[发明专利]基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器

说明书

本发明公开了基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器。在本发明实例中，金属薄膜采用金属银材料制成，整体为矩形的金属薄膜，主要包括金属膜以及开设在金属膜上的矩形阵列结构。该矩形腔阵列由入射波导、中间波导和出射波导组成。谐振腔由单元结构为矩形的阵列构成，每个矩形腔可以形成一个F‑P腔。通过调控矩形个数n、波导的宽度W、矩形腔的长度L等几何参数，实现对光波进行一个或者多个不同波长的光波滤波，和阻带宽度的有效调节。对比与其他结构的SPPs滤波器而言，这个结构拥有着更简洁的工艺以及较小的能量损耗，可以作为简单的光学设备应用于高集成的光电集成电路中。

(一)技术领域

本发明涉及微纳光电子技术领域，具体涉及一种基于MIM矩形腔阵列结构的表面等离子体滤波器。

(二)背景技术

表面等离子激元(SPPs，Surface Plasmon polaritons)是金属表面自由电子和光子相互耦合而形成的一种沿介质—金属表面传播的倏逝波。是具有相同共振频率的光波与金属中的自由电子之间相互作用产生的一种集体振荡。由于衍射极限，器件尺寸受限于波长量级，传统光学无法满足集成光学的需求，微纳光学器件在高度集成的光电路中具有广阔的应用前景，通过改变其金属表面的形貌结构，从而在亚波长尺度上实现对光传播的主动操控，实现各种传统电子器件功能，为集成光学的微型化提供了潜力。

随着纳米技术的逐渐成熟和表面等离子激元理论的逐渐完善，表面等离子体光子学成为了纳米光子学的一门重要学科，其已经进入了高速发展时期，掀起了人们对利用表面等离子激元制备纳米尺寸光学器件的关注。随着研究工作的深入，科学家们将把光电子器件细分出多个分支点，其在性能器件上的分类越来越多，如逻辑门器件，分束器、传感器、光放大器、藕合器、调制器和滤波器等，其在各领域中发挥了越来越重要作用。

目前，基于MIM结构SPPs的光学功能器件已经在理论和实验研究方面取得了突破，其中滤波器技术在微纳集成光学器件发展中至关重要。例如，Xian-Shi Lin等人(OPTICSLETTERS/Vol.33,No.23/December 1,2008)设计的锯齿形波导结构，该结构具有简单，阻带可调等优点，但阻带带宽较窄和损耗较高，使得其应用会受到一定的限制。Xi Gao 等人(APPLIED PHYSICS LETTERS 104,191603 2014)设计了光栅波导结构的滤波器，该滤波器具有低损耗、宽频带、高频率等优良的滤波特性，但在阻带内透射率较高，且无法使用在可见光和近红外波段。因此，基于以上分析，为了克服损耗较大以及完善透射率大小的功能，本发明提出了一种基于MIM矩形腔阵列结构表面等离子体滤波器。

(三)发明内容

本发明针对传统的滤波器及表面等离子光学滤波器能量损耗高、结构复杂，从而导致其应用范围有限的问题提供基于表面等离激元的矩形腔阵列结构滤波器的设计,其能够实现不同特性和功能。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于矩形腔阵列结构的低损耗等离子体滤波器，其结构由上下金属膜和矩形腔结构单元组成。金属膜上开设多个相同的矩形腔结构单元，这些相同的矩形腔将形成F-P腔将对入射波进行多次谐振，从而实现优良的滤波效果。这些矩形结构单元内部均填满了介质，既形成银—空气—银对称结构的滤波器。该滤波器结构简单，易于制作，滤波损耗低，阻带透射率低且平坦，带宽较宽。

上述方案中，金属膜的材料为银。

上述方案中，上述方案中,金属膜的厚度符合工作条件即可,为了获得良好滤波效果, 金属膜厚度为100nm。

上述方案中，上述方案中,金属膜上纳米狭缝结构单元内部填充介质为空气。

上述方案中，金属膜间波导内通道长度为300nm，宽度W范围为70nm～130nm。

上述方案中，金属膜间波导外通道宽度为200nm，长度L范围为232nm～322nm。