專(zhuān)利名稱(chēng)：表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光學(xué)諧振環(huán)濾波器的實(shí)現(xiàn)方案，特別涉及用表面 等離子體激元波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光學(xué)諧振環(huán)濾波器，應(yīng)用于集成光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)諧振環(huán)濾波器作為集成光學(xué)中較為復(fù)雜的一種功能器件，在光學(xué)傳感和 光通信領(lǐng)域有著眾多的應(yīng)用，是激光器、濾波器、放大器、光開(kāi)關(guān)、光延時(shí)線(xiàn)等 器件和系統(tǒng)的核心功能器件。目前集成光學(xué)范疇中的諧振環(huán)主要是由光波導(dǎo)構(gòu) 成，通過(guò)多光束干涉原理，實(shí)現(xiàn)周期性的透射光譜，進(jìn)而形成諧振環(huán)濾波器。對(duì) 于諧振環(huán)濾波器，其濾波帶寬、諧振深度、諧振頻率是最為關(guān)鍵的性能參數(shù)，為 了滿(mǎn)足不同的功能和需要，往往要求以上三個(gè)參數(shù)連續(xù)可調(diào)，其中，耦合器的耦 合比和諧振深度相關(guān)，環(huán)內(nèi)傳輸損耗和濾波帶寬相關(guān)，環(huán)內(nèi)傳輸相位和諧振頻率 相關(guān)。對(duì)于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的諧振環(huán)，可通過(guò)在環(huán)內(nèi)集成馬赫-曾德?tīng)栺詈掀髡{(diào)節(jié)耦 合比，從而控制諧振深度，利用光波導(dǎo)材料的熱光特性或電光特性，調(diào)節(jié)環(huán)內(nèi)傳 輸相位，從而控制諧振頻率的峰值位置。而對(duì)于光波導(dǎo)器件而言， 一旦器件制作 完畢后，其結(jié)構(gòu)參數(shù)就固定了，環(huán)內(nèi)的損耗之也隨之固定，相應(yīng)的諧振帶寬也就 固定了 ，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，而利用無(wú)源光波導(dǎo)諧振環(huán)結(jié)構(gòu)制備同時(shí)對(duì)濾波帶寬、 諧振深度、諧振頻率進(jìn)行精確控制的濾波器，是難以實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)諧振帶寬 可調(diào)諧，人們提出利用摻鉺光波導(dǎo)制備有源光波導(dǎo)諧振環(huán)，利用泵浦光對(duì)信號(hào)光 進(jìn)行放大，減小環(huán)內(nèi)損耗，從而降低諧振帶寬，增大諧振環(huán)的清晰度。然而這種 有源結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)諧振環(huán)濾波器，需要同時(shí)引入泵浦光和信號(hào)光，增大了信號(hào)之 間的串?dāng)_，降低了器件的穩(wěn)定性，并且只能對(duì)1550nm波段附近的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制， 也無(wú)法增加環(huán)內(nèi)損耗，實(shí)現(xiàn)增大諧振帶寬的功能。近年來(lái)，隨著納米光電子技術(shù)的不斷進(jìn)步， 一種全新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)——表面等 離子體激元(Surface PlasmonPolaritons—SPPs)波導(dǎo)成為集成光學(xué)領(lǐng)域的新興研究方向。表面等離子體激元是光波與可遷移的表面電荷(如金屬中的自由電子) 之間相互作用產(chǎn)生的電磁模，可在特定結(jié)構(gòu)的金屬和電介質(zhì)材料組成的波導(dǎo)中實(shí) 現(xiàn)傳播。通過(guò)對(duì)金屬波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以使SPPs信號(hào)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程傳輸。SPPs 波導(dǎo)具有眾多光波導(dǎo)所不具備的特性，如可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)小于光波導(dǎo)級(jí)別的納米尺度的信號(hào)傳輸；利用金屬形成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不僅能夠傳播光信號(hào)，還可以傳播電信 號(hào)，使實(shí)現(xiàn)光電混合系統(tǒng)成為可能性；由于SPPs模式特性受介質(zhì)材料的折射率 影響，可以利用介質(zhì)材料的電光、熱光特性靈活的控制SPPs模式的傳輸特性， 實(shí)現(xiàn)高效的可調(diào)諧SPPs波導(dǎo)器件，這也是SPPs波導(dǎo)器件相對(duì)于光波導(dǎo)器件的主 要優(yōu)勢(shì)之一。基于SPPs波導(dǎo)的各種新型功能器件，如SPPs方向耦合器、SPPs 波導(dǎo)調(diào)制器、SPPs波導(dǎo)馬赫一曾德?tīng)栺詈掀?、SPPs波導(dǎo)衰減器均有相關(guān)的實(shí)驗(yàn) 報(bào)道，可應(yīng)用于光通信、光學(xué)傳感等眾多領(lǐng)域。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的是提出一種表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán) 濾波器，利用SPPs特有的傳輸特性，通過(guò)多種調(diào)節(jié)手段，實(shí)現(xiàn)同時(shí)可對(duì)諧振深 度、諧振頻率、濾波帶寬三個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確控制的全新的光學(xué)環(huán)形濾波器。技術(shù)方案本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的該濾波器包括表面等離子體 激元波導(dǎo)、表面等離子體激元可調(diào)諧方向耦合器、表面等離子體激元可調(diào)諧諧振 環(huán)、環(huán)形加熱器；諧振環(huán)與在其環(huán)外側(cè)的直波導(dǎo)構(gòu)成耦合器，耦合器和諧振環(huán)由 表面等離子體激元波導(dǎo)制作，環(huán)形加熱器覆蓋在諧振環(huán)上，直線(xiàn)金屬線(xiàn)空隙對(duì)稱(chēng) 分布在表面等離子體激元波導(dǎo)上，弧形金屬線(xiàn)空隙對(duì)稱(chēng)分布在諧振環(huán)上，第一電 極引腳制作在表面等離子體激元波導(dǎo)上，第二電極引腳制作在諧振環(huán)上，第三電 極引腳、第四電極引腳制作在環(huán)形加熱器上。表面等離子體激元波導(dǎo)的芯層為金屬納米線(xiàn)，厚度在10到20納米之間，寬 度為1至8微米之間，其上包層、下包層為具有高熱光系數(shù)的有機(jī)聚合物介質(zhì)材 料，上、下包層厚度相等，均為15微米。表面等離子體激元可調(diào)諧方向耦合器，在金屬納米線(xiàn)芯層中制作電極引腳和 金屬線(xiàn)空隙，形成電信號(hào)傳輸回路。表面等離子體激元可調(diào)諧諧振環(huán)，在諧振環(huán)的金屬納米線(xiàn)芯層中制作電極引 腳和金屬線(xiàn)空隙，形成電信號(hào)傳輸回路。覆蓋于諧振環(huán)上的環(huán)形加熱器，環(huán)形加熱器為在諧振環(huán)波導(dǎo)的上包層、下包 層外側(cè)的制作的上金屬條載層、下金屬條載層，其結(jié)構(gòu)為開(kāi)口金屬環(huán)，上包層的 第三電極引腳和下包層的第四電極引腳不在同一平面內(nèi)。從結(jié)構(gòu)上而言，傳統(tǒng)的集成光波導(dǎo)諧振環(huán)濾波器，其核心部分由無(wú)源或有源 的光波導(dǎo)組成的諧振環(huán)路，環(huán)內(nèi)傳輸光波信號(hào)，通過(guò)多光束干涉原理，形成具有 周期性濾波特性的環(huán)形濾波器。環(huán)形濾波器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)——諧振深度、諧振 頻率、濾波帶寬。同樣的，表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其傳輸 波導(dǎo)由金屬納米線(xiàn)和有機(jī)聚合物介質(zhì)材料混合組成，傳輸信號(hào)為由光信號(hào)和金屬 表面電子氣形成混合模式——SPPs波，也可以利用和光波導(dǎo)諧振環(huán)濾波器相同 的多波束干涉原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)光波信號(hào)具有周期性濾波特性的環(huán)形濾波器。本發(fā)明的SPPs環(huán)形濾波器的可調(diào)諧功能,主要是基于長(zhǎng)程傳輸?shù)腟PPs模式 的特性實(shí)現(xiàn)的。SPPs波導(dǎo)由具有負(fù)介電常數(shù)的金屬納米線(xiàn)作為芯層，由具有正 介電常數(shù)的介質(zhì)材料作為包層，金屬材料在光通信波段具有負(fù)介電常數(shù)，虛部表 示損耗特性，會(huì)引起電磁波功率的耗散，因此，光信號(hào)沿著金屬層傳輸方向傳播 時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，為了克服金屬表面的損耗，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)腟PPs模式 信號(hào)，需要對(duì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。1、金屬芯層厚度減小為10納米至15 納米之間，金屬芯層的寬度遠(yuǎn)大于厚度， 一般為微米數(shù)量級(jí)。上下包層介電常數(shù) 相同，厚度也相同， 一般為15微米左右。利用該嚴(yán)格對(duì)稱(chēng)的三明治結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的 SPPs波導(dǎo)，可以使金屬上下表面的二維傳輸模式信號(hào)產(chǎn)生有效的耦合，從而實(shí) 現(xiàn)長(zhǎng)距離傳輸?shù)腟PPs模式，該模式的光強(qiáng)主要集中在金屬和介質(zhì)的交界面?zhèn)鬏敚?進(jìn)入金屬內(nèi)部的能量比例很小，所以由金屬引起的傳輸損耗也很小。形成的SPPs 模式信號(hào)與單模光纖、光波導(dǎo)的場(chǎng)分布相似，因此又具有低插入損耗的特性，可 以實(shí)現(xiàn)和光纖、光波導(dǎo)器件的有效集成。由于SPPs波導(dǎo)的芯層為金屬良導(dǎo)體材料，同時(shí)可以傳播光信號(hào)和電信號(hào)， 因此，通過(guò)在金屬層中引入特殊的結(jié)構(gòu)，從而形成電信號(hào)回路，即可靈活的利用 電信號(hào)控制光信號(hào)的傳輸特性。以SPPs方向耦合器為例通過(guò)引入金屬缺陷， 使金屬芯層和電極引腳形成電信號(hào)回路，在電極引腳上加一定功率的電信號(hào)，形 成微型加熱器，利用有機(jī)聚合物材料的熱光特性，改變包層的折射率，從而改變 SPPs模式的有效折射率。對(duì)于方向耦合器而言，相鄰兩波導(dǎo)之間的折射率不對(duì) 稱(chēng)，將引起模式失配，降低耦合效率，使耦合比K減小。因此，可利用電信號(hào)的功率靈活的控制方向耦合器的耦合比。對(duì)于諧振環(huán)波導(dǎo)也利用相同的原理，在芯 層中加入電信號(hào)，改變諧振環(huán)波導(dǎo)的有效折射率，從而實(shí)現(xiàn)諧振環(huán)傳輸相位的可 調(diào)諧。同時(shí)，SPPs波導(dǎo)還具有傳輸損耗可調(diào)諧的功能，可以實(shí)現(xiàn)傳輸損耗時(shí)時(shí)增 大或減小，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的光波導(dǎo)所不具備的新穎特點(diǎn)。SPPs波導(dǎo)的傳輸損耗和能量限制因子c/直接相關(guān)<formula>formula see original document page 6</formula>(1)式l中，4是金屬芯層所包含的區(qū)域，Ao是波導(dǎo)截面的總面積，^是能流 密度。而能流密度和包層的介電常數(shù)有關(guān)，包層介電常數(shù)降低，能流密度也隨之減小，表現(xiàn)為c/減小。信號(hào)傳輸能量在金屬芯層內(nèi)部的比例降低，由金屬引起的能量吸收損耗也就隨之減小。因此，對(duì)有機(jī)聚合物材料上下包層同時(shí)加熱，降 低其介電常數(shù)，同時(shí)保證SPPs模式的對(duì)稱(chēng)特性，即可降低其傳輸損耗。而當(dāng)僅對(duì)上包層加熱時(shí)，由于上下包層產(chǎn)生折射率差，SPPs模式不再是完 全對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生輻射模式，將引起能量輻射，從而增加SPPs波導(dǎo)的傳輸損耗。加 熱器的功率越大，傳輸損耗越大。因此，通過(guò)在SPPs波導(dǎo)的上下包層增加微型 加熱器，即可靈活的控制諧振環(huán)的傳輸損耗。本發(fā)明的SPPs可調(diào)諧環(huán)形濾波器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)——諧振深度、諧振頻率、濾波帶寬的調(diào)諧方法分別如下1、諧振深度的調(diào)諧方法。SPPs環(huán)形濾波器的相對(duì)輸出光強(qiáng)滿(mǎn)足式2中，y， J是有關(guān)環(huán)內(nèi)的損耗系數(shù)，/ 是波導(dǎo)的相位傳播常數(shù)，￡是諧振環(huán)的周長(zhǎng)?！妒欠较蝰詈掀?2)的耦合比。諧振深度(最小輸出光強(qiáng))和耦 合比AT滿(mǎn)足對(duì)應(yīng)關(guān)系，且當(dāng)滿(mǎn)足<formula>formula see original document page 6</formula> (3)濾波器的諧振深度最大，《,為最佳耦合比，a是波導(dǎo)傳輸損耗。因此，利用電信號(hào)調(diào)諧SPPs方向耦合器(2)的耦合比《，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)濾 波器諧振深度的連續(xù)調(diào)諧。2、 諧振頻率的調(diào)諧方法。SPPs環(huán)形濾波器的諧振頻率滿(mǎn)足<formula>formula see original document page 7</formula>式4中，c是真空中的光速，"^是SPPs模式的有效折射率。當(dāng)在金屬芯層加電信號(hào)時(shí)，由于聚合物材料具有熱光效應(yīng)，SPPs模式的有 效折射率發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)諧振頻率的可調(diào)諧。3、 濾波帶寬的調(diào)諧方法。SPPs環(huán)形濾波器的濾波帶寬滿(mǎn)足<formula>formula see original document page 7</formula>由式5可知，濾波帶寬和環(huán)內(nèi)傳輸損耗"成正比關(guān)系，傳輸損耗越低，濾波帶寬越窄，傳輸損耗越高，濾波帶寬越寬。因此，通過(guò)一定功率的電信號(hào)對(duì)諧振環(huán)波導(dǎo)加熱的環(huán)形加熱器加以控制，即可調(diào)諧濾波器的濾波帶寬。本發(fā)明的表面等離子體激元可調(diào)諧環(huán)形濾波器的制備方法如下:采用旋轉(zhuǎn)涂敷法在硅片襯底上制備厚度15微米的聚合物介質(zhì)薄膜作為上、下包層，金屬薄 膜生長(zhǎng)采用熱蒸發(fā)或磁控濺射方法，厚度控制在10到20納米之間。采用光刻剝 離技術(shù)對(duì)金屬薄膜進(jìn)行精細(xì)加工，制備具有特定結(jié)構(gòu)的金屬納米線(xiàn)形成SPPs波 導(dǎo)(1)、 SPPs方向耦合器(2)、 SPPs諧振環(huán)(3)，制成表面等離子體激元可調(diào) 諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器。調(diào)制電極的制備方法為利用光刻剝離的方法，先制備出下 包層金屬條載層，首先蒸鍍20nm的鉻金屬，再蒸鍍200nm厚的金層。當(dāng)上包層 旋涂之后，利用同樣的方法，先蒸鍍20nm的鉻金屬，再蒸鍍200nm厚的金層， 形成上包層金屬條載層。在制備電極的過(guò)程中，需要多次對(duì)準(zhǔn)工藝，確保金屬納 米線(xiàn)芯層、上下包層金屬條載層保持平行。有益效果本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)-1、本發(fā)明所提出的SPPs波導(dǎo)可調(diào)諧環(huán)形濾波器，作為一種新型的集成光學(xué) 濾波器，具有同時(shí)對(duì)濾波器的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)——諧振深度、諧振頻率、濾波帶寬 進(jìn)行精確調(diào)諧和控制的功能，而傳統(tǒng)的集成光波導(dǎo)環(huán)形濾波器，由于其光波導(dǎo)不 具備損耗雙向可調(diào)的功能,無(wú)法利用單一器件實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)指標(biāo)同時(shí)精確控制的 功能。2、 本發(fā)明采用SPPs波導(dǎo)取代光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的周期性濾波功能。該 金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有同時(shí)傳輸光信號(hào)和電信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),并可通過(guò)電信號(hào)靈活的對(duì)光 信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。就金屬波導(dǎo)本身而言，和光波導(dǎo)器件相比，又具有制備工藝簡(jiǎn)單， 穩(wěn)定性高等優(yōu)勢(shì)。3、 由于SPPs波導(dǎo)的金屬芯層可以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)復(fù)用功能，本發(fā)明所提出的 SPPs波導(dǎo)可調(diào)諧環(huán)形濾波器，恰恰滿(mǎn)足集成光學(xué)器件和技術(shù)更為成熟的集成電 路實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的需求，不僅可以應(yīng)用于集成光學(xué)系統(tǒng)，還可以在集成光電混合系統(tǒng) 中得到廣泛的應(yīng)用。


圖1是表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是未覆蓋環(huán)形加熱器的表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是表面等離子體激元波導(dǎo)沿傳輸方向的截面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是組成SPPs諧振環(huán)的表面等離子體激元波導(dǎo)沿傳輸方向的截面結(jié)構(gòu)示 意圖。圖5是SPPs可調(diào)諧方向耦合器的細(xì)部結(jié)構(gòu)和光、電信號(hào)傳輸示意圖。 圖6為濾波器輸出信號(hào)和耦合比《的關(guān)系曲線(xiàn)。A、 B、 C三條曲線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)耦合比《<《,，《=尺,，《>《,時(shí)的濾波器透射譜線(xiàn)。圖7是不同功率的電信號(hào)對(duì)應(yīng)的諧振頻率移動(dòng)效果， 圖8是不同傳輸損耗對(duì)應(yīng)的濾波寬度曲線(xiàn)。以上的圖中有激元波導(dǎo)l、上包層12、下包層13、金屬納米線(xiàn)14、上金 屬條載層15、下金屬條載層16、直線(xiàn)金屬線(xiàn)空隙17;耦合器2、第一電極引腳 21;諧振環(huán)3、環(huán)形加熱器31、第二電極引腳32、第三電極引腳33、第四電極 引腳34、弧形金屬線(xiàn)空隙35。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。本發(fā)明所提出的SPPs波導(dǎo)可調(diào)諧環(huán)形濾波器，利用金屬SPPs波導(dǎo)作為傳輸 回路，利用多波束千涉原理，實(shí)現(xiàn)濾波器功能。在SPPs波導(dǎo)內(nèi)或上、下包層加金屬條載加熱器，通過(guò)電信號(hào)調(diào)節(jié)波導(dǎo)傳輸模式、傳輸損耗等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)諧振深 度、諧振頻率、濾波帶寬的精確調(diào)諧和控制功能。本發(fā)明提出的SPPs波導(dǎo)可調(diào)諧環(huán)形濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1、 2所示。圖1是 SPPs波導(dǎo)環(huán)形濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。濾波器由SPPs波導(dǎo)1作為傳輸信號(hào)的媒介， 由SPPs方向耦合器2和SPPs諧振環(huán)3組成。為了實(shí)現(xiàn)電信號(hào)調(diào)制的功能，在方 向耦合器和諧振環(huán)的結(jié)構(gòu)中分別引入電極引腳。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振環(huán)彎曲波導(dǎo)損耗調(diào)諧的功能，在諧振環(huán)波導(dǎo)上、下包層分別 引入金屬環(huán)形加熱器31。環(huán)形加熱器為開(kāi)口金屬環(huán)，上包層的第三電極引腳33 和下包層的第四金屬引腳34不在同一平面內(nèi)，這樣的結(jié)構(gòu)確保電信號(hào)可以從器 件上方輸入不同的加熱器，并形成高效的回路。未覆蓋環(huán)形加熱器的SPPs諧振環(huán)3結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中金屬線(xiàn)空隙35 與第二電極引腳32作用與圖5—致，將與圖5—起具體介紹。SPPs波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。為了實(shí)現(xiàn)較大的折射率可調(diào)范圍和較長(zhǎng)的傳 輸距離，選取具有低折射率、低吸收損耗、高熱光系數(shù)的氟化聚酰亞胺、紫外固 化膠或具有類(lèi)似性質(zhì)的聚合物材料作為包層材料。選取金、銀、銅、鋁等良導(dǎo)體 金屬材料作為芯層材料。襯底ll為表面經(jīng)過(guò)拋光的硅片或石英，上包層12、下 包層13厚度相等，且為15微米以上。金屬納米線(xiàn)芯層14截面為矩形，寬度為 l至8微米之間，高度為15納米。組成SPPs諧振環(huán)的彎曲波導(dǎo)上、下包層增加了環(huán)形加熱器，其截面波導(dǎo)結(jié) 構(gòu)如圖4所示。上下包層均采用熱蒸發(fā)或磁控濺射工藝蒸鍍上金屬條載層15、 下金屬條載層16，條載層寬度略大于金屬納米線(xiàn)14，高度為200納米左右。圖5是SPPs波導(dǎo)復(fù)用光電信號(hào)的傳輸信號(hào)回路示意圖。以可調(diào)諧方向耦合 器結(jié)構(gòu)為例在金屬納米線(xiàn)14內(nèi)引入金屬線(xiàn)空隙17，空隙距離為1至5微米左 右。由于SPPs模式信號(hào)可以無(wú)損耗的通過(guò)帶有微小空隙的SPPs波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所以 SPPs模式信號(hào)沿實(shí)箭頭方向傳輸。電信號(hào)由第二電極引腳21引入金屬納米線(xiàn)14， 并由金屬線(xiàn)空隙17限制其形成回路。因此，電信號(hào)的傳輸路徑由虛箭頭所示。 輸入電信號(hào)，改變金屬線(xiàn)周?chē)陌鼘咏橘|(zhì)折射率，從而改變方向耦合器的傳播常 數(shù)，即可控制耦合比，耦合比的改變量由電信號(hào)的功率決定。諧振深度的具體調(diào)諧方法是這樣實(shí)現(xiàn)的-不同諧振深度對(duì)應(yīng)的透射譜線(xiàn)如圖6所式。由公式2可知，方向耦合器2的耦合比K決定了輸出信號(hào)的諧振深度。設(shè)計(jì)耦合器初始耦合比vD凡，此時(shí)諧振 環(huán)處于過(guò)耦合狀態(tài)(overcoupled)，諧振深度較小(曲線(xiàn)C)。在方向耦合器的 第二電極引腳21加電信號(hào)，耦合比K將逐漸減小，諧振深度將逐漸變大，直到 最佳耦合狀態(tài)(critical coupling),此時(shí)耦合比f(wàn)=((曲線(xiàn)B)。繼續(xù)增大電 信號(hào)，諧振深度逐漸減小，此時(shí)對(duì)應(yīng)的是耦合不足狀態(tài)(underco叩led)，此時(shí) 耦合比AY凡(曲線(xiàn)A)。諧振頻率的具體調(diào)諧方法是這樣實(shí)現(xiàn)的濾波器的諧振頻率由公式4確定，當(dāng)諧振環(huán)初始傳輸相位確定后，將對(duì)應(yīng)一 系列諧振頻率，可通過(guò)在諧振環(huán)的金屬納米線(xiàn)芯層加電信號(hào)，改變SPPs波導(dǎo)的 有效折射率AU調(diào)諧諧振頻率，并實(shí)現(xiàn)精確控制和選擇。圖7中的曲線(xiàn)表示不同 功率電信號(hào)對(duì)應(yīng)的諧振透射譜線(xiàn)具有不同的諧振頻率。濾波帶寬的具體調(diào)諧方法是這樣實(shí)現(xiàn)的當(dāng)濾波器器件制備完畢之后，諧振環(huán)波導(dǎo)具有初始的損耗系數(shù)，對(duì)應(yīng)的諧振 帶寬由公式5表示。當(dāng)在上包層的環(huán)形加熱器輸入電信號(hào)時(shí)，加熱器對(duì)包層進(jìn)行 加熱。由于上下包層具有一定的溫度梯度差，將影響SPPs模式的對(duì)稱(chēng)性，從而 增加諧振環(huán)的傳輸損耗，損耗增幅和電信號(hào)的功率成正比，同時(shí)，可調(diào)節(jié)方向耦 合器的耦合比，將諧振深度鎖定在最佳耦合狀態(tài)。當(dāng)在上、下包層的加熱器同時(shí) 加熱時(shí)，由于包層聚合物材料具有熱光特性，包層折射率會(huì)隨之降低，并且保證SPPs模式仍具有對(duì)稱(chēng)性。選取具有高熱光特性(熱光系數(shù)大于-3.0xl(T4)、高玻璃化溫度的光學(xué)聚合物材料，通過(guò)環(huán)形加熱器，將包層折射率大幅降低，從而 降低SPPs信號(hào)傳輸能量在金屬芯層內(nèi)部的比例(由公式1確定)，減小諧振環(huán)內(nèi) 傳輸損耗，降低濾波帶寬。不同傳輸損耗下的濾波寬度如圖8所示。
權(quán)利要求
1一種表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其特征在于該濾波器包括表面等離子體激元波導(dǎo)(1)、表面等離子體激元可調(diào)諧方向耦合器(2)、表面等離子體激元可調(diào)諧諧振環(huán)(3)、環(huán)形加熱器(31)；諧振環(huán)(3)與在其環(huán)外側(cè)的直波導(dǎo)(1)構(gòu)成耦合器(2)，耦合器(2)和諧振環(huán)(3)由表面等離子體激元波導(dǎo)制作，環(huán)形加熱器(31)覆蓋在諧振環(huán)(3)上，直線(xiàn)金屬線(xiàn)空隙(17)對(duì)稱(chēng)分布在表面等離子體激元波導(dǎo)(1)上，弧形金屬線(xiàn)空隙(35)對(duì)稱(chēng)分布在諧振環(huán)(3)上，第一電極引腳(21)制作在表面等離子體激元波導(dǎo)(1)上，第二電極引腳(32)制作在諧振環(huán)(3)上，第三電極引腳(33)、第四電極引腳(34)制作在環(huán)形加熱器(31)上。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其特征 在于，表面等離子體激元波導(dǎo)(1)的芯層為金屬納米線(xiàn)(14)，厚度在10到20 納米之間，寬度為1至8微米之間，其上包層(12)、下包層(13)為具有高熱 光系數(shù)的有機(jī)聚合物介質(zhì)材料，上、下包層厚度相等，均為15微米。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其特征 在于表面等離子體激元可調(diào)諧方向耦合器(2)，在金屬納米線(xiàn)(14)中制作第一 電極引腳(21)和直線(xiàn)金屬線(xiàn)空隙(17)，形成電信號(hào)傳輸回路。
4.據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其特征 在于表面等離子體激元可調(diào)諧諧振環(huán)(3)，在諧振環(huán)的金屬納米線(xiàn)芯層(14)中 制作第二電極引腳(32)和金屬線(xiàn)空隙(35),形成電信號(hào)傳輸回路。
5.據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其特征 在于覆蓋于諧振環(huán)(3)上的環(huán)形加熱器(31)，環(huán)形加熱器(31)為在諧振環(huán)(3) 波導(dǎo)的上包層(12)、下包層(13)外側(cè)的制作的上金屬條載層(15)、下金屬條 載層(16)，其結(jié)構(gòu)為開(kāi)口金屬環(huán)，上包層的第三電極引腳(33)和下包層的第 四電極引腳(34)不在同一平面內(nèi)。
全文摘要
一種表面等離子體激元可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器，其特征在于采用表面等離子體激元(SPPs)波導(dǎo)形成光學(xué)回路，從而實(shí)現(xiàn)SPPs可調(diào)諧光學(xué)諧振環(huán)濾波器。濾波器中集成SPPs可調(diào)諧方向耦合器、SPPs可調(diào)諧諧振環(huán)，通過(guò)調(diào)諧諧振環(huán)的損耗和傳輸相位以及方向耦合器的耦合比K，實(shí)現(xiàn)諧振頻率、諧振深度、濾波帶寬可調(diào)諧的多功能濾波器。由于SPPs波導(dǎo)的金屬芯層可以實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)復(fù)用功能，本發(fā)明所提出的SPPs波導(dǎo)可調(diào)諧環(huán)形濾波器，不僅可以應(yīng)用于集成光學(xué)系統(tǒng)，還可以廣泛的應(yīng)用于集成光電混合系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G02B6/26GK101403811SQ200810155830
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月10日
發(fā)明者吳朋欽, 彤 張, 張曉陽(yáng), 陳建國(guó) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)