一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器制造技术

一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜上刻蚀有波导管，在该波导管两侧非对称刻蚀半圆腔，该半圆腔通过通道和波导管贯通，在波导管、半圆腔和通道中填充空气形成空气层。本发明专利技术首次提出一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器。在同等半径下，半圆腔结构相比于圆盘或圆环结构可以减小一半的结构尺寸。而结构尺寸的减小则可以大大提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度。其次，采用基于口径耦合的横向非对称分布半圆腔结构可提高此滤波器的耦合效率并拓展其带宽。最后还具有结构紧凑、尺寸小，器件易制备等特点。

A MIM filter with transverse asymmetric semicircular cavity based on aperture coupling

An aperture coupled lateral asymmetric half cavity MIM filter based on the structure, including the metal film and the air layer on the metal film are etched on the waveguide, the non symmetric semicircular cavity on both sides of the etching waveguide, the semicircular cavity through the channel and the waveguide, the waveguide, semicircular cavity and channel filled with air to form air layer. The present invention proposes a MIM filter with transverse asymmetrical semicircular cavity based on aperture coupling for the first time. In the same radius, the semicircular cavity structure can be reduced by half of the structure size compared to the disk or torus structure. The integration density of micro nano integrated optical devices in integrated optical circuits can be greatly improved by reducing the structure size. Secondly, the aperture coupling based transverse asymmetric distributed semicircle cavity structure can improve the coupling efficiency and broaden the bandwidth of the filter. Finally, it has the characteristics of compact structure, small size and easy fabrication of the device.

【技术实现步骤摘要】
一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器
本专利技术涉及微纳集成光学器件
，具体是指利用口径耦合的方法构造的一种表面等离激元横向非对称半圆腔MIM(Metal-Insulator-Metal，金属-介质-金属)结构滤波器。
技术介绍
表面等离激元波（SPPs，SurfacePlasmonpolaritons）是一种沿着金属介质表面传播的电磁表面波，在垂直于界面方向以指数形式衰减。SPPs具有良好的局域特性，并能突破传统光学中的衍射极限，从而实现亚波长光学器件的集成。SPPs的多层系统中有两种最典型的三层结构是IMI和MIM。相比于IMI结构，MIM结构拥有更小的模式尺寸，可以将传播长度限制在微米量级（如JournalofPhysicsDAppliedPhysics,2010,43(38):385102-385109(8).）。因此，MIM型结构的SPPs传输可用于光学器件构造中，这有助于实现超密集的集成光电路。目前，基于MIM结构SPPs的光学功能器件已经在理论和实验研究方面取得了突破，其中滤波器技术在微纳集成光学器件发展中至关重要。基于MIM结构SPPs滤波器常见的耦合方式主要有直接耦合、边界耦合、口径耦合三种。直接耦合对应的滤波器一般为带通滤波器（如OpticsExpress,2009,17(26):24096-101，OpticsExpress,2011,19(4):3513-8.和Plasmonics,2015,10(1):139-144.）；边界耦合对应的滤波器一般为带阻滤波器（如JournalofModernOptics,2015,62(17):1400-1404，Plasmonics,2013,8(2):267-275.和OpticsExpress,2006,14(7):2932-7.），且这两种耦合方式构成的滤波器其带宽相对较窄。除此之外，SPPs波在金属中的趋肤深度在20nm左右，这两种耦合方式在耦合间距小于20nm时才能获得有效的耦合，因此，这两种耦合方式在耦合效率和器件制备上有不小的挑战。口径耦合构造的滤波器相对另外两种耦合方式来说可以提高耦合效率，并且通过改变耦合口径的宽度和高度可以调节耦合强度（如OpticsExpress,2009,17(15):12678-84.，OpticsCommunications,2013,294(5):368-371.和OpticsExpress,2011,19(4):3251-7.）。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，可以提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度，同时提高此滤波器的耦合效率并拓展其带宽。为此，本专利技术所采用的技术方案为：一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜上刻蚀有波导管，在该波导管两侧非对称刻蚀半圆腔，该半圆腔通过通道和波导管贯通，在波导管、半圆腔和通道中填充空气形成空气层。所述半圆腔的半径r为50nm～100nm，通道口径A为35nm～50nm，半圆腔中心之间的距离为D为150nm～250nm。本专利技术首次提出一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器。在同等半径下，半圆腔结构相比于圆盘或圆环结构可以减小一半的结构尺寸。而结构尺寸的减小则可以大大提高微纳集成光学器件在集成光电路中的集成密度。其次，采用基于口径耦合的横向非对称分布半圆腔结构可提高此滤波器的耦合效率并拓展其带宽。最后还具有结构紧凑、尺寸小，器件易制备等特点。本专利技术利用口径耦合的方法构建的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，其通带和阻带宽，带内分布平坦；通带透射比超过90%,阻带透射比低于5%；通过选择结构参数，可以实现对光通信波段850nm，1310nm和1550nm三个通信工作窗口的通断控制选择。附图说明图1为本专利技术口径耦合横向非对称MIM滤波器结构剖面示意图；图2为本专利技术双半圆腔横向非对称结构滤波器透射谱分布图；图3为本专利技术改变参数r保持其它结构参数不变(D=200nm,A=40nm):(a)透射谱线与参数r的关系图；(b)带宽与参数r的关系图；(c)陡峭度与参数r的关系图；附图4为本专利技术改变参数D保持其它结构参数不变(r=100nm,A=40nm):(a)透射谱线与参数D的关系图；(b)带宽与参数D的关系图；(c)陡峭度与参数D的关系图；附图5为本专利技术改变参数A保持其它结构参数不变(r=100nm,D=200nm):(a)透射谱线与参数A的关系图；(b)带宽与参数A的关系图；(c)陡峭度与参数A的关系图；附图6为本专利技术在优化结构参数后获得的透射谱分布图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术做进一步的详细描述。参照图1，一种表面等离激元横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，在金属膜1上刻蚀有波导管2，在该波导管2两侧非对称刻蚀半圆腔3，该半圆腔3通过通道4和波导管2贯通，在波导管2、半圆腔3和通道4中填充空气形成空气层。其中半圆腔3的半径为r，通道4的口径为A，半圆腔3最底端与波导管2的距离为d，两半圆腔3中心之间距离为D，输入输出端口与半圆腔3的距离为L，波导管2的宽度W。L和W固定为300nm和50nm，为剔除半圆腔3与波导管2之间的倐逝耦合将d固定为50nm，可变结构参数初始化为A=40nm，r=100nm，D=200nm。透射系数T定义为，其中和分别为输入和输出端口处的功率。本专利技术中介质选用空气，金属选用银Ag，其相对介电常数采用标准Drude模型计算，，式中无穷介电常数取为，等离子体频率，电子碰撞频率。在上述结构及参数条件下，本专利技术传输特性验证优化过程如下：1、保持初始化结构参数(r=100nm,D=200nm,A=40nm)不变，其透射谱线分布图参见图2所示。其透射谱分布类似矩形滤波器，具有透射比高，通带和阻带的带宽较宽，透射谱线平滑等特性。光通信波段中第一光通信窗口(中心波长为850nm)位于此结构透射谱的通带，第二、第三光通信窗口(分别位于1310nm,1550nm处)位于其透射谱的阻带。2、为探究可调节结构参数A，r，D对本专利技术滤波器传输特性的影响，其结果参见图3、图4和图5。在保持其余结构参数不变的情况下对可调节结构参数A，r，D进行逐一分析。分析结果表明：结构参数r，A，D对透射谱的通带和阻带的带宽，上升沿和下降沿的陡峭度及透射谱线的移动均有影响。具体如下：本专利技术的MIM结构滤波器的透射谱线类似于矩形滤波器（见图2）。为更好地呈现结构参数与通带和阻带的带宽之间的关系，我们定义带宽(BW)：短波长处通带的带宽为透射比大于0.8部分的谱线宽度，阻带的带宽为透射比小于0.05部分的谱线宽度。此外为了描述透射谱线上升沿和下降沿的陡峭度与结构参数的关系，本专利技术中定义陡峭度(SD)：,其中SW为透射比0.8（0.2）到0.2（0.8）之间的下降沿（上升沿）的谱线宽度，0.6为透射比0.8与0.2之差，陡峭度的单位为微米-1。此时，SD可直观地反映上升沿和下降沿陡峭度的大小。SD越大，陡峭度越大。当改变结构参数r而其它参数保持初始值不变(D=200nm,A=40nm)，参见附图3(a)，随着r的增大，透射谱线出现明显的红移现象本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，其特征在于：在金属膜（1）上刻蚀有波导管（2），在该波导管（2）两侧非对称刻蚀半圆腔（3），该半圆腔（3）通过通道（4）和波导管（2）贯通，在波导管（2）、半圆腔（3）和通道（4）中填充空气形成空气层。

【技术特征摘要】
1.一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，包括金属膜和空气层，其特征在于：在金属膜（1）上刻蚀有波导管（2），在该波导管（2）两侧非对称刻蚀半圆腔（3），该半圆腔（3）通过通道（4）和波导管（2）贯通，在波导管（2）、半圆腔（3）和通道（4）中填充空气形成空气层。2.根据权利要求1所述的一种基于口径耦合的横向非对称半圆腔MIM结构滤波器，其特征在于：所述半圆腔（3）的半径r为50nm～100nm，通道（4）口径A为35nm～50nm，半圆腔（3）中心之间的距离为D为150nm～250nm。3.根据权利要求2所述的一种基于口径耦合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张冠茂，王志爽，乔利涛，刘海瑞，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：甘肃,62