一种可调的表面等离激元滤波器的制作方法

本实用新型涉及一种可调滤波器装置，尤其是纳米尺度的可调表面等离激元滤波器装置。

背景技术：

表面等离激元是光入射在金属和介质表面形成的一种电磁场与金属内部电子相互耦合的电磁波。表面等离激元的主要特点是波长短、能量高度局域化、可以突破光学衍射极限。因此，利用表面等离激元可以制成突破衍射极限的纳米光学器件。表面等离激元滤波器是纳米光学器件中的核心部件。利用表面等离激元滤波器与表面等离激元波导结构耦合，可以制作多种纳米光学器件，比如表面等离激元分束器，表面等离激元衰减器，纳米光学传感器等(参见G.An et al.，Applied Optics，55(2016)1262；J.Yang et al.，Optics Lett.40(2015)978；Y.Liu et al.，Optics Express，23(2015)20540；H.Nasari and M.S.Abrishamian，Journal of Lightwave Tech.，33(2015)4071；T.Nikolajsen et al.，Opt.Commun.244(2005)455；X.Zhai et al.，J.Nanomaterials 2013(2013)484207；D.Xiang and W.-J.Li，J.Mod.Opt.61(2014)222；G.Gagnon et al.，J.Lightwave Technol.24(2006)4391；T.Nikolajsen et al.，Appl.Phys.Lett.85(2004)5833；Z.H.Han et al.，IEEE Photon. Technol.Lett.19(2007)91等文献)。

表面等离激元的传输特性与金属和电介质的介电性质密切相关，因此改变电介质的介电常数就可以改变表面等离激元的传输特性，进而可以改变表面等离激元滤波器的特征波长。利用调控电介质的介电常数，可以制作可调的表面等离激元滤波器。如文献(Xi Chen，Ru Zhang，Peilin Lang，Huichun Yang，Ting Zhong and Kun Zhong，Transmittance Spectrum of Surface Plasmon Polariton Based Filter with Asymmetric Double-ring Resonator and Switch，Journal of Modern Optics，61(9)，716-720(2014))所述，在环形表面等离激元滤波器中填充向列型液晶BL009，当给液晶施加电场后，液晶的介电常数发生变化，导致表面等离激元滤波器的特征波长移动，从而制成波长可调的带通滤波器。如果外加电压与滤波器的特征波长匹配，则可以构成表面等离激元光电开关。因此，可调的表面等离激元滤波器在集成光学器件中具有重要的作用。

目前的可调表面等离激元滤波器基本上都采用调节电介质的介电常数的方法，其中最容易调节介电常数的电介质就是液晶。但由于液晶是一种液体，因此集成在表面等离激元纳米光学器件中的技术难度较大。而且液晶的介电常数在外加电压超过一定值后会趋向饱和，因此采用调节介电常数的方法制作的表面等离激元滤波器的可调范围有限。

技术实现要素：

为了克服现有的可调表面等离激元滤波器在可调范围方面的不足，本实用新型提供一种新型的采用压力可调表面等离激元滤波器。该可调滤波器不但具有易于集成的优点，还提高了滤波器的可调范围。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：采用表面等离激元共振腔与表面等离激元波导相互耦合构成可调表面等离激元滤波器。表面等离激元共振腔是由金属中的空腔构成，空腔中的一侧腔壁很薄，且此腔壁外侧与压力源接触，在外加压力下腔壁容易发生形变。为了防止表面等离激元波导的传输特性也受到外加压力的影响，表面等离激元波导与共振腔在远离金属表面的地方相互耦合。当入射光激发表面等离激元在表面等离激元波导中传播时，如果入射光波长与表面等离激元共振腔的共振波长匹配，则会在共振腔中产生共振，使得表面等离激元波导中的能量被耦合到共振腔中，从而在表面等离激元波导的出射口会检测到光强的变化。在外加压力下，表面等离激元共振腔的一侧腔壁发生形变，从而导致共振腔的共振波长发生变化，因此出射端口的发生光强变化对应的波长就发生相应的移动，从而实现滤波器的波段可调。由于表面等离激元共振腔对形变比对介电常数的变化更加敏感，因此压力可调的滤波器的可调范围大大增加。而且，由于压力可调的表面等离激元滤波器不含有液体成分，因此易于集成。

本实用新型的有益效果是，可以扩大可调表面等离激元滤波器的可调范围，同时还具有易于集成制作的优点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是压力作用下表面等离激元共振腔壁的形变示意图。

图2是第一个实施例的结构原理图。

图3是第一个实施例的测试光路原理图。

图4是第一个实施例的透射光谱图。

图5是第二个实施例的结构原理图。

图中1.金属腔壁，2.表面等离激元共振腔，3.表面等离激元波导，4.表面等离激元压力可调滤波器，5.激光器，6.光纤，7.光纤光谱仪。

具体实施方式

在图1中，表面等离激元共振腔的一部分腔壁1在没有外加压强情况下可以看成是一平直的金属梁。在外加压强情况下，金属腔壁1在外加压力下发生弯曲，减少金属空腔的体积。由于表面等离激元共振腔的共振波长与空腔体积、空腔形状密切相关，因此表面等离激元共振腔的共振波长会发生移动。基于表面等离激元共振腔的表面等离激元滤波器的滤波波段也就会随外加压力而改变，从而实现了压力可调的表面等离激元滤波器。

在图2所示的实施例中，压力可调滤波器4是由表面等离激元共振腔2和表面等离激元波导3采用侧边耦合的方式构成的。表面等离激元共振腔采用“Π”字型结构，“Π”字型共振腔由一个横槽和两个竖槽构成。横槽与金属表面平行而且距离金属表面很近，两个竖槽分别与横槽直接连接，且都分布在远离金属表面一侧。在表面等离激元共振腔2的下面，用离子束刻蚀的方法或利用薄膜分层生长的方法制备一表面等离激元直波导结构3。波导3的一侧与“Π”字型表面等离激元共振腔2的两个竖槽相互耦合。当有激光入射到波导3的入射端口时，就会在波导3内激发表面等离激元，表面等离激元沿波导3传播。如果入射光的波长与“Π”字型表面等离激元共振腔2的共振波长相同，则表面等离激元会被耦合到“Π”字型表面等离激元共振腔2中，从而导致波导3中表面等离激元的能量降低，这样就会在波导的出射端口检测到光强的衰减。这样就实现了对表面等离激元的滤波。由于“Π”字型表面等离激元共振腔2的共振波长与外加压强成正比，因此外加压强可以调节压力可调滤波器的带阻波段。

在图3所示的实施例测试光路原理图中，激光器5发射的激光通过光纤6耦合到压力可调滤波器4的波导入射端口，并在波导3中激发表面等离激元。表面等离激元通过滤波器4滤波后，由波导3的出射端口耦合到光纤6中，传输到光纤光谱仪7中测量透射谱。测量后得到的透射谱如图4所示。当没有外加压力时，共振腔不形变，透射谱由图中实线表示。在波长从600nm到1600nm的波段内有两个共振波长，对应于透射谱中的带阻波段。一个带阻的中心波长为790nm，另一个带阻的中心波长为1425nm。当外加一定压力使共振腔的形变量达到10nm时的透射谱由图中虚线表示。显然，两个带阻波段的位置都发生了改变。其中波长短的带阻中心波长移动到800nm，而波长较长的带阻中心波长移动到了1505nm。相当于每形变量为1nm时，带阻中心波长移动8nm。

在图5所示实施例中，可调滤波器4是由“工”字型表面等离激元共振腔2和表面等离激元入射波导3以及出射波导3采用直接耦合的方式构成的。这样的表面等离激元滤波器属于带通滤波器，带通的中心波长对应表面等离激元共振腔2的共振波长。当有外加压力时，带通的中心波长位置也会发生相应的移动，从而实现可调的带通滤波器。

可以理解的是，以上实施例只是为了说明本实用新型的有益效果而采取的实施方式。表面等离激元共振腔与表面等离激元波导有多种耦合方式，表面等离激元共振腔也可以采用多种材料和制备工艺。所有利用压力调制表面等离激元共振腔的共振波长实现可调滤波器的各种实施结构和应用均被视为本实用新型的保护范围。