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摘 要 表面等离激元滤波器是集成光学中一种非常重要的器件，能用来制造光开关，多路复用结构等多种设备。文章简要介绍表面等离激元滤波器的研究背景，总结报道了表面等离激元滤波器国内外的研究现状及其最新进展，指出表面等离激元滤波器在集成光学领域将会有非常重要的应用潜力。
关键词 表面等离激元；滤波器；布拉格光栅
中图分类号：O436.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0076-01
表面等离激元（SPPs）是在金属表面局域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模[1]，SPPs能够突破衍射极限的性质使它在高集成光子回路和设备领域具有很好的应用前景。最近，基于SPPs的器件，例如U形波导[2]，劈裂机[3]，马赫干涉仪[4]被数值模拟或实验证实。滤波器是集成光路中一类非常重要的设备，近几年，基于MDM波导的SPPs滤波器被广泛研究。
本文将首先介绍SPPs滤波器研究背景，在此基础上介绍SPPs滤波器国内外研究进展。
1 表面等离激元滤波器的研究背景
1947年12月，杰克·基尔比制作出世界上第一块集成电路，在此后的几十年间，集成电路的尺寸以摩尔速度迅速减小。进入21世纪后，信息的需求量成爆炸式的增长，这要求能制造出集成度更高的器件，然而当集成电路的尺寸缩小到一定尺寸时就会面临一系列问题，例如当器件的尺寸小到一定的程度，器件的热噪声，RC延迟等达到极限，导致器件不可靠。光子器件相比电子器件具有更高速度、更大带宽的优势，SPPs能突破衍射极限，把光局域在亚波长尺寸，因此，基于SPPs的波导器件能很好的满足光学集成的需要。
2 表面等离激元滤波器的研究进展
SPPs滤波器是集成光路中的一类非常重要的器件，国内外很多研究小组提出了各种SPPs滤波器结构。最初的滤波器结构设计没有摆脱光子晶体设计方法的束缚，主要是以布拉格光栅结构为主，最有代表性的是武汉大学的汪国平小组提出的结构[5]，图1（a）是结构原理图，波导两侧由窄银条（黑色部分）和窄铝条（灰色部分）交替组成，图1（b）是结构传输曲线，可以看到在1.55 um附近出现了很宽的禁带。
图1 汪国平小组结构
布拉格类型的SPPs滤波器虽然可以实现滤波，但这些结构的制造相当复杂，并且结构尺寸已经是微米级别，没有实现真正的亚波长尺寸。
2008年，黄旭光小组提出了一种简单的SPPs滤波器[6]，结构如图2（a）所示，灰色部分是金属银，白色部分是空气。该结构利用光的干涉原理实现滤波，透射谱如图2（b）所示，在800 nm附近SPPs截止。这个结构长宽都仅仅几百个纳米，实现了亚波长尺寸，同时，结构只由一个齿状和MDM直波导构成，制作起来相当简单。
图2 黄旭光小组结构
齿形滤波器的提出为人们设计SPPs滤波器提供了另一种简单的思路，在此后几年里，各种简单的滤波器先后被提出，在线性滤波器方面，侧耦合谐振腔[7]，MDM波导嵌入圆形谐振腔[8]等等一些新颖的滤波器被提出。在非线性滤波器方面，电光滤波器[9]，克尔非线性滤波器[10]等等相继被提出，这使滤波实现从无源向有源发展。
3 结束语
基于简单光学原理，例如光的干涉，耦合等机理设计的滤波器真正实现了光波导亚波长尺寸，同时结构非常简单，制造起来相当方便，有利于光学器件的大规模集成，这些器件在集成光学中将会有非常重要的应用潜力。
参考文献
[1]Barnes W L， Dereux A， Ebbesenb T W. Surface plasmon subwavelength optics[J]. Nature ，2003，424（6950）：824-830.
[2]Lee T， Gray S. Subwavelength light bending by metal slit structures[J]. Opt. Exp，2005， 13： 9652-9659.
[3]Veronis G， Fan S. Bends and splitters in metal-dielectric-metal Subwavelength plasmonic waveguides[J] Appl.Phys. Lett，2005 87：131105-1-131105-3.
[4]Z. Han， L. Liu， Forsberg E.Ultra-compact directional couplers and Mach-Zehnder interferometers employing surface plasmon polaritons[J].Opt. Commun，2006，259： 690-695.
[5]Bing Wang ， Guo Ping Wang. Plasmon Bragg reflectors and nanocavities on flat metallic surfaces[J].APPLIED PHYSICS LETTERS ，2005，87： 013107-1- 013107-3.
[6]X. S. Lin， and X. G. Huang， “Tooth-shaped plasmonic waveguide filters with nanometeric sizes，” Opt. Lett.33（23）， 2874-2876 （2008）.
[7]Qin Zhang， Xu-Guang Huang， Xian-Shi Lin， et al. A subwavelength coupler-type MIM optical filter[J]. OPTICS EXPRESS，2009，9：7549-7554.
[8] Hua Lu， Xueming Liu， Dong Mao， et al.Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators[J]. OPTICS EXPRESS，2010， 17： 17922-17927.
[9] Jia Hu Zhu， Xu Guang Huang ，Xian Mei， Plasmonic Electro-Optical Switches Operating at TelecomWavelengths[J]， 2011，Plasmonics， 6：605-612.
[10]6. G. A. Wurtz， R. Pollard， and A. V. Zayats， Optical bistability in nonlinear surface-plasmon polaritonic crystals， Phys. Rev. Lett. 97（5）， 057402 （2006）.
作者簡介
张钊，男，华南师范大学光学专业研究生，研究方向：表面等离激元波导。
关键词 表面等离激元；滤波器；布拉格光栅
中图分类号：O436.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）07-0076-01
表面等离激元（SPPs）是在金属表面局域的一种自由电子和光子相互作用形成的电磁模[1]，SPPs能够突破衍射极限的性质使它在高集成光子回路和设备领域具有很好的应用前景。最近，基于SPPs的器件，例如U形波导[2]，劈裂机[3]，马赫干涉仪[4]被数值模拟或实验证实。滤波器是集成光路中一类非常重要的设备，近几年，基于MDM波导的SPPs滤波器被广泛研究。
本文将首先介绍SPPs滤波器研究背景，在此基础上介绍SPPs滤波器国内外研究进展。
1 表面等离激元滤波器的研究背景
1947年12月，杰克·基尔比制作出世界上第一块集成电路，在此后的几十年间，集成电路的尺寸以摩尔速度迅速减小。进入21世纪后，信息的需求量成爆炸式的增长，这要求能制造出集成度更高的器件，然而当集成电路的尺寸缩小到一定尺寸时就会面临一系列问题，例如当器件的尺寸小到一定的程度，器件的热噪声，RC延迟等达到极限，导致器件不可靠。光子器件相比电子器件具有更高速度、更大带宽的优势，SPPs能突破衍射极限，把光局域在亚波长尺寸，因此，基于SPPs的波导器件能很好的满足光学集成的需要。
2 表面等离激元滤波器的研究进展
SPPs滤波器是集成光路中的一类非常重要的器件，国内外很多研究小组提出了各种SPPs滤波器结构。最初的滤波器结构设计没有摆脱光子晶体设计方法的束缚，主要是以布拉格光栅结构为主，最有代表性的是武汉大学的汪国平小组提出的结构[5]，图1（a）是结构原理图，波导两侧由窄银条（黑色部分）和窄铝条（灰色部分）交替组成，图1（b）是结构传输曲线，可以看到在1.55 um附近出现了很宽的禁带。
图1 汪国平小组结构
布拉格类型的SPPs滤波器虽然可以实现滤波，但这些结构的制造相当复杂，并且结构尺寸已经是微米级别，没有实现真正的亚波长尺寸。
2008年，黄旭光小组提出了一种简单的SPPs滤波器[6]，结构如图2（a）所示，灰色部分是金属银，白色部分是空气。该结构利用光的干涉原理实现滤波，透射谱如图2（b）所示，在800 nm附近SPPs截止。这个结构长宽都仅仅几百个纳米，实现了亚波长尺寸，同时，结构只由一个齿状和MDM直波导构成，制作起来相当简单。
图2 黄旭光小组结构
齿形滤波器的提出为人们设计SPPs滤波器提供了另一种简单的思路，在此后几年里，各种简单的滤波器先后被提出，在线性滤波器方面，侧耦合谐振腔[7]，MDM波导嵌入圆形谐振腔[8]等等一些新颖的滤波器被提出。在非线性滤波器方面，电光滤波器[9]，克尔非线性滤波器[10]等等相继被提出，这使滤波实现从无源向有源发展。
3 结束语
基于简单光学原理，例如光的干涉，耦合等机理设计的滤波器真正实现了光波导亚波长尺寸，同时结构非常简单，制造起来相当方便，有利于光学器件的大规模集成，这些器件在集成光学中将会有非常重要的应用潜力。
参考文献
[1]Barnes W L， Dereux A， Ebbesenb T W. Surface plasmon subwavelength optics[J]. Nature ，2003，424（6950）：824-830.
[2]Lee T， Gray S. Subwavelength light bending by metal slit structures[J]. Opt. Exp，2005， 13： 9652-9659.
[3]Veronis G， Fan S. Bends and splitters in metal-dielectric-metal Subwavelength plasmonic waveguides[J] Appl.Phys. Lett，2005 87：131105-1-131105-3.
[4]Z. Han， L. Liu， Forsberg E.Ultra-compact directional couplers and Mach-Zehnder interferometers employing surface plasmon polaritons[J].Opt. Commun，2006，259： 690-695.
[5]Bing Wang ， Guo Ping Wang. Plasmon Bragg reflectors and nanocavities on flat metallic surfaces[J].APPLIED PHYSICS LETTERS ，2005，87： 013107-1- 013107-3.
[6]X. S. Lin， and X. G. Huang， “Tooth-shaped plasmonic waveguide filters with nanometeric sizes，” Opt. Lett.33（23）， 2874-2876 （2008）.
[7]Qin Zhang， Xu-Guang Huang， Xian-Shi Lin， et al. A subwavelength coupler-type MIM optical filter[J]. OPTICS EXPRESS，2009，9：7549-7554.
[8] Hua Lu， Xueming Liu， Dong Mao， et al.Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators[J]. OPTICS EXPRESS，2010， 17： 17922-17927.
[9] Jia Hu Zhu， Xu Guang Huang ，Xian Mei， Plasmonic Electro-Optical Switches Operating at TelecomWavelengths[J]， 2011，Plasmonics， 6：605-612.
[10]6. G. A. Wurtz， R. Pollard， and A. V. Zayats， Optical bistability in nonlinear surface-plasmon polaritonic crystals， Phys. Rev. Lett. 97（5）， 057402 （2006）.
作者簡介
张钊，男，华南师范大学光学专业研究生，研究方向：表面等离激元波导。