[发明专利]一种表面等离激元光波导滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及光滤波器件，更具体地，涉及一种表面等离激元光波导滤波器。

背景技术

近几年来电子集成线（回）路(IC)的尺寸按照摩尔定律所预期的速度迅速减少，其单元器件已在实验室实现了数十纳米量级尺度的突破。由于受到电子固有的荷电性、带宽、热耗和热电串扰等物理限制，电子IC的尺寸与集成度几乎到了其理论极限值因而难以进一步突破。与此相反地，光子集成线路在理论上完全不受这些因素的制约，并具有电子IC无法比拟的极高的带宽和响应速度、高抗扰性等优异性能。但作为基本组成元素的光波导，光子集成线路单元器件的大小一般在数十至数千波长的尺度范围，其横向尺寸至今仍被限制在光波长的量级而不能发挥其潜力。为了突破这一波长极限，大幅度地减少光子集成线路的尺寸，研制集成度更高、功能更强和功耗更低的光子集成线路或平面集成光器件，研究人员相继提出了高折射率差介质波导（如SOI硅隔离体）和光子晶体等原理和技术。然而，高折射率反差形成的传统介质波导由于在原理上仍受到光衍射极限的限制，对光波模式的束缚被限制在介质的光波长量级。虽然利用光子晶体缺陷态所形成的波导效应可以实现比传统介质波导更强的光束缚能力，但这种结构需要至少数周期长度的光子晶体对光场干涉相消才能形成禁带限制作用，即光子晶体实质上仍然没能摆脱物理光学的波长极限制约，致使光子晶体器件在其横向和纵向方向无法达到亚波长或纳米量级。由于其并行波导隔离间距均须大于波长以确保互不耦合串扰，集成度难以大幅提高。所以，这两类光波导实质上仍没能摆脱物理光学的波长极限制约。因此，如何设计并制作突破衍射极限的各种高集成度、高效率的光通信器件，如波长选择及其它光器件等，是实现纳米光电和全光集成的成败关键所在，也是目前迅速发展的纳米光学领域的一大研究热点。

解决上述问题的主要途径是利用表面等离子体的自身特性。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是局域在金属表面的一种自由电子与光子相互作用形成的混合激发态。SPPs金属波导的突出特点之一就是具有将电磁场能量聚集在纳米尺度范围的能力，在金属内具有极短（纳米级）的穿透深度，打破光学器件波长极限的限制，被认为是最有希望的纳米集成光学器件的载体，且表面等离子体激元既具有电子学的尺度又具有光子学的速度，在纳米集成光学与器件方面有着极大的应用潜力，金属结构光波导器件也由此在纳米光子器件占有显著位置。SPPs研究已在纳米金属小孔阵列结构透射增强、纳米光学成像、纳米光刻和高灵敏生化传感等其它领域获得了激动人心的结果，但在光波传输、光信息处理尤其是具有可控功能的纳米光电子器件等方面的进展十分有限，远不能满足研制和开发高功能纳米集成光电子器件的应用要求。可见，开展有关表面等离子体激元的纳米（类）金属-介质-（类）金属集成光波导器件研究，特别是纳米高效波长选择，无论是对于深入认识纳米（类）金属-介质微结构的表面等离子体激元激发及其与光子相互作用的规律、促进纳米波导光学理论和纳米光子学学科的发展，对于突破目前国际上已有的SPPs元器件被动不可调的制约、研制纳米新型光滤波器等光通信关键功能器件，对于推动纳米固定和可调滤波器、波长路由开关等其它波长调制的纳米SPPs光电器件的发展，还是对于设计新型纳米光波导结构、研制下一代纳米平面集成光电子器件，均有促进作用。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷（不足），提供一种尺寸小、易于高密度光集成的表面等离激元光波导滤波器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种表面等离激元光波导滤波器，包括金属波导，在金属波导中设有用于入射和反射光线进出的通道和用于产生谐振波长的共振腔，通道和共振腔内填充有电介质，通道和共振腔之间设有用于阻碍光波进出的金属间隙。

外部的宽带入射光波通过耦合器耦合进入本发明的通道，并在通道中的电介质与金属波导中的金属交界面形成表面等离子波，等离子波沿着通道传输，部分光波透过金属间隙进入共振腔。在共振腔中，由于金属波导中金属的高反射作用，光波在腔内来回反射，符合共振波长的光波在腔内形成驻波，而其余波长的光波透过金属间隙，重新回到通道，并通过另一个耦合器将光波耦合出去，最终实现了窄带滤波功能。

在一种优选方案中，所述电介质为空气。采用空气作为电介质，获取方法简单方便，制作成本低。

在另一种优选方案中，所述金属波导为银薄膜。

在另一种优选方案中，所述共振腔为矩形腔。

在另一种优选方案中，通道的波导宽度为30至70nm。