【基于表面等离子体激元的金属结构滤波器设计】什么是等离子体

　　摘要： 金属表面等离子体激元所具有的近场增强、表面受限、短波长等特性为亚波长尺度的金属结构中光场局域化提供了可能性。利用它可以实现纳米级别、亚波长尺度内的高质量滤波。本文建立在表面等离子体理论的基础上，设计出一种方形腔结构，编写程序利用matlab和时域有限差分法模拟，并通过改变结构的宽度、高度和耦合长度等参数，分析光波通过该金属结构后的透射性质，结合振幅分布，总结了其在滤波器中的应用。
　　Abstract: With the properties of near-field enhancement, surface confinement and short wavelength, the metal surface plasmon polaritons makes optical field in local area of subwavelength metal structure possible. Using it can achieve nanometer level, subwavelength scale of high quality filtering. This paper based on the surface plasmon resonance theory， designed a kind of square cavity structure by using matlab program and Finite-Difference Time-Domain simulations, with changing the parameters such as the width, height of the structure and the coupling length, through the metal structure analysis of optical waves, combining with the transmission properties and amplitude distribution, summarized its application in filter.
　　关键词： 表面等离子体；亚波长金属结构；透射增强
　　Key words: surface plasmons；subwavelength metal structure；transmission enhan
　　 中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）11-0047-02
　　
　　0 引言
　　表面等离子体激元[1-3]（简称SPPs）是在金属-介质界面上自由电子与具有相同共振频率的光波发生的一种集体振荡。其本质是一种倏失波，在平行于金属表面的方向上传播，在垂直于金属表面的方向上能量以指数形式衰减。传统光学由于衍射极限的限制，光子器件只能做到波长量级，无法满足集成光学的需求，SPPs穿透进金属的深度取决于趋肤深度，大约为10nm，比入射光波小2个数量级，为亚波长尺度的金属结构中光场局域化提供了可能性。SPPs具有近场增强、表面受限、短波长等特性。基于SPPs的光子器件克服了光学的衍射极限，大大减小了器件的空间尺寸和电磁场的相互作用距离，其近场增强特性大大补偿了光场能量的损失。使得微纳米（亚波长）范围内的光学集成成为可能。
　　近年来，研究者提出了许多金属表面等离子体的各种功能器件[2-11]，其中基于SPPs的调制器具有很强的实用性。可以实现纳米级别、亚波长尺度内的高质量滤波,是未来光集成器件可能的发展方向之一，使全光回路的实现成为可能。本文研究的基于表面等离子体激元的金属结构亚波长腔滤波器，对微纳米光学集成器件的开发具有重要的意义。
　　1 基本结构模型
　　时域有限差分（FDTD）方法是一种研究光子晶体特性时常用的方法，该方法是从Maxwell方程出发，对电磁场的E，H分量在空间和时间上采取交替抽样的离散方式，使含时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为一组差分方程，并在时间轴上逐步推进地求解空间电磁场。
　　在Matlab软件环境下，通过编写程序数值模拟垂直入射的高斯光束透射过金属方形腔结构的过程，得到透射谱和电场、磁场分布，设计并研究表面等离子体滤波器，通过改变结构参数的变化，研究各参数对滤波的影响。
　　本文运用二维FDTD法，以完全匹配层作为四周的边界条件，光源在时间和空间满足高斯光束，模拟光波通过该方形腔结构的过程。该模型的基本结构如图1所示，图中，黑色部分是金属结构、白色部分为空气，a为方形腔的宽度，h是腔的高度，w是方形腔与波导之间的耦合长度，模拟计算的过程中波导的厚度t=70nm始终保持不变。入射波为TM偏振（Ex，Ey，Hz≠0）的脉冲，其中心频率对应的波长λ=1100nm，且脉冲的频谱波段为700nm至1800nm。
　　整个过程要得到归一化的透射谱，首先放上结构，计算后得到的是透射波的时间响应，对其进行傅立叶变化后得到透射谱p1，然后拿掉结构再次计算，得到的是入射波的时间响应，对其进行傅立叶变化得到入射谱p2，最后用透射谱除以入射谱后再平方便得到归一化透射率p=（p2/p1）2。
　　2 计算结果与分析
　　首先，t=70nm始终不变，在设定a=400nm，h=400nm的情况下考察耦合长度w对透射性质的影响，当w分别取10nm、20nm、30nm时得到的归一化透射谱如图2所示。
　　从图2我们不难看出，随着耦合长度的增大，光波的透过率会有所降低，且两个透射峰会逐渐靠拢，同时透射峰变窄并呈现略微的蓝移。说明要获得较高的透射率，波导与方形腔之间的耦合长度不能取得太大，10nm的耦合间距是较好的选择。
　　取定w=10nm后，依然保持t=70nm不变，固定h=400nm，考察方形腔的宽度a对透射性质的影响。得到a分别等于400nm、450nm、500nm时的归一化透射谱如图3所示。
　　图中，a=400nm时，出现了两个透射峰，其对应的入射波长分别为λ=955nm和λ=1002nm；a=450nm时，透射峰所对应的入射波长为λ=1056nm；a=500nm时，透射峰对应的入射波长为λ=1186nm。该结果表明，随着方形腔的宽度a的增大，透射峰红移，且从图上容易得出，a增大可使透射率有所降低，且存在明显透射现象的频谱范围变大。根据透射性质随a变化的规律，可将这种结构应用在滤波器中并通过改变a的取值来达到过滤不同频率光波的目的。
　　为了进一步了解方形腔透射性质随宽度a变化的现象，我们考察了图3中的四个峰值所对应的波长的磁场振幅强度Hz的分布，得到的结果如图4所示。
　　由图4，我们可以看到，随着方形腔宽度a的不断增大，腔内峰值波长所对应的磁场振幅强度并没有太大的变化，但被反射掉的光强逐渐增大，正是由于这种增强了的反射，使得光波的透射有所减弱。
　　除了考察耦合长度w和方形腔a的长度变化对透射现象的影响外，我们还研究了方形腔的高度h的变化对透射性质的影响。
　　模拟计算的过程中，固定w=10nm、a=400nm，得到h分别等于400nm、450nm和500nm时的归一化透射谱如图5所示。
　　从图5我们可以看出，随着高度h的增大，透射谱会变得比较平坦，且存在明显透射现象的频谱范围会有轻微的缩短，但透射峰所对应的波长及其透射率并没有发生明显的变化。这说明了高度h的变化并不会对方形腔的透射性质产生非常明显的影响。所以，在应用中，对高度h的要求应结合制作工艺来考虑，不必对其进行过高的限制。
　　3 总结
　　本文基于表面等离子体理论和亚波长光学理论，利用FDTD方法，编写程序，模拟通过金属结构亚波长方形腔的透射现象。由于照射到结构上的光在金属表面会激发表面等离子体，当满足一定的条件时，可在实验中观察到透射增强现象。
　　金属结构上刻有一个亚波长的方形腔时，研究了在结构的计算区域、波导厚度、介质不变的情况下，方形腔结构的宽度、高度以及腔和波导之间的耦合距离对透射的影响。
　　①随着耦合长度的增大，光波的透过率会有所降低，且两个透射峰会逐渐靠拢，同时透射峰变窄并呈现略微的蓝移。
　　②随着方形腔的宽度a的增大，透射峰红移、透射率有所降低，且存在明显透射现象的频谱范围变大。
　　③随着高度h的增大，透射谱会变得比较平坦，且存在明显透射现象的频谱范围会有轻微的缩短，但透射峰所对应的波长及其透射率并没有发生明显的变化。
　　④随着方形腔宽度与高度的同时增加，第一个透射峰的透射率逐渐降低同时第二个透射峰的透射率不断增加，且所有的透射峰都表现出了红移。
　　参考文献：
　　[1]王庆艳，王佳，张书练.基于金属表面等离子激元控制光束的新进展[J].光学技术，2009，35（2）.
　　[2]杨翼然，蔡祥宝，连艳杰，刘辉.基于表面等离子激元的新型可调谐微共振环滤波器分析[J].电子元器件应用，2010，12（3）：79-80.
　　[3]赵光跃，蔡祥宝，刘耀辉.基于表面等离子激元谐振环的滤波特性分析[J].电子元器件应用，2011，13（9）：15-17.
　　[4]Tong-Biao Wang, Xie-Wen Wen, Cheng-Ping Yin, et al. The transmission characteristics of surface plasmon polaritons in ring resonator[J]. Optical Society of America, 2009，17（ 26）：24096．
　　[5]Hideki T. Miyazaki, Yoichi Kurokawa. Squeezing Visible LightWaves into a 3-nm-Thick and 55-nm-Long Plasmon Cavity[J]. PHYSICAL REVIEW LETTERS, 2006．
　　[6]Sanshui Xiao, Liu Liu and Min Qiu. Resonator channel drop filters in a plasmon-polaritons metal[J]. Optical Society of America, 2006，14（ 7） ：2932．
　　[7]Hua Lu, Xueming Liu,Dong Mao, et al. Tunable band-pass plasmonic waveguide filters with nanodisk resonators[J]. Optical Society of America, 2010，18（17） ：17922．
　　[8]G. Lerosey,D. F. P. Pile, P. Matheu,et al. Controlling the Phase and Amplitude of Plasmon Sources at a Subwavelength Scale[J]. American Chemical Society, 2008．
　　[9]Guoxi Wang,Hua Lu,Xueming Liu,et al. Tunable multi-channel wavelength demultiplexer based on MIM plasmonic nanodisk resonators at telecommunication regime[J]. Optical Society of America, 14 February 2011 ，19（4）：3513.
　　[10]吴斌，王庆康.基于金属表面等离子体的光学器件[J].半导体光电，2006，27（5）.
　　[11]王保清，郑臻荣，顾培夫，等.金属薄膜亚波长微结构的光束集束器件设计[J].光子学报，2009，38（3）.

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