一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及光濾波器件，更具體地，涉及一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器。其包括金屬波導(dǎo)，在金屬波導(dǎo)中設(shè)有用于入射和反射光線進(jìn)出的通道和用于產(chǎn)生諧振波長(zhǎng)的共振腔，通道和共振腔內(nèi)填充有電介質(zhì)，通道和共振腔之間設(shè)有用于阻礙光波進(jìn)出的金屬間隙。本實(shí)用新型是在金屬波導(dǎo)上構(gòu)造出一個(gè)亞波長(zhǎng)的濾波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，只有幾百納米，易于高密度的光集成，且其高性能的窄帶濾波有助于研制應(yīng)用于光通信的光開關(guān)。而且，本實(shí)用新型濾波的波長(zhǎng)可以通過共振腔的幾何尺寸或腔內(nèi)不同折射率的電介質(zhì)來調(diào)節(jié)，也就是說通過制造不同幾何尺寸的器件或者在器件上填充不同折射率的電介質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何波長(zhǎng)的濾波，大大提高了器件的應(yīng)用范圍。
【專利說明】一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及光濾波器件，更具體地，涉及一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002]近幾年來電子集成線(回)路(IC)的尺寸按照摩爾定律所預(yù)期的速度迅速減少，其單元器件已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了數(shù)十納米量級(jí)尺度的突破。由于受到電子固有的荷電性、帶寬、熱耗和熱電串?dāng)_等物理限制，電子IC的尺寸與集成度幾乎到了其理論極限值因而難以進(jìn)一步突破。與此相反地，光子集成線路在理論上完全不受這些因素的制約，并具有電子IC無法比擬的極高的帶寬和響應(yīng)速度、高抗擾性等優(yōu)異性能。但作為基本組成元素的光波導(dǎo)，光子集成線路單元器件的大小一般在數(shù)十至數(shù)千波長(zhǎng)的尺度范圍，其橫向尺寸至今仍被限制在光波長(zhǎng)的量級(jí)而不能發(fā)揮其潛力。為了突破這一波長(zhǎng)極限，大幅度地減少光子集成線路的尺寸，研制集成度更高、功能更強(qiáng)和功耗更低的光子集成線路或平面集成光器件，研究人員相繼提出了高折射率差介質(zhì)波導(dǎo)(如SOI硅隔離體)和光子晶體等原理和技術(shù)。然而，高折射率反差形成的傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)由于在原理上仍受到光衍射極限的限制，對(duì)光波模式的束縛被限制在介質(zhì)的光波長(zhǎng)量級(jí)。雖然利用光子晶體缺陷態(tài)所形成的波導(dǎo)效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)更強(qiáng)的光束縛能力，但這種結(jié)構(gòu)需要至少數(shù)周期長(zhǎng)度的光子晶體對(duì)光場(chǎng)干涉相消才能形成禁帶限制作用，即光子晶體實(shí)質(zhì)上仍然沒能擺脫物理光學(xué)的波長(zhǎng)極限制約，致使光子晶體器件在其橫向和縱向方向無法達(dá)到亞波長(zhǎng)或納米量級(jí)。由于其并行波導(dǎo)隔離間距均須大于波長(zhǎng)以確保互不耦合串?dāng)_，集成度難以大幅提高。所以，這兩類光波導(dǎo)實(shí)質(zhì)上仍沒能擺脫物理光學(xué)的波長(zhǎng)極限制約。因此，如何設(shè)計(jì)并制作突破衍射極限的各種高集成度、高效率的光通信器件，如波長(zhǎng)選擇及其它光器件等，是實(shí)現(xiàn)納米光電和全光集成的成敗關(guān)鍵所在，也是目前迅速發(fā)展的納米光學(xué)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。
[0003]解決上述問題的主要途徑是利用表面等離子體的自身特性。表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是局域在金屬表面的一種自由電子與光子相互作用形成的混合激發(fā)態(tài)。SPPs金屬波導(dǎo)的突出特點(diǎn)之一就是具有將電磁場(chǎng)能量聚集在納米尺度范圍的能力，在金屬內(nèi)具有極短(納米級(jí))的穿透深度，打破光學(xué)器件波長(zhǎng)極限的限制，被認(rèn)為是最有希望的納米集成光學(xué)器件的載體，且表面等離子體激元既具有電子學(xué)的尺度又具有光子學(xué)的速度，在納米集成光學(xué)與器件方面有著極大的應(yīng)用潛力，金屬結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)器件也由此在納米光子器件占有顯著位置。SPPs研究已在納米金屬小孔陣列結(jié)構(gòu)透射增強(qiáng)、納米光學(xué)成像、納米光刻和高靈敏生化傳感等其它領(lǐng)域獲得了激動(dòng)人心的結(jié)果，但在光波傳輸、光信息處理尤其是具有可控功能的納米光電子器件等方面的進(jìn)展十分有限，遠(yuǎn)不能滿足研制和開發(fā)高功能納米集成光電子器件的應(yīng)用要求?？梢?，開展有關(guān)表面等離子體激元的納米(類)金屬-介質(zhì)-(類)金屬集成光波導(dǎo)器件研究，特別是納米高效波長(zhǎng)選擇，無論是對(duì)于深入認(rèn)識(shí)納米(類)金屬-介質(zhì)微結(jié)構(gòu)的表面等離子體激元激發(fā)及其與光子相互作用的規(guī)律、促進(jìn)納米波導(dǎo)光學(xué)理論和納米光子學(xué)學(xué)科的發(fā)展，對(duì)于突破目前國際上已有的SPPs元器件被動(dòng)不可調(diào)的制約、研制納米新型光濾波器等光通信關(guān)鍵功能器件，對(duì)于推動(dòng)納米固定和可調(diào)濾波器、波長(zhǎng)路由開關(guān)等其它波長(zhǎng)調(diào)制的納米SPPs光電器件的發(fā)展，還是對(duì)于設(shè)計(jì)新型納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、研制下一代納米平面集成光電子器件，均有促進(jìn)作用。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型為克服上述現(xiàn)有技術(shù)所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種尺寸小、易于高密度光集成的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0006]一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，包括金屬波導(dǎo)，在金屬波導(dǎo)中設(shè)有用于入射和反射光線進(jìn)出的通道和用于產(chǎn)生諧振波長(zhǎng)的共振腔，通道和共振腔內(nèi)填充有電介質(zhì)，通道和共振腔之間設(shè)有用于阻礙光波進(jìn)出的金屬間隙。
[0007]外部的寬帶入射光波通過耦合器耦合進(jìn)入本實(shí)用新型的通道，并在通道中的電介質(zhì)與金屬波導(dǎo)中的金屬交界面形成表面等離子波，等離子波沿著通道傳輸，部分光波透過金屬間隙進(jìn)入共振腔。在共振腔中，由于金屬波導(dǎo)中金屬的高反射作用，光波在腔內(nèi)來回反射，符合共振波長(zhǎng)的光波在腔內(nèi)形成駐波，而其余波長(zhǎng)的光波透過金屬間隙，重新回到通道，并通過另一個(gè)耦合器將光波耦合出去，最終實(shí)現(xiàn)了窄帶濾波功能。
[0008]在一種優(yōu)選方案中，所述電介質(zhì)為空氣。米用空氣作為電介質(zhì)，獲取方法簡(jiǎn)單方便，制作成本低。
[0009]在另一種優(yōu)選方案中，所述金屬波導(dǎo)為銀薄膜。
[0010]在另一種優(yōu)選方案中，所述共振腔為矩形腔。
[0011]在另一種優(yōu)選方案中，通道的波導(dǎo)寬度為30nm至70nm。
[0012]在進(jìn)一步的方案中，通道的波導(dǎo)寬度為50nm。
[0013]在另一種優(yōu)選方案中，金屬間隙為銀結(jié)構(gòu)。
[0014]在進(jìn)一步的方案中，金屬間隙的寬度為10nm-50nm。
[0015]在更進(jìn)一步的方案中，金屬間隙的寬度為20nm。
[0016]在另一種優(yōu)選方案中，共振腔的長(zhǎng)度為360nm-500nm,寬度為40nm_100nm。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型技術(shù)方案的有益效果是:
[0018]本實(shí)用新型是在金屬波導(dǎo)上構(gòu)造出一個(gè)亞波長(zhǎng)的濾波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，只有幾百納米，易于高密度的光集成，且其高性能的窄帶濾波有助于研制應(yīng)用于光通信的光開關(guān)。而且，本實(shí)用新型濾波的波長(zhǎng)可以通過共振腔的幾何尺寸或腔內(nèi)不同折射率的電介質(zhì)來調(diào)節(jié)，也就是說通過制造不同幾何尺寸的器件或者在器件上填充不同折射率的電介質(zhì)就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任何波長(zhǎng)的濾波，大大提高了器件的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本實(shí)用新型一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器具體實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)圖。
[0020]圖2為本實(shí)用新型一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器具體實(shí)施例的俯視示意圖。
[0021]圖3為本實(shí)用新型一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器具體實(shí)施例中一種實(shí)例的反射譜圖。
【具體實(shí)施方式】[0022]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制；
[0023]為了更好說明本實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；
[0024]對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0025]在本實(shí)用新型的描述中，需要理解的是術(shù)語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或隱含所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隱含地包括一個(gè)或者更多個(gè)該特征。在本實(shí)用新型的描述中，除非另有說明，“多個(gè)”的含義是兩個(gè)或兩個(gè)以上。
[0026]在本實(shí)用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以是通過中間媒介間接連接，可以說兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實(shí)用新型的具體含義。
[0027]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。
[0028]實(shí)施例1
[0029]如圖1和2所示，為本實(shí)用新型一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。參見如圖1，本具體實(shí)施例的一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，包括金屬波導(dǎo)1，在金屬波導(dǎo)I中設(shè)有用于入射和反射光線進(jìn)出的通道2和用于產(chǎn)生諧振波長(zhǎng)的共振腔3，通道2和共振腔3內(nèi)填充有電介質(zhì)，通道2和共振腔3之間設(shè)有用于阻礙光波進(jìn)出的金屬間隙4。
[0030]外部的寬帶入射光波通過耦合器耦合進(jìn)入本具體實(shí)施例的通道2，并在通道2中的電介質(zhì)與金屬波導(dǎo)I中的金屬交界面形成表面等離子波，等離子波沿著通道2傳輸，部分光波透過金屬間隙4進(jìn)入共振腔3。在共振腔3中，由于金屬波導(dǎo)I中金屬的高反射作用，光波在腔內(nèi)來回反射，符合共振波長(zhǎng)的光波在腔內(nèi)形成駐波，而其余波長(zhǎng)的光波透過金屬間隙4，重新回到通道2，并通過另一個(gè)耦合器將光波耦合出去，最終實(shí)現(xiàn)了窄帶濾波功能。
[0031]在具體實(shí)施過程中，所述金屬波導(dǎo)I可以采用銀薄膜實(shí)現(xiàn)。此外，金屬波導(dǎo)I也可以采用其他金屬介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，在此不一一列舉。
[0032]在具體實(shí)施過程中，電介質(zhì)可以直接采用空氣?？諝饽茏詣?dòng)填進(jìn)去，方便獲取方法簡(jiǎn)單方便，制作成本低。此外，電介質(zhì)也可以為其他就絕緣介質(zhì)，而且通道和共振腔體中的電介質(zhì)可以相同也可以不同。
[0033]在具體實(shí)施過程中，共振腔3可以通過電子束光刻或者聚焦離子束的方法在金屬波導(dǎo)上雕刻形成。一般地，共振腔3采用矩形腔結(jié)構(gòu)。其長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為360nm-500nm，寬度為40nm-100nm,優(yōu)選地,其長(zhǎng)度為380nm,寬度為60nm。
[0034]在具體實(shí)施過程中，通道2可以通過電子束光刻或者聚焦離子束的方法在金屬波導(dǎo)上雕刻形成。其波導(dǎo)寬度為30nm至70nm。優(yōu)選地，通道的波導(dǎo)寬度為50nm。
[0035]在具體實(shí)施過程中，金屬間隙4的設(shè)置在于形成一面反射鏡，其可以為銀結(jié)構(gòu)。其寬度一般設(shè)計(jì)為10nm-50nm,優(yōu)選地為20nm。
[0036]如圖3所示，為本具體實(shí)施例中共振腔3的腔長(zhǎng)為380nm，腔寬為60nm，金屬間隙寬為20nm，通道寬為50nm時(shí)的反射譜圖。
[0037]光波只能以消逝波形式滲入金屬里面，且因此在電介質(zhì)(如空氣)和金屬的界面處幾乎完全被反射回來。本具體實(shí)施例的濾波器提出具有兩高反射金屬端面的短波導(dǎo)部分，用于構(gòu)造出具有支持駐波的共振腔3。如圖1所示，電介質(zhì)假定為折射率等于I的空氣。金屬波導(dǎo)I周圍由金屬銀覆蓋。當(dāng)入射光波從金屬波導(dǎo)I的左邊沿著直波導(dǎo)傳輸時(shí)，部分光波會(huì)進(jìn)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的兩個(gè)空氣-銀界面幾乎完全被反射。而部分光將會(huì)進(jìn)入左邊的直波導(dǎo)。顯然，這個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)共振腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)納米級(jí)的共振腔3里滿足某些適當(dāng)?shù)臈l件時(shí)，駐波就可以形成。定義Δφ為光在共振
腔3里每一圈的相位延遲，得到Λ Φ =4 π neffL/ λ + Φ ρ其中灼=奶+ '這里φ?和權(quán)分別
是光束在共振腔3的兩端因反射引起的附加相移，而L是共振腔3的長(zhǎng)度，nrff為波導(dǎo)的有
效折射率。基于共振腔原理，當(dāng)共振條件滿足= ，可以建立穩(wěn)定的駐波，這里正整數(shù)
m為等離子駐波的波腹數(shù)?；诜ㄧ昀锕舱袂坏墓鈱W(xué)理論和等離子模的有效折射率，腔的共振波長(zhǎng)可以被推導(dǎo)出:
[0038]λ m=2neffL/ (m_ Φ r/2 π ).[0039]從公式,可以知道共振波長(zhǎng)λ m與長(zhǎng)度L和波導(dǎo)的有效折射率!!砠成正比。因?yàn)橛行д凵渎逝c波導(dǎo)的寬度成類反比的關(guān)系，所以共振波長(zhǎng)也和波導(dǎo)的寬度成類反比關(guān)系。作為一個(gè)腔，其有效折 射率也與腔的耦合強(qiáng)度有關(guān)。故有效折射率與兩波導(dǎo)中的金屬間隙4有一定的關(guān)系，同理，共振波長(zhǎng)也與金屬間隙4有一定的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)一個(gè)任意波長(zhǎng)濾波的直接方法是選擇一個(gè)適合的長(zhǎng)度L。而波導(dǎo)的寬度w支配著波導(dǎo)模的有效折射率，因此也影響著共振波長(zhǎng)。所以，可以通過選取共振腔3的長(zhǎng)度和/或?qū)挾热?shí)現(xiàn)所需要的任意波長(zhǎng)的窄帶濾波功能。對(duì)于一個(gè)共振波長(zhǎng)，其所需的最小腔長(zhǎng)為L(zhǎng)=X /(2rwf)。
[0040]本實(shí)用新型的濾波器可以降低使用本振信號(hào)源的頻率，降低誤碼率，提高系統(tǒng)性能的光纖無線傳輸系統(tǒng)，尺寸在亞波長(zhǎng)級(jí)別，可以應(yīng)用于高集成的納米光子回路。
[0041]相同或相似的標(biāo)號(hào)對(duì)應(yīng)相同或相似的部件；
[0042]附圖中描述位置關(guān)系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對(duì)本專利的限制；
[0043]顯然，本實(shí)用新型的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本實(shí)用新型所作的舉例，而并非是對(duì)本實(shí)用新型的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，包括金屬波導(dǎo)，在金屬波導(dǎo)中設(shè)有用于入射和反射光線進(jìn)出的通道和用于產(chǎn)生諧振波長(zhǎng)的共振腔，通道和共振腔內(nèi)填充有電介質(zhì)，通道和共振腔之間設(shè)有用于阻礙光波進(jìn)出的金屬間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，所述電介質(zhì)為空氣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，所述金屬波導(dǎo)為銀薄膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，所述共振腔為矩形腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，通道的波導(dǎo)寬度為 30 nm 至 70nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，通道的波導(dǎo)寬度為 50nmo
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，金屬間隙為銀結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，金屬間隙的寬度為 10 nm _50nmo
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，金屬間隙的寬度為 20nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述的表面等離激元光波導(dǎo)濾波器，其特征在于，共振腔的長(zhǎng)度為360 nm -500nm,寬度為40_100nm。
【文檔編號(hào)】G02B6/293GK203616502SQ201320804756
【公開日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2013年12月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月9日
【發(fā)明者】黃旭光, 朱家胡, 陶金 申請(qǐng)人:華南師范大學(xué), 中國移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司中山分公司