一种等离子激元谐振波分复用器

摘要

本发明公开一种等离子激元谐振波分复用器，由金属薄膜，以及呈镂空状开设在金属薄膜上的1条入射波导、2条以上的出射波导和2条以上的谐振腔组成。出射波导和谐振腔的数量相同，1个出射波导对应1个谐振腔。通过在入射波导的两侧和/或后端设置谐振腔，并在谐振腔的另一侧设置出射波导来构成复用器，并通过在每个谐振腔内部加入一个金属膜块，使得谐振腔内可以形成一个F‑P腔，使得表面等离激元SPP与谐振腔实现共振耦合；这样利用表面等离激元SPP与谐振腔的共振耦合作用，可以通过调节谐振腔中金属薄膜的尺寸，实现等离激元多路信号分离和各通道波长调节；同时可以通过改变耦合间距，体现特定的耦合效果。

权利要求

1.一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，由金属薄膜（1），以及呈镂空状开设在金属薄膜（1）上的1条入射波导（2）、2条以上的出射波导（3）和2条以上的谐振腔（4）组成；出射波导（3）和谐振腔（4）的数量相同，1个出射波导（3）对应1个谐振腔（4）；所有谐振腔（4）及其内部的金属膜块（5）的尺寸相一致；

入射波导（2）为长条形；入射波导（2）的前端延伸至金属薄膜（1）的边缘处，入射波导（2）的后端延伸至金属薄膜（1）的中部；

每个谐振腔（4）均为圆形；谐振腔（4）分布设置在入射波导（2）的两侧和后端；每个谐振腔（4）内部均嵌设有1个矩形的金属膜块（5），且金属膜块（5）位于谐振腔（4）的中心处；

每个出射波导（3）均为长条形；每个出射波导（3）的前端与其所对应的谐振腔（4）相对，每个出射波导（3）的后端延伸至金属薄膜（1）的边缘处；

谐振腔（4）与入射波导（2）和出射波导（3）之间均存在一定距离，且出射波导（3）的延伸方向与入射波导（2）的延伸方向垂直和在同一条直线上。

2.根据权利要求1所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，金属膜块（5）为长条矩形。

3.根据权利要求1或2所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，金属膜块（5）的对称中心与谐振腔（4）的对称中心相重合。

4.根据权利要求1所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，入射波导（2）和所有出射波导（3）的宽度相同。

5.根据权利要求4所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，谐振腔（4）的直径等于入射波导（2）的宽度及出射波导（3）的宽度的两倍。

6.根据权利要求1所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是， 出射波导（3）与谐振腔（4）之间的距离等于该谐振腔（4）与入射波导（2）之间的距离。

7.根据权利要求1所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，设置在入射波导（2）的两侧的谐振腔（4）的个数相同。

8.根据权利要求7所述的一种等离子激元谐振波分复用器，其特征是，谐振腔（4）在入射波导（2）的两侧呈镜像对称设置。

说明书

一种等离子激元谐振波分复用器

技术领域

[0001] 本发明涉及微纳光子技术领域，具体涉及一种等离子激元谐振波分复用器。

背景技术

[0002] SPP在高度集成的光电路中的器件具有广阔的应用前景，因为它们克服了传统的衍射极限，并且可以在亚波长尺度上操纵光。在已提出的各种等离子SPP结构中，金属-介质-金属(MIM)波导结构因为可以支持表面等离子体激元(SPPs)模式传输并将模式束缚在电介质层中，且对光具有较强的局域能力，简单且易于高度集成的优点，在纳米集成光学与器件方面有着极大的应用潜力。

[0003] 随着科学技术的不断发展，应用于波长选择的波分复用器在光学计算和电信号传播中起到很重要作用，例如基于等离子体带通和带阻滤波器，前者允许具有一定波长的光通过波导，而后者禁止某些波长的传输。这两种滤波器在纳米光学器件中有很重要的地位。科研人员纷纷对此进行了广泛的研究，例如像齿状的纳米等离子体波导滤波器，基于长程等离子体的滤波器，以及弯曲波导带通滤波器。然而，对于现有等离子体波分复用器还较少关注。

发明内容

[0004] 本发明提供一种等离子激元谐振波分复用器，其能够实现不同特性和功能。

[0005] 为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种等离子激元谐振波分复用器，由金属薄膜，以及呈镂空状开设在金属薄膜上的1条入射波导、2条以上的出射波导和2条以上的谐振腔组成；出射波导和谐振腔的数量相同，1个出射波导对应1个谐振腔；入射波导为长条形；入射波导的前端延伸至金属薄膜的边缘处，入射波导的后端延伸至金属薄膜的中部；每个谐振腔均为圆形；谐振腔分布设置在入射波导的两侧和/或后端；每个谐振腔内部均嵌设有1个矩形的金属膜块，且金属膜块位于谐振腔的中心处；每个出射波导均为长条形；每个出射波导的前端与其所对应的谐振腔相对，每个出射波导的后端延伸至金属薄膜的边缘处；谐振腔与入射波导和出射波导之间均存在一定距离，且出射波导的延伸方向与入射波导的延伸方向垂直和/或在同一条直线上。

[0007] 上述方案中，金属膜块为长条矩形。

[0008] 上述方案中，金属膜块的对称中心与谐振腔的对称中心相重合。

[0009] 上述方案中，所有谐振腔及其内部的金属膜块的尺寸相一致。

[0010] 上述方案中，入射波导和所有出射波导的宽度相同。

[0011] 上述方案中，谐振腔的直径等于入射波导的宽度及出射波导的宽度的两倍。

[0012] 上述方案中，出射波导与谐振腔之间的距离等于该谐振腔与入射波导之间的距离。

[0013] 上述方案中，设置在入射波导的两侧的谐振腔的个数相同。

[0014] 上述方案中，谐振腔在入射波导的两侧呈镜像对称设置。

[0015] 与现有技术相比，本发明通过在入射波导的两侧和/或后端设置谐振腔，并在谐振腔的另一侧设置出射波导来构成复用器，并通过在每个谐振腔内部加入一个金属膜块，使得谐振腔内可以形成一个F-P腔，使得表面等离激元SPP与谐振腔实现共振耦合；这样利用表面等离激元SPP与谐振腔的共振耦合作用，可以通过调节谐振腔中金属薄膜的尺寸，实现等离激元多路信号分离和各通道波长调节；同时可以通过改变耦合间距，体现特定的耦合效果。

附图说明

[0016] 图1为一种等离子激元谐振波分复用器的结构示意图。

[0017] 图2为每个等离子体激元谐振滤波单元的结构示意图。

[0018] 图3为等离子体激元谐振滤波单元的一种模式滤波特性光谱图。

[0019] 图4为等离子体激元谐振滤波单元的另一种模式滤波特性光谱图。

[0020] 图5为等离子激元谐振波分复用器的特性光谱图。

[0021] 图中标号：1、金属薄膜；2、入射波导；3、出射波导；4、谐振腔；5、金属膜块。

具体实施方式

[0022] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

[0023] 一种等离子激元谐振波分复用器，如图1所示，由金属薄膜1，以及呈镂空状开设在金属薄膜1上的1条入射波导2、2条以上的出射波导3和2条以上的谐振腔4组成。出射波导3和谐振腔4的数量相同，1个出射波导3对应1个谐振腔4。入射波导2与1个谐振腔4和1个出射波导3形成一个等离子体激元谐振滤波单元，参见图2。谐振腔4和出射波导3的数量，决定了本发明复用器的复用数量。在本实施例中，谐振腔4和出射波导3均为3个，形成具有1个相同输入，3个不同输出的波分复用器。

[0024] 金属薄膜1采用金属薄膜1材料制成。在本实施例中，金属薄膜1整体为矩形。金属薄膜1上通过镂空方式，形成入射波导2、出射波导3和谐振腔4，从而使得入射波导2、出射波导3和谐振腔4内填充的介质为空气。

[0025] 入射波导2为长条形。在本实施例中，入射波导2为前后等宽的矩形长条。入射波导2的前端延伸至金属薄膜1的边缘处，形成光的入射口；入射波导2的后端延伸至金属薄膜1的中部。在本实施例中，入射波导2水平延伸设置在金属薄膜1上。

[0026] 每个谐振腔4均为圆形。谐振腔4分布设置在入射波导2的两侧和/或后端，即谐振腔4的分布方式有2种：一种是所有谐振腔4均分布在入射波导2的两侧；另一种是1个谐振腔4中位于谐振腔4的后端，其余谐振腔4分布在入射波导2的两侧。而当谐振腔4分布在入射波导2的两侧时，既可以让所有的谐振腔4全部分布在入射波导2的同一侧，也可以让谐振腔4分布在入射波导2的两侧。当谐振腔4分布在入射波导2的两侧时，其最好采用均布的方式，即入射波导2的两侧分布的谐振腔4的数量相同，且谐振腔4在入射波导2的两侧呈镜像相对设置。在本实施中，1个谐振腔4中位于谐振腔4的后端，该谐振腔4所对应的出射波导3与入射波导2在同一直线上；另外2个谐振腔4分别位于入射波导2的两侧，且呈镜像对称设置，这
2个谐振腔4所对应的出射波导3与入射波导2相垂直。为了保证对称性能，在本实施中，所有谐振腔4的尺寸相一致。

[0027] 每个谐振腔4内部均嵌设有1个矩形的金属膜块5。金属膜块5与圆盘谐振腔4发生共振耦合，形成一个强大的局域电磁场，使得谐振器体现出滤波特性。在本实施例中，金属膜块5为长条矩形。金属膜块5位于谐振腔4的中心处。在本实施例中，金属膜块5的对称中心与谐振腔4的对称中心相重合。在本实施中，所有金属膜块5的尺寸和形状相一致。金属膜块5平行于出射波导3延伸方向的宽度介于10nm～160nm之间。金属膜块5垂直于出射波导3延伸方向的宽度介于10nm～160nm之间。金属膜块5的延伸方向与出射波导3的延伸方向相垂直。

[0028] 每个出射波导3均为长条形。在本实施例中，出射波导3为前后等宽的矩形长条。每个出射波导3的前端与其所对应的谐振腔4相对，每个出射波导3的后端延伸至金属薄膜1的边缘处，形成光的出射口。当谐振腔4位于入射波导2的两侧时，其所对应的出射波导3的延伸方向与入射波导2的延伸方向垂直；当谐振腔4位于入射波导2的前端时，出射波导3的延伸方向与入射波导2的延伸方向平行，并在同一条直线上。

[0029] 谐振腔4与入射波导2和出射波导3之间均存在一定距离。在本实施中，出射波导3与谐振腔4之间的距离等于该谐振腔4与入射波导2之间的距离。谐振腔4一端与入射波导2耦合，谐振腔4的另一端与出射波导3耦合。在本实施例中，入射波导2和出射波导3的长度根据相关参数而变化，以使其其中一端能够延伸至金属薄膜1的边缘，但入射波导2和所有出射波导3的宽度则相同，即W1＝W2＝W3＝W4。谐振腔4的直径等于入射波导2的宽度及出射波导3的宽度的两倍，即r＝2W1。

[0030] 在实际使用时，本发明需要覆于一介质基底上，该介质基底可以为硅(Si)或二氧化硅(SiO2)。平面光由入射波导2水平入射，经耦合进入谐振腔4，谐振腔4内部设置有金属膜块5，表面激发的表面等离激元通过隧道效应穿越到出射波导3，平面光由出射波导3透射光出射。利用表面等离激元SPP与谐振腔4的共振耦合作用，通过调节谐振腔4内金属膜块5的尺寸，谐振腔4与入射波导2和出射波导3的间距等结构参数，可体现不同的性质，体现不同的功能。下面通过一个具体实例来对此进行说明：

[0031] 对于图2所示的等离子体激元谐振滤波单元，入射波导2的宽W1＝50nm，出射波导3的宽W2＝50nm。谐振腔4半径r＝100nm,谐振腔4同相邻波导间距d＝10nm。当金属膜块5的垂直于出射波导3延伸方向的宽度h较大时，即h＝120nm时，通过调节谐振腔4内金属膜块5的平行于出射波导3延伸方向宽度s，使得金属膜块5的平行于出射波导3延伸方向的宽度s分别为30nm，60nm，90nm和120nm，即可得到如图3所示的滤波曲线图。在图3中，由于内嵌金属块较宽，从入射波导2产生的耦合等离子激元与内嵌金属块在耦合腔中发生干涉，透射峰产生侧缝，随着金属膜块5的平行于出射波导3延伸方向宽度s增加，光干涉不断增加。当金属膜块5的垂直于出射波导3延伸方向的宽度h较小时，即h＝20nm时，通过调节谐振腔4内金属膜块5的平行于出射波导3延伸方向宽度s，使得金属膜块5的平行于出射波导3延伸方向宽度s分别为40nm，80nm，1200nm和160nm，即可得到如图4所示的滤波曲线图。在图4中，内嵌金属块较窄，不会发生干涉，但随着金属膜块5的平行于出射波导3延伸方向宽度s增加，光的损耗增加，透射率逐渐减小。

[0032] 在如图2的基础上，通过在入射波导2的两侧分别各耦合1个新的谐振腔4，新的谐振腔4及出射波导3关于入射波导2镜像对称，形成图1所示具有3个不同输出的复用器，以此实现波分复用特性。对于图1所示的等离子激元谐振波分复用器，入射波导2的宽W1＝50nm。出射波导3的宽W2＝W3＝W4＝50nm。谐振腔4半径r1＝r2＝r3＝100nm,谐振腔4同相邻波导间距d＝10nm。3个金属膜块5平行于出射波导3延伸方向的宽度分别为s1＝s2＝s3＝20nm。
垂直于出射波导3延伸方向的宽度分别为h1＝160nm，h2＝120nm，h3＝80nm。可得到如图5所示的波分复用光谱图。

[0033] 需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。