專利名稱：一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面等離子、集成光子器件及金屬波導(dǎo)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
表面等離子體由于可以克服傳統(tǒng)的衍射極限并且可以在亞波長尺寸下實(shí)現(xiàn)對光束的操控，因而在高集成光子器件和回路中有良好的應(yīng)用前景。濾波器作為一種重要的器件在各種光學(xué)系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)有的表面等離子濾波器大體上可以分為兩類 基于周期性結(jié)構(gòu)的濾波器和基于單個選頻結(jié)構(gòu)的濾波器。由于基于周期性結(jié)構(gòu)的濾波器需要多個周期，當(dāng)周期數(shù)目N大于9時(shí)這種周期性結(jié)構(gòu)的尺寸就會超出了亞波長的范圍，從而不利于光子器件和回路的小型化和集成化。同時(shí)，基于周期性結(jié)構(gòu)的濾波器存在較大的傳輸損耗不利于信號的長距離傳輸?；趩蝹€選頻結(jié)構(gòu)的表面等離子濾波器在傳輸損耗和集成化方面存在優(yōu)勢，因此近年來獲得了廣泛的研究。目前，基于單個選頻結(jié)構(gòu)的表面等離子濾波器都是基于不同形狀的共振腔結(jié)構(gòu)，如鋸齒形、圓環(huán)形、圓盤形和矩形。雖然現(xiàn)有的基于單個選頻結(jié)構(gòu)的表面等離子濾波器在某些方面具有優(yōu)勢，但這兩類濾波器都不能靈活的對濾波器的自由光譜范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明給出了在矩形腔長度不變的情況下改變凹槽在矩形腔中的位置，可以靈活的改變?yōu)V波器峰值波長之間的距離的變化從而實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍的靈活可調(diào)；在凹槽位于矩形腔的某些特殊位置的情況下，通過改變凹槽的幾何參數(shù)如深度或?qū)挾葧x擇性的改變其中一個峰值波長的位置，而另一個峰值波長的位置則基本不變，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)，為亞波長尺寸下的波長選擇提供了更大的自由度。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上陳述的已有方案的不足，本發(fā)明旨在提供一種自由光譜范圍靈活可調(diào)的表面等離子濾波器，目的在于在矩形腔長度不變的情況下能夠靈活實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的自由光譜范圍可調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，濾波器由以下結(jié)構(gòu)組成一段基于金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)的輸入波導(dǎo)101和輸出波導(dǎo)104，一個中間帶有凹槽103的矩形腔102 ;濾波器自由光譜范圍可調(diào)的產(chǎn)生方法為在矩形腔102長度L不變的情況下改變凹槽103在矩形腔102中的位置，以實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍的靈活可調(diào)；在凹槽 103位于某些特定位置的情況下采用改變凹槽103的幾何參數(shù)選擇性改變其中一個峰值波長的位置，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)。采用本發(fā)明的方法，在矩形腔102長度不變的情況下改變凹槽103在矩形腔中的位置，使得矩形腔中對應(yīng)于一階共振模和二階共振模的峰值波長分別發(fā)生紅移或藍(lán)移，而且兩個峰值波長移動的方向和大小取決于凹槽在矩形腔中的位置，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)；在凹槽103位于矩形腔的某些特殊位置時(shí)，通過改變凹槽103的幾何參數(shù)如深度或?qū)挾葧x擇性的改變其中一個峰值波長的位置，而另一個峰值波長的位置則基本不變，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)。本發(fā)明的有益效果在于在矩形腔102長度不變的情況下，通過改變凹槽103的幾何參數(shù)或其在矩形腔中的位置可以靈活的實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的大范圍調(diào)諧。


如下圖I為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍可調(diào)諧的表面等離子濾波器的結(jié)構(gòu)原理示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍可調(diào)諧的表面等離子濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖。圖3為本發(fā)明在有無凹槽103存在時(shí)的濾波器傳輸譜線圖。圖4為凹槽103在不同偏移位置s下的濾波器傳輸譜線圖。圖5為濾波器的峰值波長隨凹槽偏移位置s變化曲線圖。圖6為凹槽103位于矩形腔102中心時(shí)增加凹槽深度濾波器的傳輸譜線圖。圖7為凹槽103位于矩形腔102中心時(shí)進(jìn)一步增加凹槽深度濾波器的傳輸譜線圖。圖8為凹槽103偏移矩形腔102中心L/4處，增加凹槽深度濾波器的傳輸譜線圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。圖I是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍可調(diào)諧的帶通表面等離子濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖， 濾波器采用基于金屬-絕緣體-金屬的三層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)101、102、103、104中是絕緣體， 這里選擇為空氣，其介電常數(shù)為I。結(jié)構(gòu)105中是金屬薄膜，我們選用目前常用的材料銀，其頻率相關(guān)的介電常數(shù)選為常用的Drude模型
_9] sm(W) = ε^-ω2Ρ/[ω(ω + ιγ)]。其中，ε 是帶間躍遷對的介電常數(shù)，ωρ是等離子共振頻率，y是電子碰撞頻率。 模型中參數(shù)選擇目前實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)分別為3. 7,9. IeV和O. OlSeV0圖2為濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖，輸入波導(dǎo)101和輸出波導(dǎo)104的寬度w為50nm ； 矩形共振腔102的長度L和寬度w分布為500nm和50nm ;凹槽103的高度H和寬度T分別為IOOnm和50nm ;輸入/輸出波導(dǎo)101與共振腔102之間的耦合距離d為15nm ;凹槽103 偏移矩形腔中心的距離為S。如圖I所示，當(dāng)一束TM偏振的平面光沿X軸方向進(jìn)入輸入波導(dǎo)時(shí)會在金屬與絕緣體的表面會激發(fā)出SPP波，沿著介質(zhì)接觸面?zhèn)鞑ゲⅠ詈线M(jìn)入矩形共振腔內(nèi)。滿足共振腔共振條件的SPP波會在共振腔內(nèi)來回振蕩，一部分共振波在來回振蕩的過程中從輸出波導(dǎo)耦合出來。當(dāng)圖I中凹槽103不存在時(shí)濾波器的傳輸譜如圖3中實(shí)線所示，可以看出傳輸譜中有兩個峰值波長1507nm和768nm，分別對應(yīng)矩形腔的一階和二階共振模。
這兩個共振模在矩形腔內(nèi)的磁場強(qiáng)度分布可以用如下公式表示~rr, 、 2//n cosfy^.jc — / 2)
H1(XJ) =-(I)
C
、 2//。COS(/ ，*X _ ·7Γ) _H2 O, t)=-參 exp(-jw2t)。⑵
從公式⑴和⑵可以我們可以計(jì)算出IZZ1 (0,01 = 0,|//2 (0,01 = max(|//2 (x, 01)；\HX(125J)\ f 0,^(125,01 = O.(3)我們對共振模磁場分布的波節(jié)點(diǎn)和波腹點(diǎn)重點(diǎn)關(guān)注，從公式(3)我們可以看出在矩形腔102中心位置，一階共振模磁場強(qiáng)度為O而二階共振模磁場強(qiáng)度達(dá)到最大；在偏移矩形腔中心L/4時(shí)，二階共振模磁場強(qiáng)度為達(dá)到最小值O。當(dāng)在矩形腔102的中心引入凹槽103后濾波器的傳輸譜為圖3中虛線所示。我們可以看到相比沒有凹槽103時(shí)濾波器的峰值波長發(fā)生了改變對應(yīng)一階共振模的峰值波長發(fā)生了藍(lán)移而對應(yīng)二階共振模的峰值波長發(fā)生了紅移。圖4顯示了在凹槽103引入后隨著凹槽偏移位置的改變?yōu)V波器傳輸譜的變化，從圖中我們很直觀的看出兩個峰值波長的位置隨著凹槽位置s的改變左右移動，自由光譜范圍隨之改變。圖5顯示了濾波器峰值波長隨凹槽103偏移位置s的變化規(guī)律，我們可以在不改變矩形腔102長度的情況下改變凹槽在矩形腔中的位置來獲得所需要的自由光譜范圍。不過此時(shí)濾波器的自由光譜范圍僅可以在641nm-803nm的范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。為了進(jìn)一步增加濾波器自由光譜的調(diào)節(jié)范圍，我們可以通過改變凹槽的幾何參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。首先，我們把凹槽103放到矩形腔102的中心位置上，增加凹槽103的深度從IOOnm 到260nm，增加步長為40nm，傳輸譜的變化如圖6所示。從圖中我們發(fā)現(xiàn)，隨著凹槽103深度的增加對應(yīng)二階共振模的峰值波長發(fā)生線性紅移而對應(yīng)一階共振模的峰值波長基本不變，因此濾波器自由光譜范圍持續(xù)減小。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加凹槽103的深度從250nm 到550nm傳輸譜的變化如圖7所示，二階共振模的峰值波長持續(xù)紅移而一階共振模的峰值波長仍保持不變，直到凹槽深度增加到550nm時(shí)兩個峰值波長在一階共振模峰值波長的位置發(fā)生重合，此時(shí)濾波器的自由光譜范圍減小為O。然后，我們將凹槽103放到偏移矩形腔 102中心L/4的位置上依次增加凹槽的深度，傳輸譜的變化如圖8所示。從圖中我們可以看出，隨著凹槽103深度的增加對應(yīng)一階共振模的峰值波長發(fā)生線性紅移而對應(yīng)二階共振模的峰值波長基本不變，因此濾波器自由光譜范圍持續(xù)增加，最大自由光譜范圍可達(dá)880nm。 因此通過在特殊的位置上改變凹槽103的深度可以實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍在0-880nm大范圍可調(diào)。
權(quán)利要求
1.一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，濾波器由以下結(jié)構(gòu)組成一段基于金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)的輸入波導(dǎo)(101)和輸出波導(dǎo)(104)，一個中間帶有凹槽(103)的矩形腔(102);濾波器自由光譜范圍可調(diào)的產(chǎn)生方法為在矩形腔(102) 長度L不變的情況下改變凹槽(103)在矩形腔(102)中的位置，以實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍的靈活可調(diào)；在凹槽(103)位于某些特定位置的情況下采用改變凹槽(103)的幾何參數(shù)選擇性改變其中一個峰值波長的位置，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，其特征在于在矩形腔(102)長度L不變的情況下改變凹槽(103)在矩形腔中的位置，使得矩形腔中對應(yīng)于一階共振模和二階共振模的峰值波長分別發(fā)生紅移或藍(lán)移，而且兩個峰值波長移動的方向和大小取決于凹槽在矩形腔中的位置，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述之一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，其特征在于在凹槽(103)位于矩形腔(102)的某些特殊位置的情況下，通過改變凹槽(103)的深度選擇性的改變其中一個峰值波長的位置，而另一個峰值波長的位置則基本不變，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述之一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，其特征在于在凹槽(103)位于矩形腔(102)的特殊位置的情況下，通過進(jìn)一步增加凹槽(103)的長度選擇性的改變其中一個峰值波長的位置，而另一個峰值波長的位置則基本不變，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的大范圍可調(diào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述之一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，其特征在于所述特殊位置包括，所述凹槽(103)位于矩形腔(102)中心處或偏移矩形腔(102)中心L/4處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等長矩形腔表面等離子帶通濾波器調(diào)節(jié)自由光譜范圍的方法，在矩形腔(102)長度不變的情況下改變凹槽(103)在矩形腔(102)中的位置，以實(shí)現(xiàn)自由光譜范圍的靈活可調(diào)；在凹槽(103)位于某些特定位置的情況下采用改變凹槽(103)的幾何參數(shù)選擇性改變其中一個峰值波長的位置，從而實(shí)現(xiàn)濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)。本發(fā)明在保證了實(shí)現(xiàn)表面等離子濾波器的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了帶通濾波器自由光譜范圍的靈活可調(diào)，增強(qiáng)了光子集成回路的靈活性。
文檔編號G02B6/122GK102608707SQ20121005370
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者張志勇, 溫坤華, 潘煒, 羅斌, 鄒喜華, 郭振, 郭迎輝, 閆連山, 陳智宇 申請人:西南交通大學(xué)