等离子体诱导透明的T形-圆形波导滤波器

吴德昌， 杨 树

(北京邮电大学 理学院， 北京 100876)



等离子体诱导透明的T形-圆形波导滤波器

吴德昌*， 杨 树

(北京邮电大学 理学院， 北京 100876)

提出一种新型的由T形与圆形谐振腔组成的光学滤波器，并利用二维有限元法研究了它的特性。仿真结果显示，当这两个腔在共振峰附近处于失谐状态时，会产生电磁诱导透明现象；同时，由于两个腔的透射谱形是不同的，所以当改变圆形腔的半径或T形结构的宽度时，总体结构的透射谱形会呈现为一种Fano线，这种变化尖锐非对称的Fano线使得结构对于折射率的敏感性高达1 400 nm/RIU。本文还研究了滤波器特性随结构尺寸的变化，发现在滤波器几何结构一定的情况下，透射只发生在特定的波长处。该滤波器可以用于光子回路和灵敏探测。

表面等离激元； 滤波器； 耦合共振； 品质因子

1 引 言

表面等离激元(Surface plasmon polaritons，SPPs)[1]是在金属与介质的接触分界面区域，因自由电子和光子的相互作用而形成的具有很多独特性质的特殊传输电磁模。当光波垂直入射到金属与介质的分界面时，金属表面的自由电子会发生集体振荡，如果电子的集体振荡频率与入射光波的频率一致即发生共振时，入射光波的能量会被有效地转化为金属表面自由电子的集体振动，并形成一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属与介质分界面，并且能量在金属与介质两侧成指数衰减。

最近十几年来，与金属波导结构中的表面等离激元相关的研究工作引起了科研人员的广泛关注，国内外在理论和实验方面对基于表面等离激元的滤波器进行了深入的研究，设计了很多基于MIM波导且结构简单的表面等离激元滤波器，如齿形滤波器[2]、基于耦合结构的滤波器[3]、矩形腔滤波器[4]以及环形腔滤波器[5]等。这些基于表面等离基元的滤波器都具有结构简单、易于加工和尺寸小等优点，但是不足的是分辨率并不是很高。随着通信技术的发展，传输速率的提高，人们对滤波器的带宽、损耗及波长可调范围等性能指标有了越来越高的要求。窄带光学滤波器是一种很重要的波长选择性耦合器，当信号传输到这种器件之中时，只有光频率与滤波器中心频率一致，该成分才被允许通过，而其他频率成分的光波都会被阻挡。近年来在光纤通信中，由于“频分复用(FDM)”技术的提出，使得窄带光学滤波器，尤其是宽谱可调谐滤波器的研究受到重视。窄带光学滤波器可以在这种密集频率复用的信号中提取所需的单频信号光。在其他方面如光信号的放大、相干解调、微弱光信号探测等，窄带光学滤波器可以滤掉较强的背景光噪声，对有用的弱光信号的提取具有重要意义。

谐振腔滤波器主要是基于电磁波在封闭腔内进行全发射的原理来实现的。由于SPPs在金属介质内部有一个20～30 nm的渗透深度，因此当谐振腔的壁厚度小于这个渗透深度时，SPPs的一部分会穿透谐振腔壁进行传播。本文正是基于这一特性，在传输路径两侧各添加了一谐振腔，起到了限制传输的作用。

2 仿真模型

本文提出了一种新型的基于等离子体诱导透明的光学滤波器，在该滤波器中，T形和圆形谐振腔分别处于传输波导的两侧。它可以抑制特定波长的透射，且该波长处于光通信波段，更重要的是，还可以通过改变两个谐振腔的几何尺寸来抑制不同波长的透射。同时，滤波器的几何尺寸达到纳米量级，这一优良特性极大地扩展了其在等离子和半导体光子器件中的应用，可以被应用于定向耦合器和高集成的光子回路[1,6-7]等器件中。

双边T形-圆形波导的结构如图1所示，波导的宽度w取50 nm；h是T形腔的高度，取100 nm；L是T形腔的宽度；d是圆形腔与传输波导的耦合距离，始终保持为10 nm；r是圆形腔的半径。基本的TM模式波在波导的左端激发，分别在输入和输出端口检测通过的能流大小，透射率定义为输出能流与输入能流的比值。

Fig.1 Schematic of a double-sided T-shaped-disk nanoplasmonic waveguide

3 仿真结果与分析

一个典型的T形-圆形的透射谱如图2所示，其中又画出了单个T形和圆形波导滤波器的透射谱作为对比。在图中可以看到，整个透射谱型是一个谷(T1)，呈洛伦兹线形，这是由T形谐振腔引起的。然而，在T1中间位置存在一个透射峰(P1)，波长约为1 555 nm。这个透射峰的出现是由于T形和圆形腔的失谐引起。在原本是谷的位置出现了一个透射峰，这种现象叫做等离子体诱导透明(Plasmon-induced transparency,PIT)。

图2 双边T形-圆形的透射谱以及单一T形和圆形的透射谱

Fig.2 Transmission spectra of a double-sided T-shaped-disk waveguide filter withL=200 nm,r=415 nm,d=10 nm, a single-sided T-shaped waveguide filter withL=200 nm and a disk-shaped waveguide filter withr=415 nm,d=10 nm, respectively.

图3(a)、(b)、(c)分别是左边的下降谷(Left dip)、透射峰P1、右边的下降谷(Right dip)的场分布。在这两个腔的谐振波长附近，表面等离激元波在两个腔之间强烈地反射，形成一个新的等离子体腔，导致窄的透射峰(P1)的形成。同时，从图3(a)可以看到，左边的下降谷主要是由T形结构的谐振反射引起的。

为了更好地理解PIT的发生，我们分析了单一T形或者单一圆形波导的情形。当输入的光波场遇到一个纳米圆形腔时，部分能量将会耦合到腔中。如果满足谐振条件，在纳米圆形腔中会形成稳定的驻波模式。当达到谐振模式时，需要满足下面的条件[8]:

Fig.3Hyfiled distributions at the left dip (a), P1 (b) and right dip (c) in the coupled plasmonic resonator system. The intensity of the field is normalized to unit.

(1)

为了证实该滤波器在传感器应用上的可行性，我们对该滤波器的传感特性进行了研究。结果如图5所示，当折射率从1变为1.01时，共振波长有14nm的红移。传感器的灵敏度(nm/RIU)一般定义为每单位折射率变化引起的共振波长的移动，所以，本文结构的灵敏度为1.4×103nm/RIU。我们可以通过改变结构的几何参数或传输介质折射率n得到想要的透射谱型。这个结构可能会在高度集成的光子环路和纳米传感中得到应用[9-15]。

图4 (a) 不同T形腔宽度L下的滤波器的透射谱；(b) 右边的下降谷、透射峰随L的变化；(c)不同圆形腔半径r下的滤波器的透射谱；(d) 左边的下降谷、右边的下降谷、透射峰随r的变化。

Fig.4 (a) Transmission spectra of the waveguide filter for differentL. (b)Variation of the left dip and P1 withL. (c) Transmission spectra of the waveguide filter for differentr. (d) Variation of the left dip, right dip and P1 withr.

考虑到激光在应用中的重要性，我们可以定义品质因子KFOM*=ΔT/TΔn，其中T是透射率，ΔT是单位波长下透射率的变化。根据该公式，我们可以得到新的品质因子随波长的变化，如图5(b)所示。很明显，峰值出现在波长1 397 nm处，这是因为不同折射率Fano线在该处透射率反差最大，如图5(a)所示。

4 结 论

本文研究了基于双边耦合的T形-圆形谐振腔的表面等离激元滤波器。当这两个腔在共振峰附近处于失谐的状态时，会产生电磁诱导透明现象。同时，由于两个腔的透射谱形是不同的，当改变圆形腔的半径或T形结构的宽度时，总体结构的透射谱形会呈现为一种Fano线。这种变化尖锐非对称的Fano线使得结构对于折射率的敏感性高达1 400 nm/RIU。因此，我们可以通过改变结构的几何参数或传输介质折射率n得到想要的透射谱型。这个结构可能会在高度集成的光子环路和纳米传感等方面得到应用。

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吴德昌(1989-)，男，福建大田县人，硕士研究生，2013年于哈尔滨工业大学获得学士学位，主要从事光学、表面等离激元方面的研究。

E-mail： wudedechang168@163.com

Double-sided T-shaped-disk Waveguide Filters Based on Plasmon-induced Transparency

WU De-chang*, YANG Shu

(SchoolofScience,BeijingUniversityofPostsandTelecommunications,Beijing100876，China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:wudedechang168@163.com

The coupled-resonator structure consisting of a T-shaped resonator and a nanodisk resonator was proposed and numerically investigated by using a two-dimensional finite element method. When the two cavities are at the condition of detuning, the plasmon-induced transparency (PIT) and the sharp asymmetric Fano lines will appear due to the difference of the cavities’transmittance. Fano-lines increase the sensitivity to 1.4×103nm/RIU. The properties of the structure with different radii of the nanodisk and the length of the rectangle cavity were also analyzed. It is found that the PIT only happens when the staggered system is at around of a fixed location with different geometric construction. This model may be important for photonic-integrated circuits and the sensitivity in sensors.

surface plasmon polarizations; waveguide filter; coupled resonator; quality factor

1000-7032(2016)10-1287-05

2016-05-06；

2016-06-29

O539

A

10.3788/fgxb20163710.1287