本發(fā)明涉及微納光子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器。

背景技術(shù)：

近些年來，等離子體波導(dǎo)在亞波長尺寸的對光的傳導(dǎo)能力吸引了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，促進了等離子體波導(dǎo)集成無源器件進一步發(fā)展。在已提出的各種等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)波導(dǎo)因為可以支持表面等離子體激元(SPPs)模式傳輸并將模式束縛在電介質(zhì)層中，且對光具有較強的局域能力，簡單且易于高度集成的優(yōu)點，在納米集成光學(xué)與器件方面有著極大的應(yīng)用潛力。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，濾波器作為一種去除噪聲干擾的載體，在通信、醫(yī)療、軍事、自動控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的濾波器由于受體積、穩(wěn)定性等條件的限制，不能很好的適應(yīng)光電子技術(shù)發(fā)展的需要。而表面等離激元光學(xué)濾波器因其體積小、功耗低、可靠性高等一系列的優(yōu)點，引起了越來越多人的注意?？蒲腥藛T紛紛對此進行了廣泛的研究，例如像齒狀的納米等離子體波導(dǎo)濾波器，基于長程等離子體的濾波器，以及圓盤形帶通濾波器。然而，現(xiàn)有的等離子體波導(dǎo)濾波器均存在功能單一或性能不佳等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器，其能夠?qū)崿F(xiàn)不同特性和功能。

為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器，包括金屬薄膜、以及開設(shè)在金屬薄膜上的彎曲波導(dǎo)和諧振腔。

彎曲波導(dǎo)由入射波導(dǎo)、中間波導(dǎo)和出射波導(dǎo)組成；入射波導(dǎo)、中間波導(dǎo)和出射波導(dǎo)均為矩形；中間波導(dǎo)的一端與入射波導(dǎo)的一端相連，中間波導(dǎo)的另一端與出射波導(dǎo)相連；入射波導(dǎo)的另一端延伸到金屬薄膜的一側(cè)邊緣形成光的入射口，出射波導(dǎo)的另一端延伸到金屬薄膜的另一側(cè)邊緣形成光的出射口；入射波導(dǎo)與出射波導(dǎo)平行，中間波導(dǎo)同時垂直于入射波導(dǎo)和出射波導(dǎo)。諧振腔的個數(shù)為1個或2個；當諧振腔的個數(shù)為1個時，該諧振腔位于中間波導(dǎo)的其中一側(cè)；當諧振腔的個數(shù)為2個時，2個諧振腔分別位于中間波導(dǎo)的兩側(cè)；上述諧振腔均為矩形，且諧振腔均與中間波導(dǎo)平行。

上述方案中，入射波導(dǎo)的寬度與出射波導(dǎo)的寬度相等。

上述方案中，中間波導(dǎo)的寬度大于等于入射波導(dǎo)的寬度及出射波導(dǎo)的寬度。

上述方案中，諧振腔的寬度均等于入射波導(dǎo)的寬度及出射波導(dǎo)的寬度。

上述方案中，中間波導(dǎo)位于金屬薄膜的正中間，入射波導(dǎo)的長度與出射波導(dǎo)的長度相等。

上述方案中，中間波導(dǎo)的長度介于400nm～600nm之間；中間波導(dǎo)的寬度介于70nm～200nm之間。

上述方案中，當諧振腔位于入射波導(dǎo)一側(cè)時，諧振腔與入射波導(dǎo)之間的間距介于8nm～35nm之間，且諧振腔與中間波導(dǎo)之間的間距介于5nm～250nm之間。

上述方案中，當諧振腔位于出射波導(dǎo)一側(cè)時，諧振腔與出射波導(dǎo)之間的間距介于5nm～15nm之間，且諧振腔與中間波導(dǎo)之間的間距介于80nm～300nm之間。

上述方案中，彎曲波導(dǎo)和諧振腔內(nèi)填充的介質(zhì)為空氣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在原有的直波導(dǎo)等離激元濾波器的基礎(chǔ)上，將直波導(dǎo)變成兩個直角組成的彎曲波導(dǎo)，這樣中間的中間波導(dǎo)可以形成一個F-P腔；并且在中間的中間波導(dǎo)的兩側(cè)增加兩個矩形諧振腔，利用表面等離激元SPP與諧振腔的共振耦合作用，通過調(diào)節(jié)諧振腔的長度，實現(xiàn)等離激元濾波功能；此外，還可以通過調(diào)節(jié)諧振腔與波導(dǎo)的間距、諧振腔的長度以及諧振腔的個數(shù)，來實現(xiàn)濾波和電磁感應(yīng)透明效應(yīng)，并能體現(xiàn)一種特殊的耦合效果。

附圖說明

圖1為一種基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為另一種基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器的濾波特性光譜圖。

圖4為基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器的特殊耦合效應(yīng)光譜圖。

圖5為基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器的電磁感應(yīng)透明光譜圖。

圖中標號為：1、金屬薄膜，2、入射波導(dǎo)，3、中間波導(dǎo)，4、出射波導(dǎo)，5、左諧振腔，6、右諧振腔。

具體實施方式

一種基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器，包括金屬薄膜1、以及開設(shè)在金屬薄膜1上的彎曲波導(dǎo)和諧振腔。在本發(fā)明中，金屬薄膜1為銀膜，彎曲波導(dǎo)和諧振腔內(nèi)填充的介質(zhì)為空氣。

彎曲波導(dǎo)由入射波導(dǎo)2、中間波導(dǎo)3和出射波導(dǎo)4組成。入射波導(dǎo)2、中間波導(dǎo)3和出射波導(dǎo)4均為矩形。入射波導(dǎo)2、中間波導(dǎo)3和出射波導(dǎo)4依次首尾相接。中間波導(dǎo)3的一端與入射波導(dǎo)2的一端相連，形成直角銜接。中間波導(dǎo)3的另一端與出射波導(dǎo)4相連，形成直角銜接。入射波導(dǎo)2的另一端延伸到金屬薄膜1的一側(cè)邊緣形成光的入射口，出射波導(dǎo)4的另一端延伸到金屬薄膜1的另一側(cè)邊緣形成光的出射口。入射波導(dǎo)2與出射波導(dǎo)4平行，在本發(fā)明中，入射波導(dǎo)2與出射波導(dǎo)4沿著水平方向延伸。中間波導(dǎo)3同時垂直于入射波導(dǎo)2和出射波導(dǎo)4，在本發(fā)明中，中間波導(dǎo)3沿著豎直方向延伸。平面光由左邊入射波導(dǎo)2水平入射，經(jīng)中間波導(dǎo)3，在金屬薄膜1的右邊出射波導(dǎo)4透射光出射。當平面光由介質(zhì)左邊水平入射時，金屬膜表面激發(fā)的表面等離激元通過隧道效應(yīng)穿越到出射波導(dǎo)4，與兩個直角組成的彎曲波導(dǎo)的局域表面等離激元發(fā)生共振耦合，形成一個強大的局域電磁場，并與諧振腔發(fā)生耦合，使得濾波器體現(xiàn)出濾波功能。中間中間波導(dǎo)3的寬度也會對耦合效果有一定的影響。

在本發(fā)明中，入射波導(dǎo)2的寬度與出射波導(dǎo)4的寬度相等，即W1＝W3。中間波導(dǎo)3的寬度大于等于入射波導(dǎo)2的寬度及出射波導(dǎo)4的寬度，即W2≥W1＝W3。中間波導(dǎo)3位于金屬薄膜1的正中間，入射波導(dǎo)2的長度與出射波導(dǎo)4的長度相等。中間波導(dǎo)3的長度介于400nm～600nm之間。中間波導(dǎo)3的寬度介于70nm～200nm之間。

諧振腔的個數(shù)為1個或2個。上述諧振腔均為矩形，且諧振腔均與中間波導(dǎo)3平行。參見圖1，當諧振腔的個數(shù)為1個時，該諧振腔位于中間波導(dǎo)3的其中一側(cè)，即諧振腔位于中間波導(dǎo)3的左側(cè)或右側(cè)。當有1個諧振腔時，通過調(diào)節(jié)諧振腔的長度，則本發(fā)明實現(xiàn)濾波功能。參見圖2，當諧振腔的個數(shù)為2個時，2個諧振腔分別位于中間波導(dǎo)3的兩側(cè)，即諧振腔同時位于中間波導(dǎo)3的左側(cè)和右側(cè)。當有2個諧振腔同時存在時，通過調(diào)節(jié)兩邊諧振腔長度，則本發(fā)明出現(xiàn)電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象。當調(diào)節(jié)左諧振腔5與入射波導(dǎo)2和中間波導(dǎo)3的間距或者調(diào)節(jié)右諧振腔6與出射波導(dǎo)4和中間波導(dǎo)3的間距時，則本發(fā)明會體現(xiàn)出一種特殊的耦合現(xiàn)象。

在本發(fā)明中，諧振腔的寬度均等于入射波導(dǎo)2的寬度及出射波導(dǎo)4的寬度，即W4＝W5＝W1＝W3。中間波導(dǎo)3的上的虛線是中間波導(dǎo)3的中線，平分W2。當諧振腔位于入射波導(dǎo)2一側(cè)時，諧振腔與入射波導(dǎo)2之間的間距介于8nm～35nm之間，且諧振腔與中間波導(dǎo)3之間的間距介于5nm～250nm之間。當諧振腔位于出射波導(dǎo)4一側(cè)時，諧振腔與出射波導(dǎo)4之間的間距介于5nm～15nm之間，且諧振腔與中間波導(dǎo)3之間的間距介于80nm～300nm之間。

在實際使用時，本基于微腔耦合結(jié)構(gòu)的等離子體彎曲波導(dǎo)濾波器一般覆于一介質(zhì)基底上，該介質(zhì)基底可以為硅(Si)或二氧化硅(SiO₂)。本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)諧振腔的長度，諧振腔與入射波導(dǎo)2和中間波導(dǎo)3的間距以及中間波導(dǎo)3的寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可體現(xiàn)不同的性質(zhì)，體現(xiàn)不同的功能。

下面結(jié)合附圖，通過具體實例來對本發(fā)明進行進一步說明：

金屬薄膜1的長L＝2.4um，寬W0＝2um。入射波導(dǎo)2的寬W1＝100nm，長L1＝1.2um。出射波導(dǎo)4的寬W3＝100nm，長L2＝1.2um。中間波導(dǎo)3的寬W2＝110nm，長h2＝510nm；

(1)在中間波導(dǎo)3的左側(cè)加入左諧振腔5，如圖1所示。先令左諧振腔5與入射波導(dǎo)2的距離a1固定為12nm，左諧振腔5與中間波導(dǎo)3的距離a2固定為112nm。再通過調(diào)節(jié)左諧振腔5的長度h1，即可實現(xiàn)濾波，如讓h1分別為270nm，290nm，310nm，330nm，即可得到如圖3所示的濾波曲線圖。

(2)由于該濾波器結(jié)構(gòu)彎曲，左諧振腔5與入射波導(dǎo)2距離很近，已然發(fā)生耦合。當左諧振腔5向右不斷靠近時，會同時與中間波導(dǎo)3發(fā)生耦合效應(yīng)。此時，就出現(xiàn)了一個特殊的耦合效應(yīng)。先令左諧振腔5的長度h1為390nm，左諧振腔5的寬度W4為100nm；左諧振腔5與入射波導(dǎo)2的距離a1為18nm。再通過改變左諧振腔5與中間波導(dǎo)3的距離a2，即可實現(xiàn)特殊的耦合效應(yīng)，如讓左諧振腔5與中間波導(dǎo)3的距離a2分別為100nm，50nm，15nm，8nm，即得到如圖4所示的耦合曲線圖。

(3)當在中間波導(dǎo)3的左右兩側(cè)分別加入左諧振腔5和右諧振腔6，如圖2所示。先令左諧振腔5的寬度W4為100nm，右諧振腔6的寬度W5為100nm；左諧振腔5與中間波導(dǎo)3的距離a2為112nm，左諧振腔5與入射波導(dǎo)2的距離a1為12nm；右諧振腔6與中間波導(dǎo)3的距離a3為100nm，右諧振腔6與出射波導(dǎo)4的距離a4為6nm；右諧振腔6的長度h3為344nm。再通過改變左諧振腔5的長度h1，即可得到電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象，如讓左諧振腔5的長度h1分別為360nm，320nm，即可得到圖5所示的電磁感應(yīng)透明的曲線。