窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波研究

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窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波研究

蒋文文;桑田;王睿;邵泓焰;陈国庆

【摘要】提出了一种窄刻槽亚波长金属波导光栅透射滤波器的设计,其工作原理是利用窄光栅刻槽取得低透射背景,再利用导模共振与表面等离子激元共振的混合产生峰值透射,进而实现良好的窄带透射滤波效应.研究发现,利用多模共振与表面等离子激元共振的混合模式,通过增加波导厚度即可实现性能良好的双通道透射滤波,在波长1412和1653 nm处,峰值透射率分别为72.1%和63.6%.进一步分析表明,由于长波处磁场能量较多地局域在金属光栅层,峰值位置和峰值透射率受光栅深度变化影响显著;而短波处磁场能量较多地局域在波导层中,因此短波处峰值漂移对波导层厚度变化更为敏感.

【期刊名称】《光通信研究》

【年(卷),期】2017(000)001

【总页数】4页(P37-40)

【关键词】窄刻槽;金属波导光栅;亚波长结构;透射滤波器

【作者】蒋文文;桑田;王睿;邵泓焰;陈国庆

【作者单位】江南大学理学院光电信息科学与工程系,江苏无锡 214122;江南大学江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡 214122;江南大学理学院光电信息科学与工程系,江苏无锡 214122;江南大学江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡 214122;江南大学理学院光电信息科学与工程系,江苏无锡 214122;江南大学江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡 214122;江南大学理学院光电信息科学与工程系,江苏无锡 214122;江南大学江苏省轻工光电工程技术研究中

心,江苏无锡 214122;江南大学理学院光电信息科学与工程系,江苏无锡 214122;江南大学江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏无锡 214122

【正文语种】中文

【中图分类】TN253

导模共振效应是指入射光与光栅的泄漏模耦合时产生的光谱异常现象,具体表现为衍射光场相对于入射角或波长等物理量的微小变化产生突变[1]。基于导模共振效应的亚波长光栅具有结构相对简单、衍射效率高、共振波长和带宽可控等特点,在光通信与滤波领域具有很高的应用价值。在以往的研究中,导模共振光栅较多地被用作反射滤波器,如抗反射滤波[2]、线性滤波器[3]、自支撑结构反射滤波[4]和MEMS(微机电系统)滤波[5]等。在透射滤波方面的研究较少,如基于电磁诱导透明的透射滤波器[6]和单层膜结构透射滤波器[7]等。

近年来,金属波导光栅导模共振透射滤波的研究受到人们关注。2011年,Sakat等[8]采用自支撑氮化硅-镀金光栅结构,基于导模共振效应在2.97μm处实现了带通滤波,峰值透射率达78%。2012年,Tan等[9]研究了金属波导光栅结构的耦合效应,指出该结构不仅存在导模共振和表面等离子激元共振模式,还存在二者耦合引起的混合模式,该混合模式导致TE(横向电场)和TM(横磁模)模产生零级消光峰。2015年,Hu 等[10]提出双刻槽、双周期亚波长金属介质光栅结构,利用导模共振、法布里-珀罗共振与表面等离子激元共振的混合,在光通信波段实现了双通道透射滤波。目前,鲜有文献研究导模共振与表面等离子激元共振混合引起的透射滤波现象,尤其是基于多模共振实现多通道透射滤波。

本文提出了一种窄刻槽亚波长金属波导光栅滤波器设计,针对TM偏振,通过借助窄光栅刻槽取得低透射背景,利用导模共振与表面等离子激元共振的混合模式获得峰值透射,进而实现良好的窄带透射滤波效应。基于导模共振的多模共振效应,仅通过

增加波导厚度,即可得到性能良好的双通道透射滤波器。基于上述方法设计的单通道和双通道窄带滤波器在光通信波段均具有良好的透射滤波特性。此外,还研究了金属光栅深度和波导厚度对双通道滤波透射性能的影响,并结合结构磁场分布对光谱特性进行了分析讨论。

图1所示为窄刻槽金属波导光栅结构示意图,图中,Λ为光栅周期;f为占空比;覆盖层为空气,折射率nc=1;光栅层中光栅脊为金属Ag,光栅刻槽为空气,光栅深度为dg;波导层材料为SiNx,折射率nw=2.05,波导厚度为dw;SiO2基底的折射率为

ns=1.47,TM偏振(磁场矢量沿z方向)平面波正入射。

对于窄刻槽光栅结构,占空比f较大,因而当金属光栅深度大于趋肤深度时,对于非共振区域光谱的透射率普遍较低,这可为滤波器提供一个低透射背景。在共振区域,导模共振与表面等离子激元共振混合产生窄带透射峰,因而透射光谱具有窄带滤波性能。在设计中,为了提高滤波器的峰值透射率,采用亚波长光栅结构。亚波长光栅是现代光学技术中的一种重要光学结构,其光栅周期小于工作波长。对于亚波长光栅,只有零级透射和反射能够传播到光栅区域之外,此时在覆盖层和基底层只有零级衍射的光栅周期满足

式中,θ0为入射角。

本文运用FDTD(有限差分时域)法对亚波长金属波导光栅结构进行分析计算[11],FDTD法通过对电场与磁场的交替有限差分计算可以求解任意情况下的电磁场问题,通过一次计算就能得到光栅整体结构中各点的电场和磁场强度,易于对周期性金属波导光栅结构磁场分布情况进行研究。本文采用的光频段,金属Ag的损耗不大,可采用Lorentz-Drude模型对其介电常数进行描述:

式中,ωp为等离子体频率,γ为阻尼系数。对于本文的研究波段,金属Ag的

ωp=1.15×1016rad/s,γ= 6.81×1013rad/s。

基于窄刻槽金属波导光栅模型,通过合理选择结构参数,可以得到滤波性能良好的透

射滤波器。图2所示为亚波长金属波导光栅透射光谱及其在峰值波长处的磁场分布。滤波器结构参数为:Λ= 850 nm、f=0.9、dg=65 nm、dw=390 nm。由图2 (a)可以看到,滤波器在保持透射旁带相对较低以及峰形具有良好对称性的同时,在1 550 nm波长处峰值透射率达73.2%,透射峰半高宽为52 nm,Q因子λ/Δλ=29.8,滤波器窄带透射滤波性能优良。由图2(b)可见,结构的磁场分布既有分布在波导层内部被约束的波导模式特征,也有分布在金属光栅下表面的表面等离子体激元共振模式特征,呈现出导模共振和表面等离子体共振的混合模式。这一混合模式为滤波器提供峰值透射,使得金属光栅在窄刻槽情形下依然能够取得高峰值透射率。

为了进一步分析窄刻槽亚波长金属波导光栅的透射滤波机理,我们研究占空比对透射光谱性能的影响。图3所示为不同占空比f时金属波导光栅的透射光谱。可以看到,当f由0.90减小到0.50时,透射峰的位置从1 550蓝移至1 422 n m,峰值透射率从73.3%增加到95.2%,半高宽显著增宽,Q因子从29.8下降至7.5,滤波器窄带滤波性能显著下降。产生上述现象的主要原因是金属具有不透光性,当f减小,即空气刻槽逐渐变宽时,光谱透过率整体增加,导致光谱带宽和半高宽度显著增大,旁带透射也增加。反之,增大f,例如f由0.90增加到0.99,此时金属光栅将趋近于一层不透光的银薄膜,除了因导模共振与表面等离子激元共振的混合模式产生的透射率为10.1%的低透射峰外,旁带透射率均趋于0。可见,占空比是一个有效调控光谱带宽和峰值透射的重要参数,高占空比有利于获得低透射旁带,同时太大的占空比也会显著降低峰值透射。在实际应用中,根据需要恰当选取较高的占空比以实现良好的窄带透射滤波效应,这也是本文采用窄刻槽光栅结构实现窄带透射滤波的原因。

对于导模共振波导光栅,当波导层厚度增加时,波导模的模式数增加,因而导模共振将呈现出多模共振现象[12],此时可以在反射光谱中观察到多个反射通道[13]。据我们所知,目前还没有基于多模共振实现多通道透射滤波效应的报道。对于窄刻槽金属波导光栅结构,由于窄刻槽金属光栅可以为滤波器提供低透射背景,而导模共振与表

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