一种表面等离激元滤波器

摘要

一种表面等离激元滤波器，涉及滤波器。设有至少一个基于表面等离激元的槽形波导，所述基于表面等离激元的槽形波导设有金属膜，在金属膜上表面设有两条平行金属带，所有基于表面等离激元的槽形波导的金属带均设在同一金属膜上，基于表面等离激元的槽形波导的横截面为开口矩形腔，除金属膜和金属带以外，基于表面等离激元的槽形波导的其他部分为介质。利用表面等离激元槽形波导本身的截止特性实现表面等离激元滤波器，这种结构不但对表面等离激元具有良好的波长选择透过特性，而且结构简单，尺度小，成本低，容易加工，非常适合集成。

权利要求

1.一种表面等离激元滤波器，其特征在于设有至少一个基于表面等离激元的槽形波导，所述基于表面等离激元的槽形波导设有金属膜，在金属膜上表面设有两条平行金属带，所有基于表面等离激元的槽形波导的金属带均设在同一金属膜上，基于表面等离激元的槽形波导的横截面为开口矩形腔，除金属膜和金属带以外，基于表面等离激元的槽形波导的其他部分为介质。

2.如权利要求1所述一种表面等离激元滤波器，其特征在于所述介质采用空气、玻璃或水。

3.如权利要求1所述一种表面等离激元滤波器，其特征在于所述金属膜采用金膜、银膜或铝膜。

4.如权利要求1所述一种表面等离激元滤波器，其特征在于所述金属带采用金带、银带或铝带。

说明书

一种表面等离激元滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及滤波器，尤其是涉及一种表面等离激元滤波器。

背景技术

[0002] 表面等离激元(Surface Plasmon Polariton)是一种局域在金属/介质表面的电磁场表面模式，其特点是电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减，并且以大于介质中同频率光波的波数沿金属表面传播。在一定条件下，光和表面等离激元之间可以实现能量转换。这使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光进行操控。基于表面等离激元的各种功能器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注([1]W.L.Barnes,A.Dereux,and T.W.Ebbesen“, Surface plasmon subwavelength optics,”Nature 424,824–830(2003).)。

[0003] 由于表面等离激元具有较大的传输损耗，根据传统的滤波器原理来设计表面等离激元滤波器将导致器件性能不高，且无法获得小尺度的器件。因此需要根据表面等离激元的特点来设计和实现滤波器，这始终是实现表面等离激元滤波器的难点。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种表面等离激元滤波器。

[0005] 本发明设有至少一个基于表面等离激元的槽形波导，所述基于表面等离激元的槽形波导设有金属膜，在金属膜上表面设有两条平行金属带，所有基于表面等离激元的槽形波导的金属带均设在同一金属膜上，基于表面等离激元的槽形波导的横截面为开口矩形腔，除金属膜和金属带以外，基于表面等离激元的槽形波导的其他部分为介质。

[0006] 所述介质可采用空气、玻璃或水等；所述金属膜可采用金膜、银膜或铝膜等；所述金属带可采用金带、银带或铝带等。

[0007] 本发明的优点在于利用表面等离激元槽形波导本身的截止特性实现表面等离激元滤波器，这种结构不但对表面等离激元具有良好的波长选择透过特性，而且结构简单，尺度小，成本低，容易加工，非常适合集成。

附图说明

[0008] 图1为本发明中的基于表面等离激元的槽形波导的结构示意图；

[0009] 图2为本发明的金属槽形波导横截面中表面等离激元基模电场分布图；

[0010] 图3为本发明实施例1截止滤波器的结构示意图；

[0011] 图4为本发明实施例1产生的具有波长选择性的透过谱；

[0012] 图5为本发明实施例2带通滤波器的结构示意图；

[0013] 图6为本发明实施例2产生的具有波长选择性的透过谱(输出波导宽度0.38μm)；

[0014] 图7为本发明实施例2产生的具有波长选择性的透过谱(输出波导宽度0.37μm)。

具体实施方式

[0015] 以下结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。本发明的表面等离激元滤波器的特性和金属材料、表面等离激元频率、结构尺寸、波导之间的连接方式有关，可以通过求解麦克斯韦方程组及边界条件或用电磁场计算软件(有限元、FDTD等)得到。

[0016] 参见图1，本发明设有至少一个基于表面等离激元的槽形波导，所述基于表面等离激元的槽形波导设有金属膜1，在金属膜1上表面设有两条平行金属带2，所有基于表面等离激元的槽形波导的金属带2均设在同一金属膜1上，基于表面等离激元的槽形波导的横截面为开口矩形腔，除金属膜1和金属带2以外，基于表面等离激元的槽形波导的其他部分为介质。

[0017] 所述介质可采用空气、玻璃或水等；所述金属膜可采用金膜、银膜或铝膜等；所述金属带可采用金带、银带或铝带等。

[0018] 图2给出表面等离激元在该波导中基模的横向电场分布，可见能量主要被束缚在波导的底部，截止波长λcutoff约等于2w，其中w是波导的宽度，波长大于λcutoff的表面等离激元被截止不能在波导中传播，因此该结构对表面等离激元的透过具有明显的波长选择性。

[0019] 以下给出具体实施例：

[0020] 实施例1

[0021] 实施例1是截止滤波器，参见图3，基于表面等离激元的槽形波导设2个，第1个基于表面等离激元的槽形波导的输出波导与第2个基于表面等离激元的槽形波导的输入波导串联连接，且输入波导宽度应该大于输出波导宽度，由于前者的截止波长大于后者，能够在输入波导中传播的表面等离激元的长波部分被输出波导截止，成为截止滤波器。

[0022] 在300nm厚的金膜上宽度w1的输入波导和宽度w2的输出波导中心对准串联连接，金属带的材料也是金，w1＝0.72μm，w2＝0.36μm，金属带高度和宽度分别为0.5μm和0.4μm。截止滤波器放置在玻璃衬底上，介质为空气。数值模拟的输出波导端表面等离激元强度(电场平方)透射谱见图4，横坐标是入射表面等离激元所对应的真空波长。在0.8μm处透射率陡降，在大于0.82μm后透射率接近为0。

[0023] 实施例2

[0024] 实施例2给出一个带通滤波器，结构图如图5所示，基于表面等离激元的槽形波导设至少3个，至少3个基于表面等离激元的槽形波导交错连接，连接方式为：(1)输出波导和输入波导垂直连接；(2)两个疏散波和输入波导垂直连，另一个疏散波导和输入波导中心对准连接。三个疏散波导的宽体相同。当输入波导宽度>输出波导宽度>疏散波导宽度的时候，则只有波长介于输出波导和疏散波导的截止频率之间的表面等离激元信号可以从输出波导中输出，实现带通滤波器。

[0025] 由300nm厚的金膜和宽度为w1的输入波导、三条宽度为w2的疏散波导以及宽度为w3的输出波导组成，平行金属带材料也是金，带通滤波器放置在玻璃衬底上，其它部分为介质，介质采用空气。金属带高度和宽度分别为0.5μm和0.4μm，w1>w3>w2。几种波导的宽度分别为w1＝0.72μm，w2＝0.36μm和w3＝0.38μm时，输出波导端表面等离激元强度(电场平方)透射谱见图6，在0.845μm处形成半高全宽(FWHM)只有14.5nm的透射峰。三种波导的截止波长的关系为：输入波导的截止波长最大、输出波导的截止波长次之，疏散波导的截止波长最小。表面等离激元信号波从输入波导中输入，从输出波导中输出。

[0026] 当信号波的波长大于输出波导的截止频率时，无法通过输出波导输出；当信号波的波长小于疏散波导的截止频率时，信号波优先从三个疏散波导中逃逸出去，通过输出波导输出的信号非常弱；当信号波的波长介于输出波导和疏散波导的截止频率之间时，可以从输出波导中输出，实现带通滤波器。

[0027] 通过调整输出波导宽度，可以进一步调控透射带的带宽。例如当w3＝0.37μm时，输出波导端表面等离激元强度(电场平方)透射谱见图7，形成半高全宽(FWHM)只有10nm。