基于表面等离极化激元的MIM波导滤波器设计与传输特性研究

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近年来,大量研究表明金属和介质交界面的表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)具有局域增强能力,是一种可以在纳米尺度范围传播的电磁波。金属-介质-金属(Metal-Insulator-Metal,MIM)波导是一种常用来传输SPPs的结构。将基于表面等离极化激元的MIM波导结构应用在纳米光学器件制造领域具有巨大的研究价值。滤波器是当代通信设备和控制系统中不可或缺的重要元器件之一,因此研究基于表面等离极化激元的全光滤波器具有重要意义。本文将SPPs在MIM波导中的传输特性及SPPs与谐振腔的耦合局域效应相结合,设计了三种基于表面等离极化激元的MIM波导滤波结构,并通过改变参数来优化结构的滤波性能。本文主要研究内容如下:(1)设计了一种基于四矩形谐振腔MIM波导新型滤波结构。采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对滤波结构进行了数值仿真计算。首先,设计级联三矩形谐振腔实现了平底宽带阻滤波功能。透射比小于0.01的谱线宽度为485nm。在此基础上,构造一个矩形谐振腔置于波导下方,其与级联矩形谐振腔的两种共振模式在同一个系统中相互耦合导致原谐振波长不再满足共振条件而产生类电磁诱导透明现象。通过改变波导下方矩形腔的结构参数,可以调节类电磁诱导透明的谐振波长,进而实现对带阻范围的调制。此外,目前基于类电磁诱导透明效应实现窄带滤波的报道较多,利用此效应实现宽带带阻滤波器的调制是一种较为新颖的方法。(2)设计了一种基于异侧双半圆环谐振腔MIM波导新型滤波结构。单一半圆环谐振腔与波导的直接耦合效应可以实现单通道窄带带阻滤波功能。通过构造非对称半圆环结构,使输出波导同时受到两个辐射腔共振模式的影响。两个辐射腔之间由于反相振荡导致电磁波发生干涉相消而产生类电磁诱导透明现象。通过仿真计算,此结构具有模式1和模式2两个窄带。通带处较为平滑且最高透射率为0.93。模式1和模式2的透射比都为0.1,对应的阻带半高宽分别为20nm和23nm。通过改变结构参数,可以对不同波长进行有效选择。(3)根据半圆环腔的传输特性,进一步设计了一种基于同侧双半圆环腔MIM波导新型滤波结构。仿真结果表明此结构同样可以实现模式1和模式2双通道带阻滤波功能,其窄带带阻中心波长分别为986nm和1230nm。通过优化结构参数,此滤波结构中模式1的透射比为0.13,阻带半高宽为21nm;模式2的透射比为0.06,阻带半高宽仅为13nm。此结构在全光窄带带阻滤波器方面具有潜在的应用前景。
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