MIM型表面等離子體濾波器的透射信道性能優(yōu)化研究.pdf

1、表面等離子體(Surface plasmons，SPs)是局域在金屬-絕緣介質(zhì)界面的一種特殊電磁場形式，它沿著金屬表面?zhèn)鞑?、且垂直于界面向兩?cè)指數(shù)衰減。由于它獨(dú)特的表面?zhèn)鞑ヌ匦?，基于SPs的金屬納米結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒐饩窒拊趤啿ㄩL尺度內(nèi)，因此被認(rèn)為在未來納米集成光子回路或器件中具有重要應(yīng)用。
　　目前，人們已經(jīng)利用各種形狀的金屬結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)SPs波導(dǎo)，包括金屬-絕緣體-金屬(metal-insulator-metal，MIM)波導(dǎo)、金屬棒、

2、V型槽以及楔型結(jié)構(gòu)等。其中，MIM波導(dǎo)相對于其它波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢:它能夠把表面等離子體波束縛在更小的范圍內(nèi)，有利于實(shí)現(xiàn)更高集成度的光子線路;結(jié)構(gòu)簡單，便于制作加工。因此近年來，MIM型波導(dǎo)及器件的研制得到了廣泛關(guān)注。本論文正是針對目前MIM型表面等離子體濾波器在信道3dB帶寬，信道對比度和信道平坦度方面性能不足，開展了性能優(yōu)化研究。
　　首先從單信道MIM型表面等離子體濾波器結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了兩種設(shè)計(jì)方案，能夠在常用通信波

3、段(1.3或1.55μm)獲得窄帶信道。其一，設(shè)計(jì)了一種雙節(jié)MIM結(jié)構(gòu)表面等離子體窄帶光學(xué)濾波器。該濾波器有兩塊金屬夾層，兩夾層之間由一塊金屬薄膜分隔的兩節(jié)絕緣介質(zhì)層組成;每節(jié)絕緣介質(zhì)層包含結(jié)構(gòu)一致的4個周期，每個周期由一個高折射率絕緣介質(zhì)和一個低折射率絕緣介質(zhì)構(gòu)成。利用有限時域差分法(Finite-difference time-domain, FDTD)對其進(jìn)行數(shù)值仿真，在1.3μm波長處獲得3dB信道帶寬為9.2nm的窄帶透射峰，

4、其峰-谷對比度為37.2 dB。其二，將常規(guī)光纖光柵中相移概念移植到MIM型濾波器設(shè)計(jì)中，通過在MIM波導(dǎo)絕緣層內(nèi)引入單個或多個相移結(jié)構(gòu)，可以在其表面等離子體帶隙中獲得相應(yīng)的單個或多個透射信道。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)多個相移結(jié)構(gòu)的分布間距，能夠在該表面等離子體濾波器中獲得單個超窄帶信道或者多個平坦度良好的梳狀信道，從而可以設(shè)計(jì)成單信道窄帶濾波器或者平坦多信道濾波器。
　　進(jìn)而，在多信道MIM型表面等離子體濾波器方面，為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的

5、多信道平坦度，設(shè)計(jì)了一種MIM型表面等離子體平坦多信道濾波器:該濾波器結(jié)構(gòu)由兩塊金屬夾層、以及金屬夾層之間兩種不同折射率絕緣介質(zhì)層交替排列的N個周期組成;所述的N個周期結(jié)構(gòu)一致，由K個子周期構(gòu)成，每個子周期包含一個高折射率絕緣介質(zhì)層和一個低折射率絕緣介質(zhì)層，第N個周期內(nèi)第K個子周期缺省一個低折射率絕緣介質(zhì)層，其中N、K為正整數(shù)。數(shù)值仿真結(jié)果顯示:在1-2μm波長范圍內(nèi)獲得了14個平坦的梳狀信道，有效改善了信道平坦度(僅為±0.2dB)，