一種表面等離激元光波導濾波器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及光濾波器件，更具體地，涉及一種表面等離激元光波導濾波器。其包括金屬波導，在金屬波導中設有用于入射和反射光線進出的通道和用于產生諧振波長的共振腔，通道和共振腔內填充有電介質，通道和共振腔之間設有用于阻礙光波進出的金屬間隙。本實用新型是在金屬波導上構造出一個亞波長的濾波器，其結構簡單，尺寸小，只有幾百納米，易于高密度的光集成，且其高性能的窄帶濾波有助于研制應用于光通信的光開關。而且，本實用新型濾波的波長可以通過共振腔的幾何尺寸或腔內不同折射率的電介質來調節，也就是說通過制造不同幾何尺寸的器件或者在器件上填充不同折射率的電介質就可以實現對任何波長的濾波，大大提高了器件的應用范圍。
【專利說明】一種表面等離激元光波導濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及光濾波器件，更具體地，涉及一種表面等離激元光波導濾波器。
【背景技術】
[0002]近幾年來電子集成線(回)路(IC)的尺寸按照摩爾定律所預期的速度迅速減少，其單元器件已在實驗室實現了數十納米量級尺度的突破。由于受到電子固有的荷電性、帶寬、熱耗和熱電串擾等物理限制，電子IC的尺寸與集成度幾乎到了其理論極限值因而難以進一步突破。與此相反地，光子集成線路在理論上完全不受這些因素的制約，并具有電子IC無法比擬的極高的帶寬和響應速度、高抗擾性等優異性能。但作為基本組成元素的光波導，光子集成線路單元器件的大小一般在數十至數千波長的尺度范圍，其橫向尺寸至今仍被限制在光波長的量級而不能發揮其潛力。為了突破這一波長極限，大幅度地減少光子集成線路的尺寸，研制集成度更高、功能更強和功耗更低的光子集成線路或平面集成光器件，研究人員相繼提出了高折射率差介質波導(如SOI硅隔離體)和光子晶體等原理和技術。然而，高折射率反差形成的傳統介質波導由于在原理上仍受到光衍射極限的限制，對光波模式的束縛被限制在介質的光波長量級。雖然利用光子晶體缺陷態所形成的波導效應可以實現比傳統介質波導更強的光束縛能力，但這種結構需要至少數周期長度的光子晶體對光場干涉相消才能形成禁帶限制作用，即光子晶體實質上仍然沒能擺脫物理光學的波長極限制約，致使光子晶體器件在其橫向和縱向方向無法達到亞波長或納米量級。由于其并行波導隔離間距均須大于波長以確保互不耦合串擾，集成度難以大幅提高。所以，這兩類光波導實質上仍沒能擺脫物理光學的波長極限制約。因此，如何設計并制作突破衍射極限的各種高集成度、高效率的光通信器件，如波長選擇及其它光器件等，是實現納米光電和全光集成的成敗關鍵所在，也是目前迅速發展的納米光學領域的一大研究熱點。
[0003]解決上述問題的主要途徑是利用表面等離子體的自身特性。表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是局域在金屬表面的一種自由電子與光子相互作用形成的混合激發態。SPPs金屬波導的突出特點之一就是具有將電磁場能量聚集在納米尺度范圍的能力，在金屬內具有極短(納米級)的穿透深度，打破光學器件波長極限的限制，被認為是最有希望的納米集成光學器件的載體，且表面等離子體激元既具有電子學的尺度又具有光子學的速度，在納米集成光學與器件方面有著極大的應用潛力，金屬結構光波導器件也由此在納米光子器件占有顯著位置。SPPs研究已在納米金屬小孔陣列結構透射增強、納米光學成像、納米光刻和高靈敏生化傳感等其它領域獲得了激動人心的結果，但在光波傳輸、光信息處理尤其是具有可控功能的納米光電子器件等方面的進展十分有限，遠不能滿足研制和開發高功能納米集成光電子器件的應用要求。可見，開展有關表面等離子體激元的納米(類)金屬-介質-(類)金屬集成光波導器件研究，特別是納米高效波長選擇，無論是對于深入認識納米(類)金屬-介質微結構的表面等離子體激元激發及其與光子相互作用的規律、促進納米波導光學理論和納米光子學學科的發展，對于突破目前國際上已有的SPPs元器件被動不可調的制約、研制納米新型光濾波器等光通信關鍵功能器件，對于推動納米固定和可調濾波器、波長路由開關等其它波長調制的納米SPPs光電器件的發展，還是對于設計新型納米光波導結構、研制下一代納米平面集成光電子器件，均有促進作用。
實用新型內容
[0004]本實用新型為克服上述現有技術所述的至少一種缺陷(不足)，提供一種尺寸小、易于高密度光集成的表面等離激元光波導濾波器。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型的技術方案如下:
[0006]一種表面等離激元光波導濾波器，包括金屬波導，在金屬波導中設有用于入射和反射光線進出的通道和用于產生諧振波長的共振腔，通道和共振腔內填充有電介質，通道和共振腔之間設有用于阻礙光波進出的金屬間隙。
[0007]外部的寬帶入射光波通過耦合器耦合進入本實用新型的通道，并在通道中的電介質與金屬波導中的金屬交界面形成表面等離子波，等離子波沿著通道傳輸，部分光波透過金屬間隙進入共振腔。在共振腔中，由于金屬波導中金屬的高反射作用，光波在腔內來回反射，符合共振波長的光波在腔內形成駐波，而其余波長的光波透過金屬間隙，重新回到通道，并通過另一個耦合器將光波耦合出去，最終實現了窄帶濾波功能。
[0008]在一種優選方案中，所述電介質為空氣。米用空氣作為電介質，獲取方法簡單方便，制作成本低。
[0009]在另一種優選方案中，所述金屬波導為銀薄膜。
[0010]在另一種優選方案中，所述共振腔為矩形腔。
[0011]在另一種優選方案中，通道的波導寬度為30nm至70nm。
[0012]在進一步的方案中，通道的波導寬度為50nm。
[0013]在另一種優選方案中，金屬間隙為銀結構。
[0014]在進一步的方案中，金屬間隙的寬度為10nm-50nm。
[0015]在更進一步的方案中，金屬間隙的寬度為20nm。
[0016]在另一種優選方案中，共振腔的長度為360nm-500nm,寬度為40nm_100nm。
[0017]與現有技術相比，本實用新型技術方案的有益效果是:
[0018]本實用新型是在金屬波導上構造出一個亞波長的濾波器，其結構簡單，尺寸小，只有幾百納米，易于高密度的光集成，且其高性能的窄帶濾波有助于研制應用于光通信的光開關。而且，本實用新型濾波的波長可以通過共振腔的幾何尺寸或腔內不同折射率的電介質來調節，也就是說通過制造不同幾何尺寸的器件或者在器件上填充不同折射率的電介質就可以實現對任何波長的濾波，大大提高了器件的應用范圍。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為本實用新型一種表面等離激元光波導濾波器具體實施例的立體結構圖。
[0020]圖2為本實用新型一種表面等離激元光波導濾波器具體實施例的俯視示意圖。
[0021]圖3為本實用新型一種表面等離激元光波導濾波器具體實施例中一種實例的反射譜圖。
【具體實施方式】[0022]附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0023]為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產品的尺寸；
[0024]對于本領域技術人員來說，附圖中某些公知結構及其說明可能省略是可以理解的。
[0025]在本實用新型的描述中，需要理解的是術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或隱含所指示的技術特征的數量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隱含地包括一個或者更多個該特征。在本實用新型的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。
[0026]在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以是通過中間媒介間接連接，可以說兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型的具體含義。
[0027]下面結合附圖和實施例對本實用新型的技術方案做進一步的說明。
[0028]實施例1
[0029]如圖1和2所示，為本實用新型一種表面等離激元光波導濾波器具體實施例的結構示意圖。參見如圖1，本具體實施例的一種表面等離激元光波導濾波器，包括金屬波導1，在金屬波導I中設有用于入射和反射光線進出的通道2和用于產生諧振波長的共振腔3，通道2和共振腔3內填充有電介質，通道2和共振腔3之間設有用于阻礙光波進出的金屬間隙4。
[0030]外部的寬帶入射光波通過耦合器耦合進入本具體實施例的通道2，并在通道2中的電介質與金屬波導I中的金屬交界面形成表面等離子波，等離子波沿著通道2傳輸，部分光波透過金屬間隙4進入共振腔3。在共振腔3中，由于金屬波導I中金屬的高反射作用，光波在腔內來回反射，符合共振波長的光波在腔內形成駐波，而其余波長的光波透過金屬間隙4，重新回到通道2，并通過另一個耦合器將光波耦合出去，最終實現了窄帶濾波功能。
[0031]在具體實施過程中，所述金屬波導I可以采用銀薄膜實現。此外，金屬波導I也可以采用其他金屬介質實現，在此不一一列舉。
[0032]在具體實施過程中，電介質可以直接采用空氣。空氣能自動填進去，方便獲取方法簡單方便，制作成本低。此外，電介質也可以為其他就絕緣介質，而且通道和共振腔體中的電介質可以相同也可以不同。
[0033]在具體實施過程中，共振腔3可以通過電子束光刻或者聚焦離子束的方法在金屬波導上雕刻形成。一般地，共振腔3采用矩形腔結構。其長度一般設計為360nm-500nm，寬度為40nm-100nm,優選地,其長度為380nm,寬度為60nm。
[0034]在具體實施過程中，通道2可以通過電子束光刻或者聚焦離子束的方法在金屬波導上雕刻形成。其波導寬度為30nm至70nm。優選地，通道的波導寬度為50nm。
[0035]在具體實施過程中，金屬間隙4的設置在于形成一面反射鏡，其可以為銀結構。其寬度一般設計為10nm-50nm,優選地為20nm。
[0036]如圖3所示，為本具體實施例中共振腔3的腔長為380nm，腔寬為60nm，金屬間隙寬為20nm，通道寬為50nm時的反射譜圖。
[0037]光波只能以消逝波形式滲入金屬里面，且因此在電介質(如空氣)和金屬的界面處幾乎完全被反射回來。本具體實施例的濾波器提出具有兩高反射金屬端面的短波導部分，用于構造出具有支持駐波的共振腔3。如圖1所示，電介質假定為折射率等于I的空氣。金屬波導I周圍由金屬銀覆蓋。當入射光波從金屬波導I的左邊沿著直波導傳輸時，部分光波會進入到共振腔3里。在共振腔3里面，前向和后向的光波在共振腔3的兩個空氣-銀界面幾乎完全被反射。而部分光將會進入左邊的直波導。顯然，這個結構是一個共振腔結構，當納米級的共振腔3里滿足某些適當的條件時，駐波就可以形成。定義Δφ為光在共振
腔3里每一圈的相位延遲，得到Λ Φ =4 π neffL/ λ + Φ ρ其中灼=奶+ '這里φ?和權分別
是光束在共振腔3的兩端因反射引起的附加相移，而L是共振腔3的長度，nrff為波導的有
效折射率。基于共振腔原理，當共振條件滿足= ，可以建立穩定的駐波，這里正整數
m為等離子駐波的波腹數。基于法珀里共振腔的光學理論和等離子模的有效折射率，腔的共振波長可以被推導出:
[0038]λ m=2neffL/ (m_ Φ r/2 π ).[0039]從公式,可以知道共振波長λ m與長度L和波導的有效折射率!!砠成正比。因為有效折射率與波導的寬度成類反比的關系，所以共振波長也和波導的寬度成類反比關系。作為一個腔，其有效折 射率也與腔的耦合強度有關。故有效折射率與兩波導中的金屬間隙4有一定的關系，同理，共振波長也與金屬間隙4有一定的關系。實現一個任意波長濾波的直接方法是選擇一個適合的長度L。而波導的寬度w支配著波導模的有效折射率，因此也影響著共振波長。所以，可以通過選取共振腔3的長度和/或寬度去實現所需要的任意波長的窄帶濾波功能。對于一個共振波長，其所需的最小腔長為L=X /(2rwf)。
[0040]本實用新型的濾波器可以降低使用本振信號源的頻率，降低誤碼率，提高系統性能的光纖無線傳輸系統，尺寸在亞波長級別，可以應用于高集成的納米光子回路。
[0041]相同或相似的標號對應相同或相似的部件；
[0042]附圖中描述位置關系的用于僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；
[0043]顯然，本實用新型的上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實用新型的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型權利要求的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，包括金屬波導，在金屬波導中設有用于入射和反射光線進出的通道和用于產生諧振波長的共振腔，通道和共振腔內填充有電介質，通道和共振腔之間設有用于阻礙光波進出的金屬間隙。
2.根據權利要求1所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，所述電介質為空氣。
3.根據權利要求1所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，所述金屬波導為銀薄膜。
4.根據權利要求1所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，所述共振腔為矩形腔。
5.根據權利要求1所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，通道的波導寬度為 30 nm 至 70nm。
6.根據權利要求5所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，通道的波導寬度為 50nmo
7.根據權利要求1所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，金屬間隙為銀結構。
8.根據權利要求7所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，金屬間隙的寬度為 10 nm _50nmo
9.根據權利要求8所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，金屬間隙的寬度為 20nm。
10.根據權利要求1-9任一項所述的表面等離激元光波導濾波器，其特征在于，共振腔的長度為360 nm -500nm,寬度為40_100nm。
【文檔編號】G02B6/293GK203616502SQ201320804756
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月9日 優先權日:2013年12月9日
【發明者】黃旭光, 朱家胡, 陶金 申請人:華南師范大學, 中國移動通信集團廣東有限公司中山分公司