基于金属-电介质-金属波导结构的等离子体滤波器的数值研究

基于金属-电介质-金属波导结构, 提出了一种含双侧多支节型等离子波导滤波器, 采用有限元法研究了其透射特性. 在该结构的透射谱中观察到了基于电磁诱导透明效应的四个窄带透射峰, 并通过模场分布有效阐释了透射谱线中峰值、谷值的产生的物理机理. 数值研究同时表明当每个支节长度线性增加时, 透射峰中心波长也将线性增加. 这一结果可用于指导可调谐、多通道窄带滤波器的设计.     

基于十字连通形环形谐振腔金属-介质-金属波导的折射率传感器和滤波器

提出了由十字连通形环形谐振腔耦合两个金属-介质-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导的结构,并用有限元法数值研究了表面等离极化激元在结构中的传输特性.通过对透射谱的研究,系统地分析了MIM结构的传感特性.结果表明,在透射光谱中有三个共振峰,即存在三种共振模式,其中透射峰与材料的折射率呈线性关系.通过对结构参数的优化,得到了折射率灵敏度(S)高达1500 nm/RIU的理论值,相应的传感分辨率为1.33×10~(-4)RIU.更重要的是,灵敏度不受结构参数变化的影响,这意味着传感器的灵敏度不受制造偏差的影响.此外,谐振波长与环形腔中心半径成线性关系,该器件在较大波长范围内实现可调谐带通滤波.透射强度随着波导与环形腔间距的增大而减小,透射带宽同时减小,因此,可以通过控制环形腔与波导的耦合距离来调谐透射强度及透射带宽.研究结果对高灵敏度纳米级折射率传感器和带通滤波器的设计以及在生物传感器方面的应用都具有一定的指导意义.     

基于SPPs的方形凹环结构MIM滤波器设计

基于表面等离子体波的传播特性提出了一种由方形凹环与波导管耦合而成的MIM结构滤波器,运用有限元法数值计算获得了该滤波结构的磁场分布、透射谱和共振波长分布曲线.研究结果表明,其阻带透射率最小透射比可低至0.01,通带最大透射比则高达0.96,并且顶部分布平滑.在增大滤波器波导结构参数I、H时,相应的透射谱线会有明显的红移,且不同模式阻带的透射比也会随之改变,此外共振波长与结构参数的变化呈现线性关系.在增大结构参数D时,模式1的透射率从之前的0.63增加到0.80,模式1最终消失,其余模式几乎不变,同时共振波长分布与参数D的变化无关.通过结构参数的优化,可以使波导结构的品质因数从14.82提升到17.07,通频带亦有所增加.该MIM结构滤波器具有封装尺寸小、多模式、阻带较窄、通带平滑、良好的品质因数以及可调节性,在微纳集成光学器件尤其是波分复用系统中有着良好的应用前景.     

基于非对称圆形谐振腔金属-介质-金属波导结构的带阻滤波器

提出一种金属-介质-金属非对称圆形结构,该结构由两个圆形谐振腔、一个传输波导和两个耦合波导组成。利用谐振腔的局域作用加强表面等离激元的耦合作用,获得较大的透射率。采用有限时域差分方法研究了圆形谐振腔半径、个数和两圆腔中心距离对强透射特性的影响。结果表明,当非对称圆形谐振腔的半径为100nm、两圆间距为200nm时,该结构具有较高的透射率。通过优化主要参数,所设计结构的平均阻带宽度为1000nm,工作范围可增大到2500nm。     

基于锚形谐振腔的等离子体波导特性研究

基于表面等离子体激元在金属-介质-金属结构中优良的传输特性,设计了一种由直波导和锚形谐振腔组成的波导滤波器。仿真分析了波导滤波器传输特性和电场分布随结构参数和谐振腔内介质折射率变化规律。结果表明,该锚形谐振腔最佳结构时滤波器半峰全宽低至8 nm,品质因数高达121.9。利用共振波长与结构参数变化规律,设计了光通信波长窗口的窄带带阻滤波器。根据SPPs对谐振腔介质折射率敏感的特性,发现透射谱线随折射率变大而发生红移。本文提出的基于锚形谐振腔的等离子体MIM波导滤波器为设计特定波长的窄带带阻滤波器提供了新思路,也为基于谱线红移特性设计的介质折射率传感器提供了技术支持。     

枝节直波导与开口方环耦合谐振腔的Fano谐振特性研究

本文构建了一个枝节直波导与带开口方环耦合谐振腔.基于金属-绝缘体-金属结构的Fano谐振原理,采用有限元法分析了该波导结构的透射谱线对谐振腔结构参数的依赖关系.在开口方环与直波导间距G=90 nm,枝节高度H=140 nm时,该谐振腔结构中可以产生中心波长分别为λ=746 nm和1521 nm具有反对称线型的双重Fano共振透射峰.研究表明：左侧谐振峰值先随H增高而升高,至H=140 nm达到最大值,之后随H增高峰值缓慢减弱,直至消失.右侧谐振峰值则几乎不受H变化影响.传输谷受H影响最大,随着H增大,枝节谐振腔的传输谷向长波长方向移动,而右侧两个传输谷基本保持不变.当H=210 nm时,左边Fano谐振完全消失,只剩下右边的谐振,且谐振峰基本保持不变.设置参数化扫描,观测Fano谐振的变化,在波长1500 nm～1700 nm之间,设置最佳参数,经拟合计算得到该谐振耦合腔可以作为一个灵敏度S为1496 nm/RIU,FOM=60.1的折射率传感器.该结构可以为纳米级折射率传感器设计提供有效依据.     

基于Fano共振的金属-绝缘体-金属-石墨烯纳米管混合结构动态可调折射率传感器

为了解决传统金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal,MIM)波导结构传感器不可动态调控的问题,本文将石墨烯纳米管引入MIM波导耦合圆环谐振腔结构,设计了一种动态可调的MIM-石墨烯纳米管混合结构折射率传感器.采用有限元法对系统的传输特性、电场分布和磁场分布进行数值研究,并通过多模干涉耦合模理论进行分析验证.结果表明,Fano共振源自于TM₁₀腔共振模式和石墨烯等离子体电共振模式之间的相干耦合.通过改变石墨烯的化学势可以在较大波长范围内动态调谐Fano共振的谐振波长和线宽,从而实现折射率传感器的动态调控.在最佳结构参数下,传感器灵敏度可达1250 nm/RIU.与传统的MIM波导结构相比,该器件具有结构简单、动态可调、易于加工且工作波段范围大等诸多优点,对设计可动态调控的高性能纳米光子集成器件具有一定的指导意义.     

SOI多环级联光学谐振腔滤波器

利用MEMS工艺制备了基于SOI的小尺寸、高集成光波导多环级联谐振腔滤波器,理论分析了多环级联微环腔的光场传输特性与光谱响应特性,实验验证并得到了不同级联环数与谐振谱线滚降垂直度的关系。研究表明:当波导宽度为450 nm、半径为5μm时,单环、双环和十环滤波器响应谱线的-3 dB带宽分别为0.313,0.279,0.239 nm,相应结果与理论吻合,即随着级联环数的增多,谐振谱线顶端趋于平坦,滚降垂直度增高。设计制备了环形与跑道形两种级联谐振腔滤波器,研究了相应的透射谱特性。     

自由光谱范围加倍的单微环谐振滤波器

基于两点耦合和光波干涉控制相移思想提出U型波导耦合单微环的谐振滤波器结构。利用传输矩阵法推导了此结构的数学模型,采用Matlab模拟了输出端口谱线形状。当微环与U型波导的两个耦合点之间的距离为微环周长的整数倍时,此新型微环谐振滤波器比传统的双直波导耦合单微环滤波器的自由光谱范围增加1倍。针对该结构参数,同时讨论了耦合系数对输出谱线的影响,得出当耦合系数为0.018时,输出谱线具有最佳的消光比,同时保持窄的带宽和高的品质因子。     

四环谐振腔结构中耦合诱导透明特性研究

基于量子相干效应中的电磁诱导透明,设计了一种四环级联谐振腔结构,并对其产生的耦合诱导透明现象进行了理论分析.利用时域有限差分法和束传输法对结构的关键参量进行了仿真模拟,采用电子束光刻与感应耦合等离子刻蚀工艺相结合的方式完成了结构的加工制备.实验中利用垂直光栅耦合法对结构进行测试,测试结果表明:由于相消干涉,该结构可以引起一个狭窄的透明峰;每个环形腔之间相互干涉,产生了两个透射峰,从而实现对光传输的延迟,其中一个透射谱半高全宽为0.022nm,对应的品质因数为0.72×105,且两个谐振峰之间的距离相隔0.084nm.波导直通端与下载端的谐振谱线吻合,与理论分析相符.     

基于表面等离子激元波导透射性能的环形滤波器设计

当前对表面等离子体激元(SPP)耦合性能及其传播的研究已成为这一领域急需改进的课题。为了进一步使SPP纳米器件成为可能,利用SPP波导结构设计了一种表面等离子体激元环形滤波器,建立了SPP波导结构传输模型和金属光栅SPP传输模型。透射率仿真分析表明,透射率会随着金属薄膜厚度的变化而变化,当金属薄膜厚度降低时,透射带宽会明显变窄,且透射的峰值也会降低。滤波器结构仿真结果表明,滤波器具有很强的消光效果,在具有有效谐振频率的同时可以更好地实现阻碍非谐振频率。该研究对纳米等离子激元器件的实际应用具有一定的理论和实际意义。     

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×10~5,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.     

多参量可调谐的Bragg波导光栅滤波器设计(英文)

为了解决基于光纤布喇格光栅和压电陶瓷结构的任意光脉冲整形器在动态调谐时存在不足的问题,提出并设计了一种波长、相位、幅度参量独立可调的Bragg波导光栅滤波器,以实现谐振波长及谐振波相位快速独立的线性调控.理论分析表明:波长和相位的理论调谐效率分别为15.6pm/V和0.2π/V,滤波器的输出光强度可以通过偏振旋转器控制.基于转移矩阵理论的仿真分析发现:该滤波器在蚀刻占空比为1/2时反射率最大,光栅长度为10.869mm,蚀刻深度大于100nm时,可以获得98.4%以上的反射率和大于0.14nm的带宽;增大波长调谐电压会进一步降低滤波带宽.     

双层金属纳米光栅的TE偏振光异常透射特性

根据在亚波长金属光栅表面添加电介质会引起TE偏振光的透射异常性, 应用严格耦合波理论和时域有限差分方法, 研究了双层金属纳米光栅在TE偏振光入射时产生的异常透射现象. 利用等效折射率方法建立了双层金属光栅的等效模型, 得到了TE偏振光透射率与聚合物的折射率、厚度以及金属层厚度的变化关系. 确认了结构中聚合物是透射异常出现的必要条件, TE偏振光以波导电磁模式在其中传播, 并认为类Fabry-Perot腔谐振是透射峰值产生的主要原因.     

金属光栅的非对称透射现象研究

提出一种利用表面等离子体耦合的金属光栅结构,该光栅结构因入射光的方向和耦合表面等离子体的条件不同,从不同方向入射时会有不同的透射率。周期为500 nm、填充因子为0.7的Au-SiO₂光栅结构在565~589 nm波段具有单向透射性。当填充因子为0.662时,最大透射对比率达3×10⁴。当光栅厚度为60 nm时,入射波长在570~630 nm之间的透射对比率均可达到5以上,最高透射率为43%。当光栅周期为1 100 nm时,1 530~1 590 nm波段的透射对比率均大于5,可以满足中红外波段的应用。     

双腔法布里-珀罗腔透射特性

基于单腔和双腔结构的法布里-珀罗(F-P)腔透射光强度公式,研究了单腔F-P结构的镜面反射率与腔长对透射谱线的影响;在总腔长相同时,模拟分析了单腔、对称及非对称双腔的透射光谱特性;分析了镜面反射率对非对称双腔F-P结构透射光谱的影响。结果表明:无论单腔还是双腔的F-P结构,镜面反射率增加导致输出峰的峰值半高宽(FWHM)减小;腔长度增加会导致输出谐振峰间距减小,而通过调节腔长比例系数和选择镜面反射率,总长度相同的双腔能在不减小主谐振峰透射率的同时增加谱线间距。最后,讨论了镜面反射率对输出谱线FWHM以及腔长微小形变对中心谐振峰的位置、FWHM和透射率的影响。     

一种新型高效光子晶体多信道下载滤波器的设计

采用二维正方排列的光子晶体,根据微腔缺陷模和波导模共振耦合原理,设计了一种新型的多信道下载滤波器,该滤波器通过主波导、90°弯波导和共振微腔的组合,提高了各个信道下载波导的下载效率。利用二维时域有限差分法模拟了滤波器的传输特性,并理论分析了影响下载效率的因素,进一步对滤波器进行了优化,使得各信道下载波导的下载效率均在91%以上。模拟结果表明该滤波器能有效地实现光波的分波下载,传输谱信道波长间隔约为20nm,中心波长误差为±2nm,传输谱的最大半宽度为3.2nm,有良好的波长选择性,证实了增大下载波导和共振微腔的耦合区域可以有效地提高滤波器的下载效率。     

基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器的数值研究

设计了一个基于圆弧谐振腔的金属-介质-金属波导滤波器, 并应用时域有限差分算法数值研究了它的传播特性. 结果发现, 在透射光谱中出现了明显的透射峰. 分析表明, 该透射峰是由表面等离极化激元在圆弧腔中的谐振所导致. 我们还研究了圆弧谐振腔的结构参数及其弯曲方向对其传播特性的影响. 此外, 该结构还可以用作一种光分路器, 实现滤波与分路的双重功能.     

亚波长之字形MIM等离子波导宽带滤波器

运用时域有限差分（FDTD）方法数值研究了一种亚波长之字形金属-绝缘体-金属（MIM）等离子波导结构的传输属性。之字形波导在连续两个拐角可向外延伸出1~4个短切口。每个切口独立构成一个谐振腔,谐振波长近似与切口深度成线性正比,而与切口方向无关。当任意一个切口满足谐振条件时,该波导结构在对应波长的透射率均趋近于0。随着同深度切口数目的增加,禁带波长区域逐渐展宽,形成一个良好的宽带滤波器。     

可实现宽频带光波非对称传输的自准直效应光子晶体异质结构

利用光子晶体的自准直效应和能带特性,设计了一种能实现宽频带光波非对称传输的二维光子晶体异质结构.该结构实现宽频带、高正向透射、非偏振选择的非对称传输.横电(transverse electric, TE)偏振光非对称传输波长带宽可达532 nm,在光通信波长1550 nm处正向透射率和透射对比度分别可达0.693和0.946;横磁(transverse magnetic, TM)偏振光非对称传输波长带宽为128 nm,在光通信波长1550 nm处正向透射率和透射对比度分别可达0.513和0.972;通过进一步优化异质结界面,在TE偏振光下非对称传输波长带宽可达562 nm.