内嵌对称扇形金属谐振腔的MIM可调谐等离子体滤波器
发布时间：2021-07-28 03:16
采用有限元方法设计了一种基于金属-电介质-金属（MIM）的内嵌对称扇形金属块的纳米圆形谐振腔滤波器。研究发现,通过改变扇形共振角度、圆形谐振腔半径、耦合距离、共振腔内的介质折射率等主要参数可有效调节该结构的透射特性。该滤波器同时出现两个显著的共振峰,透射率最高可达76%,品质因子最高可达40,能高效实现可调谐双通道带通滤波功能。对结构参量进行调整和优化,相应的谐振波长可分布在近红外波段光纤通信的850 nm和1310 nm通信窗口。该结构为设计光通信领域下一代高性能微纳等离子体滤波器提供了重要的理论依据。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
所提滤波器在X-Y平面的示意图
式中:k为波导中传播的电磁波波数。在MIM结构中由于其对称原因, p=q= ε in ε m ,α c =α s = [ k 0 2 (ε in -ε m )+k ] 1 2 。通过求解波数k,得到有效折射率 n eff = Re (β/k 0 )= [ ε m + (k/k 0 ) 2 ] 1 2 ,由此得到波导中SPP传播的重要参数λspp=λ0/Re (neff)。下述neff表示有效折射率的实部。图2为利用MATLAB软件计算的MIM光波导有效折射率与入射波长和电介质折射率的关系图。当TM0在圆形谐振腔光波导内传播时,发生共振的条件为
当圆形谐振腔半径R=225 nm,波导宽度w=50 nm,波导与圆形谐振腔耦合距离d=10 nm,波导与谐振腔内部填充介质的折射率n=1时,圆形谐振腔内部嵌入与不嵌入两个对称扇形金属块条件下的透射谱如图3(a)所示。结果显示,两种结构的滤波器中均有两个共振峰。为了进一步研究嵌入金属块谐振腔内部共振模式的特性,引入滤波器的品质因子(Q=λres/ωf),其中λres为共振波长,ωf为谐振峰的半峰全宽(FWHM)。共振峰mode 1在无内嵌对称扇形金属块下共振波长为900 nm,透射率为82%,FWHM为45 nm,品质因子为20;在内嵌90°对称扇形金属块下共振波长为1210 nm,透射率为55%,FWHM为40 nm,品质因子为30。共振峰mode 2在无内嵌对称扇形金属块下共振波长为570 nm,透射率为70%,FWHM为70 nm,品质因子为8;在内嵌90°对称扇形金属块下共振波长为850 nm,透射率为35%,FWHM为21 nm,品质因子为40。研究结果表明,与未嵌入对称扇形金属块相比,在嵌入对称扇形金属块条件下,当共振峰mode 1的FWHM减小5 nm时,品质因子增加10;当共振峰mode 2的FWHM减小49 nm时,品质因子增加32,并且这两种共振模式的共振峰谱线都出现了红移现象。图3(b)、(c)和图3(d)、(e)分别展示了两种结构滤波器在两种共振模式下的磁场强度分布。可以看出,在这两种模式下共振腔和狭缝中均存在很强的磁场分布,原因是它们在特定波长下激发SPP产生了耦合效应。因此SPP能够通过狭缝传输到右侧波导,故形成两个透射峰。在谐振腔内嵌入的扇形金属块会束缚谐振腔内的共振电磁波能量,导致当共振条件满足(6)式时其SPP共振波长向长波方向移动。金属块的嵌入使共振腔内损耗增加,从而导致禁带透射率降低,共振峰FWHM变窄。根据品质因子公式可知,由于FWHM减小并且共振波长未发生偏移,品质因子显著提高,从图3(a)可以看出,共振峰具有更加细锐的特征。进一步探讨内嵌对称扇形金属块角度θ,波导与谐振腔之间耦合距离d,圆形谐振腔半径r及介质折射率n对谐振峰波长和透射率的影响。首先探讨θ对滤波器性能的影响,如图4所示。设置R=225 nm,d=10 nm,w=50 nm,θ=45°,60°,75°,90°,105°,120°,135°。如图4(a)所示:随着θ的增大,两个共振模式波长都出现了红移,其中mode 2红移比较明显,mode 1显示出轻微的红移,表明θ在一定波长范围内具有选频作用;随着θ的增加,mode 2的透射率出现了下降的趋势,而mode 1的透射率变动范围很小。mode 1为谐振腔在X方向产生的法布里-珀罗(F-P)共振;mode 2为内嵌金属角度较小时X、Y方向的F-P共振,当内嵌金属块角度增大时,Y方向的共振逐渐截止,导致mode 2的共振峰逐渐降低。图4(b)为不同θ下圆形谐振腔内磁场强度的归一化分布图。内嵌对称扇形金属块后,光波从左侧波导耦合进入圆形谐振腔中,在圆形腔内形成了驻波,光波在腔内振荡,当特定波长满足相干加强的条件时,光在圆形谐振腔内加强后耦合到右侧波导中形成透射峰。以上结果表明,通过控制对称扇形金属块的角度θ可以调节滤波器透射波长的大小,但随着扇形金属块角度θ的增大,谐振腔内的损耗增加,透射率呈下降趋势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元增强的光和物质相互作用[J]. 虞华康,刘伯东,吴婉玲,李志远. 物理学报. 2019(14)
[2]一种新型基于MIM等离子体环形谐振器的可调谐高性能多信道波分解复用器的设计（英文）[J]. 张雪伟,龚韩韩. 红外与毫米波学报. 2019(02)
[3]基于锯齿共振腔耦合金属波导结构的多通道等离子体逻辑门输出光源[J]. 肖功利,徐俊林,杨宏艳,韦清臣,窦婉滢,杨秀华,张开富,杨寓婷,李海鸥,李琦,陈永和,傅涛. 激光与光电子学进展. 2019(12)
[4]基于表面等离子激元的凸环结构金属-介质-金属滤波器设计[J]. 闫云菲,张冠茂,乔利涛,范观平. 光子学报. 2019(02)
[5]基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器[J]. 祁云平,张雪伟,周培阳,胡兵兵,王向贤. 物理学报. 2018(19)
[6]内嵌矩形金属块纳米圆盘结构等离子体多通道波分复用器研究[J]. 肖功利,徐俊林,杨宏艳,韦清臣,窦婉滢,杨秀华,李海鸥,张法碧,孙堂友. 光学学报. 2018(12)
[7]一种半环形表面等离子体光波导滤波器的传输特性研究[J]. 刘霞,田晋平,杨荣草. 量子光学学报. 2017(02)
[8]表面等离激元——机理、应用与展望[J]. 童廉明,徐红星. 物理. 2012(09)
[9]表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应[J]. 顾本源. 物理. 2007(04)
硕士论文
[1]MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究[D]. 王瑞兵.中北大学 2017
[2]基于MIM波导结构的等离子滤波器的研究[D]. 杨韵茹.南京邮电大学 2016
[3]基于SPPs的纳米结构波导传输特性研究[D]. 孙叶华.南京邮电大学 2013
本文编号：3307093
【文章来源】：光学学报. 2020,40(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
所提滤波器在X-Y平面的示意图
式中:k为波导中传播的电磁波波数。在MIM结构中由于其对称原因, p=q= ε in ε m ,α c =α s = [ k 0 2 (ε in -ε m )+k ] 1 2 。通过求解波数k,得到有效折射率 n eff = Re (β/k 0 )= [ ε m + (k/k 0 ) 2 ] 1 2 ,由此得到波导中SPP传播的重要参数λspp=λ0/Re (neff)。下述neff表示有效折射率的实部。图2为利用MATLAB软件计算的MIM光波导有效折射率与入射波长和电介质折射率的关系图。当TM0在圆形谐振腔光波导内传播时,发生共振的条件为
当圆形谐振腔半径R=225 nm,波导宽度w=50 nm,波导与圆形谐振腔耦合距离d=10 nm,波导与谐振腔内部填充介质的折射率n=1时,圆形谐振腔内部嵌入与不嵌入两个对称扇形金属块条件下的透射谱如图3(a)所示。结果显示,两种结构的滤波器中均有两个共振峰。为了进一步研究嵌入金属块谐振腔内部共振模式的特性,引入滤波器的品质因子(Q=λres/ωf),其中λres为共振波长,ωf为谐振峰的半峰全宽(FWHM)。共振峰mode 1在无内嵌对称扇形金属块下共振波长为900 nm,透射率为82%,FWHM为45 nm,品质因子为20;在内嵌90°对称扇形金属块下共振波长为1210 nm,透射率为55%,FWHM为40 nm,品质因子为30。共振峰mode 2在无内嵌对称扇形金属块下共振波长为570 nm,透射率为70%,FWHM为70 nm,品质因子为8;在内嵌90°对称扇形金属块下共振波长为850 nm,透射率为35%,FWHM为21 nm,品质因子为40。研究结果表明,与未嵌入对称扇形金属块相比,在嵌入对称扇形金属块条件下,当共振峰mode 1的FWHM减小5 nm时,品质因子增加10;当共振峰mode 2的FWHM减小49 nm时,品质因子增加32,并且这两种共振模式的共振峰谱线都出现了红移现象。图3(b)、(c)和图3(d)、(e)分别展示了两种结构滤波器在两种共振模式下的磁场强度分布。可以看出,在这两种模式下共振腔和狭缝中均存在很强的磁场分布,原因是它们在特定波长下激发SPP产生了耦合效应。因此SPP能够通过狭缝传输到右侧波导,故形成两个透射峰。在谐振腔内嵌入的扇形金属块会束缚谐振腔内的共振电磁波能量,导致当共振条件满足(6)式时其SPP共振波长向长波方向移动。金属块的嵌入使共振腔内损耗增加,从而导致禁带透射率降低,共振峰FWHM变窄。根据品质因子公式可知,由于FWHM减小并且共振波长未发生偏移,品质因子显著提高,从图3(a)可以看出,共振峰具有更加细锐的特征。进一步探讨内嵌对称扇形金属块角度θ,波导与谐振腔之间耦合距离d,圆形谐振腔半径r及介质折射率n对谐振峰波长和透射率的影响。首先探讨θ对滤波器性能的影响,如图4所示。设置R=225 nm,d=10 nm,w=50 nm,θ=45°,60°,75°,90°,105°,120°,135°。如图4(a)所示:随着θ的增大,两个共振模式波长都出现了红移,其中mode 2红移比较明显,mode 1显示出轻微的红移,表明θ在一定波长范围内具有选频作用;随着θ的增加,mode 2的透射率出现了下降的趋势,而mode 1的透射率变动范围很小。mode 1为谐振腔在X方向产生的法布里-珀罗(F-P)共振;mode 2为内嵌金属角度较小时X、Y方向的F-P共振,当内嵌金属块角度增大时,Y方向的共振逐渐截止,导致mode 2的共振峰逐渐降低。图4(b)为不同θ下圆形谐振腔内磁场强度的归一化分布图。内嵌对称扇形金属块后,光波从左侧波导耦合进入圆形谐振腔中,在圆形腔内形成了驻波,光波在腔内振荡,当特定波长满足相干加强的条件时,光在圆形谐振腔内加强后耦合到右侧波导中形成透射峰。以上结果表明,通过控制对称扇形金属块的角度θ可以调节滤波器透射波长的大小,但随着扇形金属块角度θ的增大,谐振腔内的损耗增加,透射率呈下降趋势。
【参考文献】：
期刊论文
[1]表面等离激元增强的光和物质相互作用[J]. 虞华康,刘伯东,吴婉玲,李志远. 物理学报. 2019(14)
[2]一种新型基于MIM等离子体环形谐振器的可调谐高性能多信道波分解复用器的设计（英文）[J]. 张雪伟,龚韩韩. 红外与毫米波学报. 2019(02)
[3]基于锯齿共振腔耦合金属波导结构的多通道等离子体逻辑门输出光源[J]. 肖功利,徐俊林,杨宏艳,韦清臣,窦婉滢,杨秀华,张开富,杨寓婷,李海鸥,李琦,陈永和,傅涛. 激光与光电子学进展. 2019(12)
[4]基于表面等离子激元的凸环结构金属-介质-金属滤波器设计[J]. 闫云菲,张冠茂,乔利涛,范观平. 光子学报. 2019(02)
[5]基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器[J]. 祁云平,张雪伟,周培阳,胡兵兵,王向贤. 物理学报. 2018(19)
[6]内嵌矩形金属块纳米圆盘结构等离子体多通道波分复用器研究[J]. 肖功利,徐俊林,杨宏艳,韦清臣,窦婉滢,杨秀华,李海鸥,张法碧,孙堂友. 光学学报. 2018(12)
[7]一种半环形表面等离子体光波导滤波器的传输特性研究[J]. 刘霞,田晋平,杨荣草. 量子光学学报. 2017(02)
[8]表面等离激元——机理、应用与展望[J]. 童廉明,徐红星. 物理. 2012(09)
[9]表面等离子体亚波长光学原理和新颖效应[J]. 顾本源. 物理. 2007(04)
硕士论文
[1]MIM波导耦合谐振腔系统中Fano共振效应及其传感特性研究[D]. 王瑞兵.中北大学 2017
[2]基于MIM波导结构的等离子滤波器的研究[D]. 杨韵茹.南京邮电大学 2016
[3]基于SPPs的纳米结构波导传输特性研究[D]. 孙叶华.南京邮电大学 2013
本文编号：3307093
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