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采用有限元方法设计了一种基于金属-电介质-金属(MIM)的内嵌对称扇形金属块的纳米圆形谐振腔滤波器。研究发现,通过改变扇形共振角度、圆形谐振腔半径、耦合距离、共振腔内的介质折射率等主要参数可有效调节该结构的透射特性。该滤波器同时出现两个显著的共振峰,透射率最高可达76%,品质因子最高可达40,能高效实现可调谐双通道带通滤波功能。对结构参量进行调整和优化,相应的谐振波长可分布在近红外波段光纤通信的850 nm和1310 nm通信窗口。该结构为设计光通信领域下一代高性能微纳等离子体滤波器提供了重要的理论依据。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
内嵌对称扇形金属谐振腔的
MIM
可调谐等
离子体滤波器
杨 宏 艳
,
,
陈 昱 澎
,
肖 功 利
,
刘 孟 银
,
刘 厚 权
,
滕 传 新
,
邓 洪 昌
,
陈 明
,
徐 荣 辉
,
,
邓 仕 杰
,
苑 立 波
桂林电子科技大学电子工程与自动化学院
广西 桂林
广西自动检测技术与仪器重点实验室
广西 桂林
桂林电子科技大学广西精密导航技术与应用重点实验室
广西 桂林
摘要
采用有限元方法设计了一种 基于 金属
电 介质
金 属
的 内嵌 对称 扇 形金 属块 的 纳米 圆形 谐 振腔 滤 波
器
研究发现
通过改变扇形共振角度
圆形谐振腔半 径
耦 合距 离
共 振腔 内的 介 质折 射率 等 主要 参数 可 有效 调
节该结构的透射特性
该滤波器同时出现两个显 著的 共振 峰
透 射率 最高 可 达
品 质因 子最 高 可达
能 高
效实现可调谐双通道带通滤波功能
对结构参量进行调整和优化
相应的谐振波长可分布在近红外波段光纤通信的
和
通信窗口
该结构为设计光通信领域下一代高性能微纳等离子体滤波器提供了重要的理论依据
关键词
表面光学
有限元方法
圆形谐振腔
内嵌对称扇形金属块
等离子体滤波器
中图分类号
文献标志码
doi
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科 学 基 金
广 西 自 然 科 学 基 金
广西自动检测技术与仪器重点实验室基金
广西 精密 导航技 术与 应
用重点实验室基金
桂林电子科技大学研究生教育创新计划
EGmail
MIM TunablePlasmonicFilterEmbeddedwith
S
y
mmetricalSectorMetalResonator
Schoolo
f
ElectronicEn
g
ineerin
g
andAutomation
GuilinUniversit
y
o
f
ElectronicTechnolo
gy
Guilin
Guan
g
xi
China
Guan
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xiKe
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Laborator
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Guan
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PrecisionNavi
g
ationTechnolo
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andA
pp
lication
GuilinUniversit
y
o
f
ElectronicTechnolo
gy
Guilin
Guan
g
xi
China
Abstract
光
学
学
报
Ke
y
words
OCIScodes
引
言
可调 谐光滤波器 是一种重要 的光通信器 件
能
有效提高通讯 容 量
避 免 相 邻 信 道 间 信 息 的 干 扰
故而在光通信领域有着广泛的应用
基于表面等离
激元
的金 属
电介质
金属
波导等 离 子
体滤波器因具有尺寸 小
结构简单
集成度高
频谱
范围宽及约束性高等优点而广受研究者的关注
是光入射到金属与介质
通常是空气
界面上时
电子和光子相互作用形成的电磁波混合态
该电磁
波的显著特性是电磁能量的振幅在垂直界面上以指
数形式衰减
能突破传 统 的光学衍 射 极限
具
有局域场增强
最小化尺 寸 及电场约束等性能
可被制作成亚波 长 光学器件
近年来
依据波导 结
构的不同
表面等离 子 体滤波器 被 划分为两 种 典型
的结构形式
金 属
电 介 质
金 属
结 构 和 电 介
质
金属
电 介 质
结 构
相 较 于
结 构
波导滤波器有更小的模式尺寸
因而对其
有很多研究
主 要 集 中 在 实 现 各 种 功 能 的
波
导光学元件
如滤波器
耦合 器
折射率传感
器
逻 辑 门
布 拉 格 反 射 器
马 赫
曾 德 尔
干 涉 仪
解 复 用 器
等
关 于 不 同 结 构 的
表面等离子体共振滤波器也得到广泛研究
如
齿 形 波 导 滤 波 器
等 离 子 体 劈 裂 环 共 振 滤 波
器
环形谐振腔滤波器
年
等
提出了一种带有劈 裂环结构 的 可调谐谐 振 器
其透
射谱中出现
种 共 振 模 式
透 射 率 最 高 可 达
年祁云平 等
提 出 了 十 字 连 通 环 形 谐 振 腔 滤
波器
其透射谱中出现
种共振模式
通过优化谐振
腔的各项参数
透射率最高达
年肖功利
等
提出了一 种 内 嵌 矩 形 金 属 块 纳 米 圆 盘 结 构 的
等离子体滤波器
传 输 效 率 可 达
最 小 插 损 为
但最大品质因子较低
只有
尽管上述
研究在结构设计
透射率及 品 质因子方 面 有了一定
的提高
但是在品质 因 子和透射 率 方面仍然 有 一定
的改进 空 间
基 于 以 上 分 析
本 文 采 用 有 限 元 法
设计 了 一 种 简 单 的 可 调 谐 的 新 型 内 嵌 对 称
扇形金属块的谐振腔滤波器
利用所提结构的
产生的耦合效应
既能提高滤波器的透射率
又可提
升品质因子
该滤波器可望在通信波段实现窄带可
调谐带通滤波
模型建立与理论分析
图
为所提滤波器的二维平面示意图
该结构
由
个矩形波导和
个内嵌对称扇形金属的纳米圆
形谐振腔 组 成
设 波 导 传 播 方 向 为
X
轴 方 向
其
中
矩形波导宽度 为
w
扇 形 金 属 块 半 径 为
r
两 扇
形之间距离
h
圆形谐振腔 半径为
R
扇形
金属块弧边 对 应的角度 为
θ
矩形波导 和 圆形谐振
腔之间的耦合距离为
d
在
波导中
设置
w
因为波导
宽度远远小于入射 光波长
其他模式 的 传输均被 阻
断
所以只能传播横向 磁 场的基模
的
色散关系
可以表示为
ε
k
z
+
ε
k
z
-
k
z
w
æ
è
ç
ö
ø
÷
=
k
z
=
ε
k
-
β
k
z
=
ε
m
k
-
β
k
=
λ
式中
k
z
和
k
z
为介 质 和 金 属 的 波 数
ε
和
ε
为 介
质和金属的介电常数
β
为传播常数
k
为自由空间
的波数
λ
为入射电磁波在真空环境下的波长
图
所提滤波器在
X
Y
平面的示意图
X
Y
其中
金 属 的 介 电 常 数
采 用
模 型 来
表征
ε
=
-
ω
ω
+
ωγ
式中
ω
为入射光的频率
ω
为银等离子 共振频率
γ
为电子碰撞 频 率
需 要 指 出 的 是
当 光 波 的 频 率
数量级大于等离子 频率的数 量 级时
金属电子 能 带
结构中电子 带 与 电 子 带 之 间 的 跃 迁 会 改 变 介 电 常
数
所 以 需 要 对
模 型 进 行 指 向 性 修 正
一 般
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