本發(fā)明涉及表面等離激元，尤其是涉及一種表面等離激元陷波濾波器。

背景技術(shù)：

表面等離激元(Surface Plasmon Polariton)是一種局域在金屬/介質(zhì)表面的電磁場(chǎng)表面模式，其特點(diǎn)是電磁場(chǎng)強(qiáng)度在垂直于金屬表面的方向上指數(shù)衰減；并且以大于介質(zhì)中同頻率光子的波數(shù)沿金屬表面?zhèn)鞑?。在一定條件下，光和表面等離激元之間可以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。這使得人們可以利用表面等離激元在微米乃至納米尺度的范圍內(nèi)對(duì)光進(jìn)行操控?；诒砻娴入x激元的各種功能器件的研究以及相關(guān)理論研究成為近年來的熱點(diǎn)，吸引著眾多科研人員的關(guān)注。

由于表面等離激元具有較大的傳輸損耗，根據(jù)傳統(tǒng)的濾波器原理來設(shè)計(jì)表面等離激元濾波器將導(dǎo)致器件性能不高，且無法獲得小尺度的器件。因此，需要根據(jù)表面等離激元的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)濾波器，這始終是實(shí)現(xiàn)表面等離激元濾波器的難點(diǎn)。([1]W.L.Barnes,A.Dereux,and T.W.Ebbesen,“Surface plasmon subwavelength optics,”Nature 424,824–830(2003))。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種表面等離激元陷波濾波器。

本發(fā)明設(shè)有表面等離激元槽型波導(dǎo)和至少兩個(gè)長方體共振腔，所述至少兩個(gè)長方體共振腔嵌入表面等離激元槽型波導(dǎo)中，所述表面等離激元槽型波導(dǎo)設(shè)有金屬膜和兩條金屬帶，所述兩條金屬帶設(shè)有金屬膜上表面，兩條金屬帶相互平行，兩條金屬帶的寬度相同，兩條金屬帶的高度相同，表面等離激元槽型波導(dǎo)除金屬膜和兩條金屬帶以外，其它部分是空氣或介質(zhì)。

所述表面等離激元槽型波導(dǎo)的橫截面為開口矩形腔，兩條金屬帶的寬度可為0.6μm，兩條金屬帶的高度可為0.8μm，兩條金屬帶的間距可為0.5μm。

所述金屬帶的材料不限，可選自金、銀、鋁等中的一種；所述介質(zhì)的材料不限，可選自空氣、玻璃、水等的一種，只要在需要的波段能支持表面等離激元的傳播即可。金屬膜的厚度和金屬帶的寬度和高度不嚴(yán)格限制，可視具體情況調(diào)整優(yōu)化，一般大于表面等離激元在金屬中的穿透深度。

當(dāng)表面等離激元在槽型波導(dǎo)中傳輸時(shí)會(huì)被共振腔散射，特定波長的表面等離激元經(jīng)過共振腔后形成透射率谷。谷的位置、數(shù)目、深度和半寬與腔的幾何尺寸、排列方式等有關(guān)。通過調(diào)節(jié)腔的尺寸、數(shù)目和間距，可以實(shí)現(xiàn)具有單個(gè)或多個(gè)陷波帶的表面等離激元陷波濾波器。

本發(fā)明中金屬和介質(zhì)材料不限制，可以分別是金、銀、鋁和空氣、玻璃、水等，只要在需要的波段能支持表面等離激元的傳播即可。金屬膜的厚度和金屬帶的寬度和高度不嚴(yán)格限制，可視具體情況調(diào)整優(yōu)化，一般大于表面等離激元在金屬中的穿透深度。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用介質(zhì)腔共振的波長選擇性實(shí)現(xiàn)表面等離激元濾波。這種結(jié)構(gòu)不但對(duì)表面等離激元具有良好的波長阻斷性，而且設(shè)計(jì)靈活、結(jié)構(gòu)簡單，尺度小，成本低，容易加工，非常適合集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中的金屬槽型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的金屬槽型波導(dǎo)中表面等離激元基模電場(chǎng)分布圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一陷波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例一產(chǎn)生的透過譜(L＝0.9μm,D＝0.4μm)；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例一產(chǎn)生的透過譜(L＝1.4μm,D＝0.7μm)；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例二陷波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例二產(chǎn)生的透過譜(L1＝L2＝0.9μm,D1＝D2＝0.4μm,S＝1.0μm)；

圖8為本發(fā)明實(shí)施例二產(chǎn)生的透過譜(L1＝L2＝0.9μm，D1＝0.4μm，D2＝0.45μm，S＝1.0μm)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參見圖1～6，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有表面等離激元槽型波導(dǎo)和至少兩個(gè)長方體共振腔3，所述至少兩個(gè)長方體共振腔3嵌入表面等離激元槽型波導(dǎo)中，所述表面等離激元槽型波導(dǎo)設(shè)有金屬膜1和兩條金屬帶2，所述兩條金屬帶2設(shè)有金屬膜1上表面，兩條金屬帶2相互平行，兩條金屬帶2的寬度相同，兩條金屬帶2的高度相同，表面等離激元槽型波導(dǎo)除金屬膜和兩條金屬帶以外，其它部分是空氣或介質(zhì)。

所述表面等離激元槽型波導(dǎo)的橫截面為開口矩形腔，兩條金屬帶2的寬度G可為0.6μm，兩條金屬帶2的高度H可為0.8μm，兩條金屬帶2的間距W可為0.5μm。

所述金屬帶的材料不限，可選自金、銀、鋁等中的一種；所述介質(zhì)的材料不限，可選自空氣、玻璃、水等的一種，只要在需要的波段能支持表面等離激元的傳播即可。金屬膜的厚度和金屬帶的寬度和高度不嚴(yán)格限制，可視具體情況調(diào)整優(yōu)化，一般大于表面等離激元在金屬中的穿透深度。

本發(fā)明的表面等離激元濾波器的特性和金屬材料、表面等離激元頻率、波導(dǎo)的幾何尺寸、介質(zhì)腔的幾何尺寸以及排列方式有關(guān)。通過求解麥克斯韋方程組及邊界條件或用電磁場(chǎng)計(jì)算軟件(有限元、FDTD等)可求得透射譜。

所述表面等離激元槽型波導(dǎo)的橫截面是一個(gè)開口矩形腔。這種波導(dǎo)能支持表面等離激元的傳播，圖2給出表面等離激元在一個(gè)槽型波導(dǎo)(W＝0.5μm，G＝0.6μm，H＝0.8μm)中真空波長為900nm的基模的橫向電場(chǎng)分布，可見能量主要被束縛在波導(dǎo)的底部。通過在槽型波導(dǎo)的金屬帶中嵌入表面等離激元共振腔3就形成了本發(fā)明的陷波濾波器(見圖3)。共振腔長度為L，深度為D，高度同金屬帶高度。圖3只畫出了兩個(gè)對(duì)稱的共振腔，實(shí)際應(yīng)用中多個(gè)共振腔可以串聯(lián)。

當(dāng)表面等離激元在槽型波導(dǎo)中傳輸時(shí)會(huì)被共振腔散射，特定波長的表面等離激元經(jīng)過共振腔后形成透射率谷。谷的位置、數(shù)目、深度和半寬與腔的幾何尺寸、排列方式等有關(guān)。通過調(diào)節(jié)腔的尺寸、數(shù)目和間距，可以實(shí)現(xiàn)具有單個(gè)或多個(gè)陷波帶的表面等離激元陷波濾波器。

本發(fā)明中金屬和介質(zhì)材料不限制，可以分別是金、銀、鋁和空氣、玻璃、水等，只要在需要的波段能支持表面等離激元的傳播即可。金屬膜的厚度和金屬帶的寬度和高度不嚴(yán)格限制，可視具體情況調(diào)整優(yōu)化，一般大于表面等離激元在金屬中的穿透深度。

以下給出具體實(shí)施例。

實(shí)施例一

圖3給出本發(fā)明實(shí)施例一陷波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。波導(dǎo)的材料是金，金膜厚度為400nm，金屬帶寬度G＝1.0μm，高度H＝1.8μm，波導(dǎo)寬度W＝1.6μm。腔的長度L＝0.9μm，深度D＝0.4μm。濾波器放置在玻璃襯底上，其余介質(zhì)為空氣。數(shù)值模擬的表面等離激元經(jīng)過介質(zhì)腔后的強(qiáng)度(電場(chǎng)平方)透射譜見圖4，橫坐標(biāo)是入射表面等離激元的真空波長。在1.34μm處透射率陡降至0.17，即實(shí)現(xiàn)了陷波濾波。阻帶寬度(半寬)為30nm。

調(diào)節(jié)腔體的尺寸，可以在實(shí)現(xiàn)具有兩個(gè)陷波帶的濾波器。例如當(dāng)L＝1.0μm，D＝0.7μm時(shí)，透射譜見圖5，在中心波長1.25μm和1.67μm處透射率陡降至0.16和0.15。阻帶寬度分別34nm和73nm。

實(shí)施例二

可以利用多個(gè)共振腔的串聯(lián)進(jìn)一步增強(qiáng)濾波性能。圖6給出本發(fā)明實(shí)施例二陷波濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。對(duì)比實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)，引入兩對(duì)間隔為S的同尺寸的介質(zhì)腔使濾波器具有更深的透射谷值。例如，當(dāng)波導(dǎo)的材料是金，金膜厚度為400nm，金屬帶寬度G＝1.0μm，高度H＝1.8μm，波導(dǎo)寬度W＝1.6μm。兩腔長度L1＝L2＝0.9μm,深度D1＝D2＝0.4μm,間隔S＝1.0μm。濾波器放置在玻璃襯底上，其余介質(zhì)為空氣。表面等離激元經(jīng)過介質(zhì)腔后的強(qiáng)度(電場(chǎng)平方)透射譜見圖7。與實(shí)施例1的圖4相比，在相同的阻帶位置(1.34μm處)透射率進(jìn)一步降至0.08。阻帶寬度為41nm。

若兩腔的尺寸不一樣，通過調(diào)節(jié)腔體的尺寸可以改變陷波的帶寬。例如，當(dāng)波導(dǎo)的材料是金，金膜厚度為400nm，金屬帶寬度G＝1.0μm，高度H＝1.8μm，波導(dǎo)寬度W＝1.6μm。兩腔長度L1＝L2＝0.9μm,寬度D1＝0.4μm,寬度D2＝0.45μm間隔S＝1.0μm，周圍的介質(zhì)是空氣。數(shù)值模擬的表面等離激元經(jīng)過介質(zhì)腔后的強(qiáng)度(電場(chǎng)平方)透射譜見圖8，在1.33和1.37μm范圍內(nèi)透射率都只有0.12以下。阻帶寬度增加到58nm。