CN101403811B - 表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器 - Google Patents

Abstract

一种表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其特征在于采用表面等离子体激元(SPPs)波导形成光学回路，从而实现SPPs可调谐光学谐振环滤波器。滤波器中集成SPPs可调谐方向耦合器、SPPs可调谐谐振环，通过调谐谐振环的损耗和传输相位以及方向耦合器的耦合比K，实现谐振频率、谐振深度、滤波带宽可调谐的多功能滤波器。由于SPPs波导的金属芯层可以实现光电信号复用功能，本发明所提出的SPPs波导可调谐环形滤波器，不仅可以应用于集成光学***，还可以广泛的应用于集成光电混合***。

Description

表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器

技术领域

本发明提出一种波导结构的光学谐振环滤波器的实现方案，特别涉及用表面等离子体激元波导实现可调谐的光学谐振环滤波器，应用于集成光学领域。

背景技术

光学谐振环滤波器作为集成光学中较为复杂的一种功能器件，在光学传感和光通信领域有着众多的应用，是激光器、滤波器、放大器、光开关、光延时线等器件和***的核心功能器件。目前集成光学范畴中的谐振环主要是由光波导构成，通过多光束干涉原理，实现周期性的透射光谱，进而形成谐振环滤波器。对于谐振环滤波器，其滤波带宽、谐振深度、谐振频率是最为关键的性能参数，为了满足不同的功能和需要，往往要求以上三个参数连续可调，其中，耦合器的耦合比和谐振深度相关，环内传输损耗和滤波带宽相关，环内传输相位和谐振频率相关。对于光波导结构的谐振环，可通过在环内集成马赫-曾德尔耦合器调节耦合比，从而控制谐振深度，利用光波导材料的热光特性或电光特性，调节环内传输相位，从而控制谐振频率的峰值位置。而对于光波导器件而言，一旦器件制作完毕后，其结构参数就固定了，环内的损耗之也随之固定，相应的谐振带宽也就固定了，无法实现连续可调，而利用无源光波导谐振环结构制备同时对滤波带宽、谐振深度、谐振频率进行精确控制的滤波器，是难以实现的。为了实现谐振带宽可调谐，人们提出利用掺铒光波导制备有源光波导谐振环，利用泵浦光对信号光进行放大，减小环内损耗，从而降低谐振带宽，增大谐振环的清晰度。然而这种有源结构的光波导谐振环滤波器，需要同时引入泵浦光和信号光，增大了信号之间的串扰，降低了器件的稳定性，并且只能对1550nm波段附近的信号进行调制，也无法增加环内损耗，实现增大谐振带宽的功能。

近年来，随着纳米光电子技术的不断进步，一种全新的波导结构——表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons-SPPs)波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体激元是光波与可迁移的表面电荷(如金属中的自由电子)之间相互作用产生的电磁模，可在特定结构的金属和电介质材料组成的波导中实现传播。通过对金属波导的结构优化设计，可以使SPPs信号实现长程传输。SPPs波导具有众多光波导所不具备的特性，如可以实现远小于光波导级别的纳米尺度的信号传输；利用金属形成的波导结构，不仅能够传播光信号，还可以传播电信号，使实现光电混合***成为可能性；由于SPPs模式特性受介质材料的折射率影响，可以利用介质材料的电光、热光特性灵活的控制SPPs模式的传输特性，实现高效的可调谐SPPs波导器件，这也是SPPs波导器件相对于光波导器件的主要优势之一。基于SPPs波导的各种新型功能器件，如SPPs方向耦合器、SPPs波导调制器、SPPs波导马赫-曾德尔耦合器、SPPs波导衰减器均有相关的实验报道，可应用于光通信、光学传感等众多领域。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，利用SPPs特有的传输特性，通过多种调节手段，实现同时可对谐振深度、谐振频率、滤波带宽三个参数进行精确控制的全新的光学环形滤波器。

技术方案：本发明的技术方案是这样实现的：该滤波器包括表面等离子体激元波导、表面等离子体激元可调谐方向耦合器、表面等离子体激元可调谐谐振环、环形加热器；谐振环与在其环外侧的直波导构成耦合器，耦合器和谐振环由表面等离子体激元波导制作，环形加热器覆盖在谐振环上，直线金属线空隙对称分布在表面等离子体激元波导上，弧形金属线空隙对称分布在谐振环上，第一电极引脚制作在表面等离子体激元波导上，第二电极引脚制作在谐振环上，第三电极引脚、第四电极引脚制作在环形加热器上。

表面等离子体激元波导的芯层为金属纳米线，厚度在10到20纳米之间，宽度为1至8微米之间，其上包层、下包层为具有高热光系数的有机聚合物介质材料，上、下包层厚度相等，均为15微米。

表面等离子体激元可调谐方向耦合器，在金属纳米线芯层中制作电极引脚和金属线空隙，形成电信号传输回路。

表面等离子体激元可调谐谐振环，在谐振环的金属纳米线芯层中制作电极引脚和金属线空隙，形成电信号传输回路。

覆盖于谐振环上的环形加热器，环形加热器为在谐振环波导的上包层、下包层外侧的制作的上金属条载层、下金属条载层，其结构为开口金属环，上包层的第三电极引脚和下包层的第四电极引脚不在同一平面内。

从结构上而言，传统的集成光波导谐振环滤波器，其核心部分由无源或有源的光波导组成的谐振环路，环内传输光波信号，通过多光束干涉原理，形成具有周期性滤波特性的环形滤波器。环形滤波器的关键技术指标——谐振深度、谐振频率、滤波带宽。同样的，表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其传输波导由金属纳米线和有机聚合物介质材料混合组成，传输信号为由光信号和金属表面电子气形成混合模式——SPPs波，也可以利用和光波导谐振环滤波器相同的多波束干涉原理，实现对光波信号具有周期性滤波特性的环形滤波器。

本发明的SPPs环形滤波器的可调谐功能，主要是基于长程传输的SPPs模式的特性实现的。SPPs波导由具有负介电常数的金属纳米线作为芯层，由具有正介电常数的介质材料作为包层，金属材料在光通信波段具有负介电常数，虚部表示损耗特性，会引起电磁波功率的耗散，因此，光信号沿着金属层传输方向传播时会产生较大的损耗，为了克服金属表面的损耗，实现长距离传输的SPPs模式信号，需要对波导的结构进行特殊设计。1、金属芯层厚度减小为10纳米至15纳米之间，金属芯层的宽度远大于厚度，一般为微米数量级。上下包层介电常数相同，厚度也相同，一般为15微米左右。利用该严格对称的三明治结构实现的SPPs波导，可以使金属上下表面的二维传输模式信号产生有效的耦合，从而实现长距离传输的SPPs模式，该模式的光强主要集中在金属和介质的交界面传输，进入金属内部的能量比例很小，所以由金属引起的传输损耗也很小。形成的SPPs模式信号与单模光纤、光波导的场分布相似，因此又具有低***损耗的特性，可以实现和光纤、光波导器件的有效集成。

由于SPPs波导的芯层为金属良导体材料，同时可以传播光信号和电信号，因此，通过在金属层中引入特殊的结构，从而形成电信号回路，即可灵活的利用电信号控制光信号的传输特性。以SPPs方向耦合器为例：通过引入金属缺陷，使金属芯层和电极引脚形成电信号回路，在电极引脚上加一定功率的电信号，形成微型加热器，利用有机聚合物材料的热光特性，改变包层的折射率，从而改变SPPs模式的有效折射率。对于方向耦合器而言，相邻两波导之间的折射率不对称，将引起模式失配，降低耦合效率，使耦合比K减小。因此，可利用电信号的功率灵活的控制方向耦合器的耦合比。对于谐振环波导也利用相同的原理，在芯层中加入电信号，改变谐振环波导的有效折射率，从而实现谐振环传输相位的可调谐。

同时，SPPs波导还具有传输损耗可调谐的功能，可以实现传输损耗时时增大或减小，这一点是传统的光波导所不具备的新颖特点。SPPs波导的传输损耗和能量限制因子cf直接相关

$\mathrm{cf}=\frac{\left|{\∫\∫}_{\mathrm{Ac}}{S}_z\mathrm{ds}\right|}{\left|{\∫\∫}_{A\∞}{S}_z\mathrm{ds}\right|}---\left(1\right)$

式1中，A_c是金属芯层所包含的区域，A_∞是波导截面的总面积，S_z是能流密度。而能流密度和包层的介电常数有关，包层介电常数降低，能流密度也随之减小，表现为cf减小。信号传输能量在金属芯层内部的比例降低，由金属引起的能量吸收损耗也就随之减小。因此，对有机聚合物材料上下包层同时加热，降低其介电常数，同时保证SPPs模式的对称特性，即可降低其传输损耗。

而当仅对上包层加热时，由于上下包层产生折射率差，SPPs模式不再是完全对称，产生辐射模式，将引起能量辐射，从而增加SPPs波导的传输损耗。加热器的功率越大，传输损耗越大。因此，通过在SPPs波导的上下包层增加微型加热器，即可灵活的控制谐振环的传输损耗。

本发明的SPPs可调谐环形滤波器的关键技术指标——谐振深度、谐振频率、滤波带宽的调谐方法分别如下：

1、谐振深度的调谐方法。SPPs环形滤波器的相对输出光强满足：

${|E_{\mathrm{out}}/E_{\mathrm{in}}|}^2=\frac{(1-\mathrm{\γ})K}{1+A-{2A}^{1/2}\cos \mathrm{\βL}}---\left(2\right)$

式2中，γ，A是有关环内的损耗系数，β是波导的相位传播常数，L是谐振环的周长。K是方向耦合器(2)的耦合比。谐振深度(最小输出光强)和耦合比K满足对应关系，且当满足

K＝K_r＝1-(1-γ)exp(-αL)    (3)

滤波器的谐振深度最大，K_r为最佳耦合比，α是波导传输损耗。

因此，利用电信号调谐SPPs方向耦合器(2)的耦合比K，即可实现对滤波器谐振深度的连续调谐。

2、谐振频率的调谐方法。SPPs环形滤波器的谐振频率满足：

$\begin{array}{cc}{f}_r=\frac{\mathrm{Nc}}{n_{\mathrm{eff}}L}& (N=\mathrm{1,2,3}...)\end{array}---\left(4\right)$

式4中，c是真空中的光速，n_eff是SPPs模式的有效折射率。

当在金属芯层加电信号时，由于聚合物材料具有热光效应，SPPs模式的有效折射率发生变化，从而实现谐振频率的可调谐。

3、滤波带宽的调谐方法。SPPs环形滤波器的滤波带宽满足：

$\mathrm{\δ}{f}_{1/2}=\frac{2c}{n_{\mathrm{eff}}\mathrm{\πL}}{\sin }^{-1}\left(\frac{1-\sqrt{1-K}\mathrm{\γexp}(-\mathrm{\αL})}{\sqrt{2[1+(1-K)\exp (-2\mathrm{\αL})]}}\right)---\left(5\right)$

由式5可知，滤波带宽和环内传输损耗α成正比关系，传输损耗越低，滤波带宽越窄，传输损耗越高，滤波带宽越宽。因此，通过一定功率的电信号对谐振环波导加热的环形加热器加以控制，即可调谐滤波器的滤波带宽。

本发明的表面等离子体激元可调谐环形滤波器的制备方法如下：采用旋转涂敷法在硅片衬底上制备厚度15微米的聚合物介质薄膜作为上、下包层，金属薄膜生长采用热蒸发或磁控溅射方法，厚度控制在10到20纳米之间。采用光刻剥离技术对金属薄膜进行精细加工，制备具有特定结构的金属纳米线形成SPPs波导(1)、SPPs方向耦合器(2)、SPPs谐振环(3)，制成表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器。调制电极的制备方法为利用光刻剥离的方法，先制备出下包层金属条载层，首先蒸镀20nm的铬金属，再蒸镀200nm厚的金层。当上包层旋涂之后，利用同样的方法，先蒸镀20nm的铬金属，再蒸镀200nm厚的金层，形成上包层金属条载层。在制备电极的过程中，需要多次对准工艺，确保金属纳米线芯层、上下包层金属条载层保持平行。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、本发明所提出的SPPs波导可调谐环形滤波器，作为一种新型的集成光学滤波器，具有同时对滤波器的关键技术指标——谐振深度、谐振频率、滤波带宽进行精确调谐和控制的功能，而传统的集成光波导环形滤波器，由于其光波导不具备损耗双向可调的功能，无法利用单一器件实现上述三个指标同时精确控制的功能。

2、本发明采用SPPs波导取代光波导，实现对光信号的周期性滤波功能。该金属波导结构具有同时传输光信号和电信号的优点，并可通过电信号灵活的对光信号进行调制。就金属波导本身而言，和光波导器件相比，又具有制备工艺简单，稳定性高等优势。

3、由于SPPs波导的金属芯层可以实现光电信号复用功能，本发明所提出的SPPs波导可调谐环形滤波器，恰恰满足集成光学器件和技术更为成熟的集成电路实现互联的需求，不仅可以应用于集成光学***，还可以在集成光电混合***中得到广泛的应用。

附图说明

图1是表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器结构示意图。

图2是未覆盖环形加热器的表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器结构示意图。

图3是表面等离子体激元波导沿传输方向的截面结构示意图。

图4是组成SPPs谐振环的表面等离子体激元波导沿传输方向的截面结构示意图。

图5是SPPs可调谐方向耦合器的细部结构和光、电信号传输示意图。

图6为滤波器输出信号和耦合比K的关系曲线。A、B、C三条曲线分别对应耦合比K＜K_r，K＝K_r，K＞K_r时的滤波器透射谱线。

图7是不同功率的电信号对应的谐振频率移动效果，

图8是不同传输损耗对应的滤波宽度曲线。

以上的图中有：激元波导1、上包层12、下包层13、金属纳米线14、上金属条载层15、下金属条载层16、直线金属线空隙17；耦合器2、第一电极引脚21；谐振环3、环形加热器31、第二电极引脚32、第三电极引脚33、第四电极引脚34、弧形金属线空隙35。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。

本发明所提出的SPPs波导可调谐环形滤波器，利用金属SPPs波导作为传输回路，利用多波束干涉原理，实现滤波器功能。在SPPs波导内或上、下包层加金属条载加热器，通过电信号调节波导传输模式、传输损耗等参数，实现谐振深度、谐振频率、滤波带宽的精确调谐和控制功能。

本发明提出的SPPs波导可调谐环形滤波器的结构如图1、2所示。图1是SPPs波导环形滤波器的结构示意图。滤波器由SPPs波导1作为传输信号的媒介，由SPPs方向耦合器2和SPPs谐振环3组成。为了实现电信号调制的功能，在方向耦合器和谐振环的结构中分别引入电极引脚。

为了实现对谐振环弯曲波导损耗调谐的功能，在谐振环波导上、下包层分别引入金属环形加热器31。环形加热器为开口金属环，上包层的第三电极引脚33和下包层的第四金属引脚34不在同一平面内，这样的结构确保电信号可以从器件上方输入不同的加热器，并形成高效的回路。

未覆盖环形加热器的SPPs谐振环3结构如图2所示。其中金属线空隙35与第二电极引脚32作用与图5一致，将与图5一起具体介绍。

SPPs波导的结构如图3所示。为了实现较大的折射率可调范围和较长的传输距离，选取具有低折射率、低吸收损耗、高热光系数的氟化聚酰亚胺、紫外固化胶或具有类似性质的聚合物材料作为包层材料。选取金、银、铜、铝等良导体金属材料作为芯层材料。衬底11为表面经过抛光的硅片或石英，上包层12、下包层13厚度相等，且为15微米以上。金属纳米线芯层14截面为矩形，宽度为1至8微米之间，高度为15纳米。

组成SPPs谐振环的弯曲波导上、下包层增加了环形加热器，其截面波导结构如图4所示。上下包层均采用热蒸发或磁控溅射工艺蒸镀上金属条载层15、下金属条载层16，条载层宽度略大于金属纳米线14，高度为200纳米左右。

图5是SPPs波导复用光电信号的传输信号回路示意图。以可调谐方向耦合器结构为例：在金属纳米线14内引入金属线空隙17，空隙距离为1至5微米左右。由于SPPs模式信号可以无损耗的通过带有微小空隙的SPPs波导结构，所以SPPs模式信号沿实箭头方向传输。电信号由第二电极引脚21引入金属纳米线14，并由金属线空隙17限制其形成回路。因此，电信号的传输路径由虚箭头所示。输入电信号，改变金属线周围的包层介质折射率，从而改变方向耦合器的传播常数，即可控制耦合比，耦合比的改变量由电信号的功率决定。

谐振深度的具体调谐方法是这样实现的：

不同谐振深度对应的透射谱线如图6所式。由公式2可知，方向耦合器2的耦合比K决定了输出信号的谐振深度。设计耦合器初始耦合比K＞K_r，此时谐振环处于过耦合状态(overcoupled)，谐振深度较小(曲线C)。在方向耦合器的第二电极引脚21加电信号，耦合比K将逐渐减小，谐振深度将逐渐变大，直到最佳耦合状态(critical coupling)，此时耦合比K＝K_r(曲线B)。继续增大电信号，谐振深度逐渐减小，此时对应的是耦合不足状态(undercoupled)，此时耦合比K＜K_r(曲线A)。

谐振频率的具体调谐方法是这样实现的：

滤波器的谐振频率由公式4确定，当谐振环初始传输相位确定后，将对应一系列谐振频率，可通过在谐振环的金属纳米线芯层加电信号，改变SPPs波导的有效折射率N_eff，调谐谐振频率，并实现精确控制和选择。图7中的曲线表示不同功率电信号对应的谐振透射谱线具有不同的谐振频率。

滤波带宽的具体调谐方法是这样实现的：

当滤波器器件制备完毕之后，谐振环波导具有初始的损耗系数，对应的谐振带宽由公式5表示。当在上包层的环形加热器输入电信号时，加热器对包层进行加热。由于上下包层具有一定的温度梯度差，将影响SPPs模式的对称性，从而增加谐振环的传输损耗，损耗增幅和电信号的功率成正比，同时，可调节方向耦合器的耦合比，将谐振深度锁定在最佳耦合状态。当在上、下包层的加热器同时加热时，由于包层聚合物材料具有热光特性，包层折射率会随之降低，并且保证SPPs模式仍具有对称性。选取具有高热光特性(热光系数大于-3.0×10^-4)、高玻璃化温度的光学聚合物材料，通过环形加热器，将包层折射率大幅降低，从而降低SPPs信号传输能量在金属芯层内部的比例(由公式1确定)，减小谐振环内传输损耗，降低滤波带宽。不同传输损耗下的滤波宽度如图8所示。

Claims (5)

1.一种表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其特征在于：该滤波器包括表面等离子体激元可调谐谐振环(3)、在谐振环(3)外侧的表面等离子体激元波导(1)和环形加热器(31)；谐振环(3)与在其环外侧的表面等离子体激元波导(1)构成等离子体激元可调谐方向耦合器(2)，耦合器(2)和谐振环(3)由表面等离子体激元波导制作；环形加热器(31)覆盖在谐振环(3)上；两个直线金属线空隙(17)位于耦合器(2)两侧，且对称分布在谐振环(3)外侧的表面等离子体激元波导(1)上；两个弧形金属线空隙(35)位于耦合器(2)两侧，且对称分布在谐振环(3)上；两个第一电极引脚(21)制作在谐振环(3)外侧的表面等离子体激元波导(1)上，并与直线金属线空隙(17)之间的波导中的金属纳米线(14)形成回路；四个第二电极引脚(32)制作在谐振环(3)上，并与弧形金属线空隙(35)之间的波导中的两段金属纳米线分别形成回路；第三电极引脚(33)、第四电极引脚(34)制作在环形加热器(31)上。

2.据权利要求1所述的表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其特征在于，谐振环(3)外侧的表面等离子体激元波导(1)的芯层为金属纳米线(14)，厚度在10到20纳米之间，宽度为1至8微米之间，其上包层(12)、下包层(13)为具有高热光系数的有机聚合物介质材料，上、下包层厚度相等，均为15微米。

3.据权利要求1所述的表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其特征在于谐振环(3)外侧的表面等离子体激元波导(1)，在金属纳米线(14)中制作第一电极引脚(21)和直线金属线空隙(17)，形成电信号传输回路。

4.据权利要求1所述的表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其特征在于表面等离子体激元可调谐谐振环(3)，在谐振环的金属纳米线芯层(14)中制作第二电极引脚(32)和金属线空隙(35)，形成电信号传输回路。

5.据权利要求1所述的表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，其特征在于覆盖于谐振环(3)上的环形加热器(31)，环形加热器(31)为在谐振环(3)波导的上包层(12)、下包层(13)外侧的制作的上金属条载层(15)、下金属条载层(16)，其结构为开口金属环，上包层的第三电极引脚(33)和下包层的第四电极引脚(34)不在同一平面内。

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