本實用新型涉及一種可調濾波器裝置，尤其是納米尺度的可調表面等離激元濾波器裝置。

背景技術：

表面等離激元是光入射在金屬和介質表面形成的一種電磁場與金屬內部電子相互耦合的電磁波。表面等離激元的主要特點是波長短、能量高度局域化、可以突破光學衍射極限。因此，利用表面等離激元可以制成突破衍射極限的納米光學器件。表面等離激元濾波器是納米光學器件中的核心部件。利用表面等離激元濾波器與表面等離激元波導結構耦合，可以制作多種納米光學器件，比如表面等離激元分束器，表面等離激元衰減器，納米光學傳感器等(參見G.An et al.，Applied Optics，55(2016)1262；J.Yang et al.，Optics Lett.40(2015)978；Y.Liu et al.，Optics Express，23(2015)20540；H.Nasari and M.S.Abrishamian，Journal of Lightwave Tech.，33(2015)4071；T.Nikolajsen et al.，Opt.Commun.244(2005)455；X.Zhai et al.，J.Nanomaterials 2013(2013)484207；D.Xiang and W.-J.Li，J.Mod.Opt.61(2014)222；G.Gagnon et al.，J.Lightwave Technol.24(2006)4391；T.Nikolajsen et al.，Appl.Phys.Lett.85(2004)5833；Z.H.Han et al.，IEEE Photon. Technol.Lett.19(2007)91等文獻)。

表面等離激元的傳輸特性與金屬和電介質的介電性質密切相關，因此改變電介質的介電常數(shù)就可以改變表面等離激元的傳輸特性，進而可以改變表面等離激元濾波器的特征波長。利用調控電介質的介電常數(shù)，可以制作可調的表面等離激元濾波器。如文獻(Xi Chen，Ru Zhang，Peilin Lang，Huichun Yang，Ting Zhong and Kun Zhong，Transmittance Spectrum of Surface Plasmon Polariton Based Filter with Asymmetric Double-ring Resonator and Switch，Journal of Modern Optics，61(9)，716-720(2014))所述，在環(huán)形表面等離激元濾波器中填充向列型液晶BL009，當給液晶施加電場后，液晶的介電常數(shù)發(fā)生變化，導致表面等離激元濾波器的特征波長移動，從而制成波長可調的帶通濾波器。如果外加電壓與濾波器的特征波長匹配，則可以構成表面等離激元光電開關。因此，可調的表面等離激元濾波器在集成光學器件中具有重要的作用。

目前的可調表面等離激元濾波器基本上都采用調節(jié)電介質的介電常數(shù)的方法，其中最容易調節(jié)介電常數(shù)的電介質就是液晶。但由于液晶是一種液體，因此集成在表面等離激元納米光學器件中的技術難度較大。而且液晶的介電常數(shù)在外加電壓超過一定值后會趨向飽和，因此采用調節(jié)介電常數(shù)的方法制作的表面等離激元濾波器的可調范圍有限。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的可調表面等離激元濾波器在可調范圍方面的不足，本實用新型提供一種新型的采用壓力可調表面等離激元濾波器。該可調濾波器不但具有易于集成的優(yōu)點，還提高了濾波器的可調范圍。

本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是：采用表面等離激元共振腔與表面等離激元波導相互耦合構成可調表面等離激元濾波器。表面等離激元共振腔是由金屬中的空腔構成，空腔中的一側腔壁很薄，且此腔壁外側與壓力源接觸，在外加壓力下腔壁容易發(fā)生形變。為了防止表面等離激元波導的傳輸特性也受到外加壓力的影響，表面等離激元波導與共振腔在遠離金屬表面的地方相互耦合。當入射光激發(fā)表面等離激元在表面等離激元波導中傳播時，如果入射光波長與表面等離激元共振腔的共振波長匹配，則會在共振腔中產生共振，使得表面等離激元波導中的能量被耦合到共振腔中，從而在表面等離激元波導的出射口會檢測到光強的變化。在外加壓力下，表面等離激元共振腔的一側腔壁發(fā)生形變，從而導致共振腔的共振波長發(fā)生變化，因此出射端口的發(fā)生光強變化對應的波長就發(fā)生相應的移動，從而實現(xiàn)濾波器的波段可調。由于表面等離激元共振腔對形變比對介電常數(shù)的變化更加敏感，因此壓力可調的濾波器的可調范圍大大增加。而且，由于壓力可調的表面等離激元濾波器不含有液體成分，因此易于集成。

本實用新型的有益效果是，可以擴大可調表面等離激元濾波器的可調范圍，同時還具有易于集成制作的優(yōu)點。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。

圖1是壓力作用下表面等離激元共振腔壁的形變示意圖。

圖2是第一個實施例的結構原理圖。

圖3是第一個實施例的測試光路原理圖。

圖4是第一個實施例的透射光譜圖。

圖5是第二個實施例的結構原理圖。

圖中1.金屬腔壁，2.表面等離激元共振腔，3.表面等離激元波導，4.表面等離激元壓力可調濾波器，5.激光器，6.光纖，7.光纖光譜儀。

具體實施方式

在圖1中，表面等離激元共振腔的一部分腔壁1在沒有外加壓強情況下可以看成是一平直的金屬梁。在外加壓強情況下，金屬腔壁1在外加壓力下發(fā)生彎曲，減少金屬空腔的體積。由于表面等離激元共振腔的共振波長與空腔體積、空腔形狀密切相關，因此表面等離激元共振腔的共振波長會發(fā)生移動?；诒砻娴入x激元共振腔的表面等離激元濾波器的濾波波段也就會隨外加壓力而改變，從而實現(xiàn)了壓力可調的表面等離激元濾波器。

在圖2所示的實施例中，壓力可調濾波器4是由表面等離激元共振腔2和表面等離激元波導3采用側邊耦合的方式構成的。表面等離激元共振腔采用“Π”字型結構，“Π”字型共振腔由一個橫槽和兩個豎槽構成。橫槽與金屬表面平行而且距離金屬表面很近，兩個豎槽分別與橫槽直接連接，且都分布在遠離金屬表面一側。在表面等離激元共振腔2的下面，用離子束刻蝕的方法或利用薄膜分層生長的方法制備一表面等離激元直波導結構3。波導3的一側與“Π”字型表面等離激元共振腔2的兩個豎槽相互耦合。當有激光入射到波導3的入射端口時，就會在波導3內激發(fā)表面等離激元，表面等離激元沿波導3傳播。如果入射光的波長與“Π”字型表面等離激元共振腔2的共振波長相同，則表面等離激元會被耦合到“Π”字型表面等離激元共振腔2中，從而導致波導3中表面等離激元的能量降低，這樣就會在波導的出射端口檢測到光強的衰減。這樣就實現(xiàn)了對表面等離激元的濾波。由于“Π”字型表面等離激元共振腔2的共振波長與外加壓強成正比，因此外加壓強可以調節(jié)壓力可調濾波器的帶阻波段。

在圖3所示的實施例測試光路原理圖中，激光器5發(fā)射的激光通過光纖6耦合到壓力可調濾波器4的波導入射端口，并在波導3中激發(fā)表面等離激元。表面等離激元通過濾波器4濾波后，由波導3的出射端口耦合到光纖6中，傳輸?shù)焦饫w光譜儀7中測量透射譜。測量后得到的透射譜如圖4所示。當沒有外加壓力時，共振腔不形變，透射譜由圖中實線表示。在波長從600nm到1600nm的波段內有兩個共振波長，對應于透射譜中的帶阻波段。一個帶阻的中心波長為790nm，另一個帶阻的中心波長為1425nm。當外加一定壓力使共振腔的形變量達到10nm時的透射譜由圖中虛線表示。顯然，兩個帶阻波段的位置都發(fā)生了改變。其中波長短的帶阻中心波長移動到800nm，而波長較長的帶阻中心波長移動到了1505nm。相當于每形變量為1nm時，帶阻中心波長移動8nm。

在圖5所示實施例中，可調濾波器4是由“工”字型表面等離激元共振腔2和表面等離激元入射波導3以及出射波導3采用直接耦合的方式構成的。這樣的表面等離激元濾波器屬于帶通濾波器，帶通的中心波長對應表面等離激元共振腔2的共振波長。當有外加壓力時，帶通的中心波長位置也會發(fā)生相應的移動，從而實現(xiàn)可調的帶通濾波器。

可以理解的是，以上實施例只是為了說明本實用新型的有益效果而采取的實施方式。表面等離激元共振腔與表面等離激元波導有多種耦合方式，表面等離激元共振腔也可以采用多種材料和制備工藝。所有利用壓力調制表面等離激元共振腔的共振波長實現(xiàn)可調濾波器的各種實施結構和應用均被視為本實用新型的保護范圍。