器时，可通过垂直方向延伸孔的长和宽、水平方向的两相同对称矩形孔长和宽、或其他结构参数，使制得的等离激元波导滤波器获得可选择透射峰的位置，从而改变选频范围和透射系数。
附图说明
图1为本实用新型一种等离激元波导带通滤波器的立体结构示意图。
图2为本实用新型一种等离激元波导带通滤波器的一个周期的单位孔阵列结构的二维示意图。
图3为本实用新型采用垂直方向延伸孔不同长度时的透射系数曲线图。
图4为本实用新型采用垂直方向延伸孔的不同宽度时的透射系数曲线图。
图5为本实用新型采用水平方向延伸孔不同长度时的透射系数曲线图。
图6为本实用新型采用水平方向的两相同对称矩形孔不同宽度时的透射系数曲线图。
图中标号为：1、介质层；2、金属膜；3、纳米狭缝单元；3-1、垂直方向延伸孔；3-2、水平方向延伸孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型作进一步解释说明，但不用以限制本实用新型。
一种等离激元波导带通滤波器，如图1所示，由介质层1、金属膜2和2 个以上的纳米狭缝单元3组成。
金属膜2覆设在介质层1的上表面。介质层1可以是任意一种符合等离激元波导带通滤波器工作条件的材料，在本实用新型优选实施例中，介质层 1的材质为二氧化硅。金属膜2可以是任意一种符合等离激元波导带通滤波器工作条件的材料，在本实用新型优选实施例中，金属膜2的材质为金。金属膜2的厚度可以任意一种符合等离激元波导带通滤波器工作条件的厚度，为提高波导滤波器的性能，在本实用新型优选实施例中，金属膜2的厚度具体可以为60nm。
所有纳米狭缝单元3均贯通于金属膜2的上下表面设置，且这些纳米狭缝单元3在金属膜2呈矩阵形式的规则排列。在本实用新型中，纳米狭缝单元3的个数介于25～60之间。每个纳米狭缝单元3的形状和尺寸完全一致。在本发明中，每个纳米狭缝单元3均呈工字形,即由2个水平方向延伸孔3-2 和1个垂直方向延伸孔3-1组成，垂直方向延伸孔3-1的两端分别与2个水平方向延伸孔3-2相接。2个水平方向延伸孔3-2的形状和尺寸完全相同。水平方向延伸孔3-2和垂直方向延伸孔3-1均为长条状的矩形孔，该矩形孔可以为规则的矩形，也可以为类矩形(如长条的椭圆矩形，带有倒角的矩形等)。参见图2。
本实用新型工作时：平面波从介质层1的上表面垂直向下入射、并在金属膜2下表面出射；或者平面波由金属膜2的下表面垂直向上入射、并在介质层1的上表面透射光出射。当平面波光束垂直入射于金属膜2其中一个表面时，水平方向延伸孔3-2阵列产生的长程表面等离激元(SPPs)与垂直方向延伸孔3-1阵列产生的局域表面等离激元(LSPs)通过纳米狭隙相互耦合，形成一个强大的电磁场，这样大大增强了光的透射，同时具有很好的频谱特性。
在本实用新型优选实施例中，每个周期的单位孔阵列结构的长和宽相等且均为P，其纳米狭缝单元3为纳米级的狭缝。垂直方向延伸孔3-1的长a 介于240nm～420nm之间，宽b介于30nm～60nm之间。2个相同且对称的水平方向延伸孔3-2的长c介于120nm～300nm之间，宽d介于10nm～50nm之间。
通过改变垂直方向延伸孔3-1的长和宽、水平方向延伸孔3-2的长和宽、电介质层1材料、金属的材料等来调节透射峰的位置与大小，从而得到一种在理想波段、具有高透射率、可选频的等离激元滤波器。下面结合具体应用实施例，对等离激元波导滤波器的使用效果得出如下结果：
图3为本实用新型采用垂直方向延伸孔3-1不同长度时的透射系数曲线图。图中的横坐标为入射光波长，单位为nm；图中的纵坐标为透射系数，也称之为透射效率。在图中用四种不同的曲线分别表示垂直方向延伸孔3-1采用不同长度时的透射光谱图，其垂直方向延伸孔3-1的长度a依次为240、 300、360、420nm。从图4中的结果可见，随着垂直方向延伸孔3-1的长度a 的增大，透射系数先增大后减小，在垂直方向延伸孔3-1的长度a为300nm 达到最大，透射峰的位置发生改变，证明其选频特性可根据实际需要进行调节。
图4为本实用新型采用垂直方向延伸孔3-1的不同宽度时的透射系数曲线图。图中的横坐标为入射光波长，单位为nm；图中的纵坐标为透射系数，也称之为透射效率。在图中用四种不同的曲线分别表示垂直方向延伸孔3-1 采用不同宽度时的透射光谱图，其垂直方向延伸孔3-1的宽度b依次为30～ 60nm。从图4中的结果可见，随着垂直方向延伸孔3-1的宽度b的以步长为 10从增加，透射峰的波长从889nm有规律地蓝移到762nm，即透射峰对应的波长减小，透射峰透射率一直增大，在垂直方向延伸孔3-1的宽度b＝60nm处达到最大。通过改变垂直方向延伸孔3-1的长度b的大小来使透射峰的位置发生改变。
图5为本实用新型采用水平方向延伸孔3-2的不同长度时的透射系数曲线图。图中的横坐标为入射光波长，其工作波长为400～1050nm；图中的纵坐标为透射系数，也称之为透射效率。在图中用四种不同的曲线分别表示水平方向延伸孔3-2采用不同长度时的透射光谱图，其水平方向延伸孔3-2的长度c依次为120～300nm。从图4中的结果可见，随着水平方向延伸孔3-2 的长度c以60从增加，透射峰的波长有规律地红移，即透射峰对应的波长增大，透射峰透射率一直减小，在水平方向延伸孔3-2的长度c＝120nm处达到最大。
图6为本实用新型采用水平方向延伸孔3-2的不同宽度时的透射系数曲线图。图中的横坐标为入射光波长，单位为nm，图中的纵坐标为透射系数，也称之为透射效率。在图中用四种不同的曲线分别表示水平方向延伸孔3-2 采用不同宽度时的透射光谱图，其水平方向延伸孔3-2的宽度d依次为10、 30、50nm。从图5中的结果可见，随着水平方向延伸孔3-2的宽度d的增大，透射系数逐渐减小，在水平方向延伸孔3-2的宽度d为10nm达到最大，透射峰的位置发生有规律的红移，因此可以改变水平方向延伸孔3-2的宽度b的大小，来调节带通滤波器的位置和大小，从而实现选频特性。
以上仅为说明本实用新型的实施方式，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种等离激元波导带通滤波器，其特征在于：由介质层(1)、金属膜(2)和2个以上的纳米狭缝单元(3)组成；金属膜(2)覆设在介质层(1)的表面；每个纳米狭缝单元(3)均呈工字形,并由2个水平方向延伸孔(3-2)和1个垂直方向延伸孔(3-1)组成，垂直方向延伸孔(3-1)的两端分别与水平方向延伸孔(3-2)相接；2个水平方向延伸孔(3-2)完全相同；所有纳米狭缝单元(3)均贯通地开设在金属膜(2)上，并在金属膜(2)上呈矩阵形式规则排列。
2.根据权利要求1所述的一种等离激元波导带通滤波器，其特征在于：水平方向延伸孔(3-2)和垂直方向延伸孔(3-1)均为长条形的矩形孔。
3.根据权利要求1或2所述的一种等离激元波导带通滤波器，其特征在于：水平方向延伸孔(3-2)的长度介于120nm～300nm之间，宽度介于10nm～50nm之间。
4.根据权利要求1或2所述的一种等离激元波导带通滤波器，其特征在于：垂直方向延伸孔(3-1)的长度介于240nm～420nm之间，宽度介于30nm～60nm之间。
5.根据权利要求1所述的一种等离激元波导带通滤波器，其特征在于：每个纳米狭缝单元(3)完全一致。
6.根据权利要求1或5所述的一种等离激元波导带通滤波器，其特征在于：纳米狭缝单元(3)的个数介于25～60之间。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN108680974A (zh) * | 2018-03-30 | 2018-10-19 | 桂林电子科技大学 | 一种表面等离激元波导可调谐光滤波器 |
| CN111308588A (zh) * | 2020-03-23 | 2020-06-19 | 中北大学 | 一种基于表面等离激元多频带完美吸收器 |
| CN112558209A (zh) * | 2020-12-17 | 2021-03-26 | 桂林电子科技大学 | 一种基于h型阵列的全介质超表面颜色滤波器 |
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