發(fā)布時間：2021-07-28 03:16

　　采用有限元方法設(shè)計了一種基于金屬-電介質(zhì)-金屬（MIM）的內(nèi)嵌對稱扇形金屬塊的納米圓形諧振腔濾波器。研究發(fā)現(xiàn),通過改變扇形共振角度、圓形諧振腔半徑、耦合距離、共振腔內(nèi)的介質(zhì)折射率等主要參數(shù)可有效調(diào)節(jié)該結(jié)構(gòu)的透射特性。該濾波器同時出現(xiàn)兩個顯著的共振峰,透射率最高可達(dá)76%,品質(zhì)因子最高可達(dá)40,能高效實現(xiàn)可調(diào)諧雙通道帶通濾波功能。對結(jié)構(gòu)參量進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,相應(yīng)的諧振波長可分布在近紅外波段光纖通信的850 nm和1310 nm通信窗口。該結(jié)構(gòu)為設(shè)計光通信領(lǐng)域下一代高性能微納等離子體濾波器提供了重要的理論依據(jù)。 

【文章來源】：光學(xué)學(xué)報. 2020,40(11)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

所提濾波器在X-Y平面的示意圖

式中:k為波導(dǎo)中傳播的電磁波波數(shù)。在MIM結(jié)構(gòu)中由于其對稱原因, p=q= ε in ε m ,α c =α s = [ k 0 2 (ε in -ε m )+k ] 1 2 。通過求解波數(shù)k,得到有效折射率 n eff = Re (β/k 0 )= [ ε m + (k/k 0 ) 2 ] 1 2 ,由此得到波導(dǎo)中SPP傳播的重要參數(shù)λspp=λ0/Re (neff)。下述neff表示有效折射率的實部。圖2為利用MATLAB軟件計算的MIM光波導(dǎo)有效折射率與入射波長和電介質(zhì)折射率的關(guān)系圖。當(dāng)TM0在圓形諧振腔光波導(dǎo)內(nèi)傳播時,發(fā)生共振的條件為

當(dāng)圓形諧振腔半徑R=225 nm,波導(dǎo)寬度w=50 nm,波導(dǎo)與圓形諧振腔耦合距離d=10 nm,波導(dǎo)與諧振腔內(nèi)部填充介質(zhì)的折射率n=1時,圓形諧振腔內(nèi)部嵌入與不嵌入兩個對稱扇形金屬塊條件下的透射譜如圖3(a)所示。結(jié)果顯示,兩種結(jié)構(gòu)的濾波器中均有兩個共振峰。為了進(jìn)一步研究嵌入金屬塊諧振腔內(nèi)部共振模式的特性,引入濾波器的品質(zhì)因子(Q=λres/ωf),其中λres為共振波長,ωf為諧振峰的半峰全寬(FWHM)。共振峰mode 1在無內(nèi)嵌對稱扇形金屬塊下共振波長為900 nm,透射率為82%,FWHM為45 nm,品質(zhì)因子為20;在內(nèi)嵌90°對稱扇形金屬塊下共振波長為1210 nm,透射率為55%,FWHM為40 nm,品質(zhì)因子為30。共振峰mode 2在無內(nèi)嵌對稱扇形金屬塊下共振波長為570 nm,透射率為70%,FWHM為70 nm,品質(zhì)因子為8;在內(nèi)嵌90°對稱扇形金屬塊下共振波長為850 nm,透射率為35%,FWHM為21 nm,品質(zhì)因子為40。研究結(jié)果表明,與未嵌入對稱扇形金屬塊相比,在嵌入對稱扇形金屬塊條件下,當(dāng)共振峰mode 1的FWHM減小5 nm時,品質(zhì)因子增加10;當(dāng)共振峰mode 2的FWHM減小49 nm時,品質(zhì)因子增加32,并且這兩種共振模式的共振峰譜線都出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象。圖3(b)、(c)和圖3(d)、(e)分別展示了兩種結(jié)構(gòu)濾波器在兩種共振模式下的磁場強(qiáng)度分布�？梢钥闯�,在這兩種模式下共振腔和狹縫中均存在很強(qiáng)的磁場分布,原因是它們在特定波長下激發(fā)SPP產(chǎn)生了耦合效應(yīng)。因此SPP能夠通過狹縫傳輸?shù)接覀?cè)波導(dǎo),故形成兩個透射峰。在諧振腔內(nèi)嵌入的扇形金屬塊會束縛諧振腔內(nèi)的共振電磁波能量,導(dǎo)致當(dāng)共振條件滿足(6)式時其SPP共振波長向長波方向移動。金屬塊的嵌入使共振腔內(nèi)損耗增加,從而導(dǎo)致禁帶透射率降低,共振峰FWHM變窄。根據(jù)品質(zhì)因子公式可知,由于FWHM減小并且共振波長未發(fā)生偏移,品質(zhì)因子顯著提高,從圖3(a)可以看出,共振峰具有更加細(xì)銳的特征。進(jìn)一步探討內(nèi)嵌對稱扇形金屬塊角度θ,波導(dǎo)與諧振腔之間耦合距離d,圓形諧振腔半徑r及介質(zhì)折射率n對諧振峰波長和透射率的影響。首先探討θ對濾波器性能的影響,如圖4所示。設(shè)置R=225 nm,d=10 nm,w=50 nm,θ=45°,60°,75°,90°,105°,120°,135°。如圖4(a)所示:隨著θ的增大,兩個共振模式波長都出現(xiàn)了紅移,其中mode 2紅移比較明顯,mode 1顯示出輕微的紅移,表明θ在一定波長范圍內(nèi)具有選頻作用;隨著θ的增加,mode 2的透射率出現(xiàn)了下降的趨勢,而mode 1的透射率變動范圍很小。mode 1為諧振腔在X方向產(chǎn)生的法布里-珀羅(F-P)共振;mode 2為內(nèi)嵌金屬角度較小時X、Y方向的F-P共振,當(dāng)內(nèi)嵌金屬塊角度增大時,Y方向的共振逐漸截止,導(dǎo)致mode 2的共振峰逐漸降低。圖4(b)為不同θ下圓形諧振腔內(nèi)磁場強(qiáng)度的歸一化分布圖。內(nèi)嵌對稱扇形金屬塊后,光波從左側(cè)波導(dǎo)耦合進(jìn)入圓形諧振腔中,在圓形腔內(nèi)形成了駐波,光波在腔內(nèi)振蕩,當(dāng)特定波長滿足相干加強(qiáng)的條件時,光在圓形諧振腔內(nèi)加強(qiáng)后耦合到右側(cè)波導(dǎo)中形成透射峰。以上結(jié)果表明,通過控制對稱扇形金屬塊的角度θ可以調(diào)節(jié)濾波器透射波長的大小,但隨著扇形金屬塊角度θ的增大,諧振腔內(nèi)的損耗增加,透射率呈下降趨勢。

【參考文獻(xiàn)】：
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碩士論文
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本文編號：3307093