CN208569082U - 一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率介质层。本实用新型的一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅匹配滤波器，结构简单，能够实现在禁带1550nm附近宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射，且可以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
Description
技术领域
本实用新型属于用于光通信、集成光学等领域的人工微结构材料，尤其涉及一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器。
背景技术
近年来人们发展了多种纳米光波导结构来满足集成光子器件领域的高集成度要求，如光子晶体波导、等离激元波导等。其中，表面等离激元波导因其突破衍射极限的尺度和光电集成的材料特性被广泛关注。然而金属带来的损耗导致波导模式的传输距离很小，限制了表面等离激元波导及波导型器件的应用。近年来，能有效降低损耗和增大了传输距离的混合等离激元波导结构备受关注。混合等离激元波导(hybrid plasmonicwaveguides,HPWs)的关键点就是在金属和高折射率介质间引入了低折射率间隙，使得波导结构能够在介质波导的低损耗和表面等离激元波导的模式约束能力之间获得较好的折中。由此各种基于HPWs的集成光子器件被设计出来，例如表面等离激元纳米透镜、高效的光学调制器、偏振光束器等等。
其中，作为波长依赖的光子器件布拉格光栅，结合HPWs结构以杰出的滤波特性和低损耗特性吸引了很多学者的研究。Jiansheng Liu等人设计了一种基于 HPWs的纳米结构光栅(Xiao J,Liu J,Zheng Z,et al.Design and analysis of a nanostructuregrating based on a hybrid plasmonic slot waveguide[J].Journal of Optics,2011,13(10):105001.)，它可以用作TM模式的宽带滤波器。Daoxin Dai 等人也利用HPWs设计了一种结构简单、性能优良的超宽带宽带TM通偏振器 (Guan X,Xu P,Shi Y,et al.Ultra-compact Broadband TM-pass Polarizer Using a Silicon Hybrid PlasmonicWaveguide Grating[C]//Asia Communications and Photonics Conference.2013.)。值得注意的是，当频率处于通带位置时光栅结构的透射谱的总是存在明显的震荡，这对一些灵敏度不高的探测器来说是不适宜的。所以研究如何在减少透射谱振荡和提高透过率的同时保持滤波的良好特性是非常有意义的。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其结构简单，能实现在中心波长1550nm 附近宽波段的TM模式的滤波作用，且能根据需要对低频通带、高频通带及禁带的透射谱进行调节优化。
为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率介质层。
进一步的，金属Ag层厚度为100nm，高折射率材料Si层厚度为230nm，低折射率介质层厚度为50nm。
进一步的，低折射率层包括两端的导纳匹配区和中间的布拉格结构区。
进一步的，布拉格结构区由两种低折射率材料交替排列呈周期性结构，所述导纳匹配区采用一种低折射率材料，所述低折射率材料为TiO2和SiO。
进一步的，布拉格结构区内两种低折射率材料交替排列周期长度为320nm，一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5，周期数为10.5；导纳匹配区位于光栅两端，由同种低折射率材料填充，导纳匹配区的长度为80nm或210nm。
进一步的，两种低折射率材料的长度根据布拉格反射条件在入射波长 1550nm下求出。
进一步的，混合等离激元波导布拉格光栅能够实现在禁带1550nm的宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射。
一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，是由金属条Ag和高折射率材料Si及其中间周期交替填充介质TiO2(n＝2.52)和SiO2 (n＝1.46)构成。其中低折射率层根据长度的设置方式不同，分为布拉格结构区和导纳匹配区。
含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅匹配滤波器，位于两端的匹配区低折射材料采用同一种材料，内部的布拉格结构区内两种低折射率材料呈周期***替排列，其周期长度Λ根据布拉格反射条件qλ/2＝nneff,1dB+nneff,2(Λ-dB) 得出，在入射波长λ＝1550nm求出。其中，q是布拉格反射的级数，通常取1。两种低折射率材料在波导中的有效折射率分别为nneff,1和nneff,2，且一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。介质交替排列周期长度为320nm，两种介质的占比为1:1，周期数为10.5，即波导的前后两端为同种低折射率材料。
含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅匹配滤波器，其通过改变导纳匹配区的结构尺寸，使得透射谱在禁带的两侧的震荡(这也是多层光栅结构的特性)减小且能够提高通带的透过率。利用导纳匹配原理，通过对波导匹配区的长度进行调制，使得其导纳值达到一个特定的最优值Yop＝Xop+iZop。该最优值是通过计算的布拉格结构区最外层的导纳实现的。在设定外界的环境折射率 nsub＝1条件下，通过调整匹配层长度dM使得匹配层的导纳YM的数值趋近于 Yop，即实现导纳匹配，继而实现对TM模式低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅匹配滤波器，结构简单，能够实现在禁带1550nm附近宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射，且可以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
附图说明
图1是实施例的HPWBG的结构示意图。
图2是实施例入射光从空气中垂直入射HPWBG的透射谱，(a)-(c)分别为dM等于160nm、80nm和210nm时TE和TM模式的透射谱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型做详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅匹配滤波器的结构示意图。金属Ag层和高折射率介质Si层之间交替排列低折射率材料SiO2和TiO2。其中低折射率层根据长度的设置方式不同，分为布拉格结构区和导纳匹配区。在本实施例中设置各参数如下：hSi＝230nm，hl＝50nm，wSi＝400nm， wm＝hm＝100nm，dB＝Λ/2＝160nm，周期数N＝10.5，即波导的前后两端为同种低折射率材料TiO2。
图2为入射光从空气中垂直入射含有导纳匹配结构的HPWBG的透射谱。图2(a)-(c)分别为导纳长度dM等于160nm、80nm和210nm时TE和TM 模式的透射谱。结合表1中给出的不同频率下的导纳值Y可见，在TE模式下，透射谱类似于直波导，dM的改变对其透射谱的影响较小，并且随入射频率的减小而截至。在TM模式下，dM的改变对其透射谱的影响较大，当dM＝dB时，Yop和YM的值相差较大，此时禁带两侧的通带透射谱都存在明显的震荡，但当匹配层的长度dM进行调制后(如80nm与160nm时)，Yop和YM的差值在低频通带 (如0.7eV)和高频通带(如0.9eV)位置都相应减小，透射谱此时也得到相应地平滑和增大，即可以通过对匹配层的宽度调制达到优化特定波段透射谱的效果。
表1导纳值Y
由此实施例可以看出，本实用新型提出的一种含有导纳匹配结构的混合等离激元波导布拉格光栅匹配滤波器。其结构简单，能实现在中心波长1550nm附近宽波段的TM模式的滤波作用，通过导纳匹配对匹配层长度进行调制继而根据需要对低频通带、高频通带及禁带的透射谱进行调节优化。
Claims (7)
1.一种混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率介质层。
2.根据权利要求1所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述金属Ag层厚度为100nm，高折射率材料Si层厚度为230nm，低折射率介质层厚度为50nm。
3.根据权利要求2所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述低折射率层包括两端的导纳匹配区和中间的布拉格结构区。
4.根据权利要求3所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述布拉格结构区由两种低折射率材料交替排列呈周期性结构，所述导纳匹配区采用一种低折射率材料，所述低折射率材料为TiO2和SiO。
5.根据权利要求4所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述布拉格结构区内两种低折射率材料交替排列周期长度为320nm，一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5，周期数为10.5；导纳匹配区位于光栅两端，由同种低折射率材料填充，导纳匹配区的长度为80nm或210nm。
6.根据权利要求5所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述两种低折射率材料的长度根据布拉格反射条件在入射波长1550nm下求出。
7.根据权利要求1所述的混合等离激元波导布拉格光栅偏振滤波器，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅能够实现在禁带1550nm的宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射。
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| CN114384621A (zh) * | 2022-02-11 | 2022-04-22 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种基于双等离激元共振的角度不敏感窄带滤波器 |
| CN114660714A (zh) * | 2022-03-15 | 2022-06-24 | 南京邮电大学 | 一种tm通偏振滤波器 |
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