表面等離激元濾波器的研究進(jìn)展

摘 要 表面等離激元濾波器是集成光學(xué)中一種非常重要的器件，能用來(lái)制造光開(kāi)關(guān)，多路復(fù)用結(jié)構(gòu)等多種設(shè)備。文章簡(jiǎn)要介紹表面等離激元濾波器的研究背景，總結(jié)報(bào)道了表面等離激元濾波器國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其最新進(jìn)展，指出表面等離激元濾波器在集成光學(xué)領(lǐng)域?qū)?huì)有非常重要的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞 表面等離激元；濾波器；布拉格光柵

中圖分類(lèi)號(hào)：O436.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）07-0076-01

表面等離激元（SPPs）是在金屬表面局域的一種自由電子和光子相互作用形成的電磁模[1]，SPPs能夠突破衍射極限的性質(zhì)使它在高集成光子回路和設(shè)備領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。最近，基于SPPs的器件，例如U形波導(dǎo)[2]，劈裂機(jī)[3]，馬赫干涉儀[4]被數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)證實(shí)。濾波器是集成光路中一類(lèi)非常重要的設(shè)備，近幾年，基于MDM波導(dǎo)的SPPs濾波器被廣泛研究。

本文將首先介紹SPPs濾波器研究背景，在此基礎(chǔ)上介紹SPPs濾波器國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展。

1 表面等離激元濾波器的研究背景

1947年12月，杰克·基爾比制作出世界上第一塊集成電路，在此后的幾十年間，集成電路的尺寸以摩爾速度迅速減小。進(jìn)入21世紀(jì)后，信息的需求量成爆炸式的增長(zhǎng)，這要求能制造出集成度更高的器件，然而當(dāng)集成電路的尺寸縮小到一定尺寸時(shí)就會(huì)面臨一系列問(wèn)題，例如當(dāng)器件的尺寸小到一定的程度，器件的熱噪聲，RC延遲等達(dá)到極限，導(dǎo)致器件不可靠。光子器件相比電子器件具有更高速度、更大帶寬的優(yōu)勢(shì)，SPPs能突破衍射極限，把光局域在亞波長(zhǎng)尺寸，因此，基于SPPs的波導(dǎo)器件能很好的滿(mǎn)足光學(xué)集成的需要。

2 表面等離激元濾波器的研究進(jìn)展

SPPs濾波器是集成光路中的一類(lèi)非常重要的器件，國(guó)內(nèi)外很多研究小組提出了各種SPPs濾波器結(jié)構(gòu)。最初的濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒(méi)有擺脫光子晶體設(shè)計(jì)方法的束縛，主要是以布拉格光柵結(jié)構(gòu)為主，最有代表性的是武漢大學(xué)的汪國(guó)平小組提出的結(jié)構(gòu)[5]，圖1（a）是結(jié)構(gòu)原理圖，波導(dǎo)兩側(cè)由窄銀條（黑色部分）和窄鋁條（灰色部分）交替組成，圖1（b）是結(jié)構(gòu)傳輸曲線(xiàn)，可以看到在1.55 um附近出現(xiàn)了很寬的禁帶。

圖1 汪國(guó)平小組結(jié)構(gòu)

布拉格類(lèi)型的SPPs濾波器雖然可以實(shí)現(xiàn)濾波，但這些結(jié)構(gòu)的制造相當(dāng)復(fù)雜，并且結(jié)構(gòu)尺寸已經(jīng)是微米級(jí)別，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的亞波長(zhǎng)尺寸。

2008年，黃旭光小組提出了一種簡(jiǎn)單的SPPs濾波器[6]，結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，灰色部分是金屬銀，白色部分是空氣。該結(jié)構(gòu)利用光的干涉原理實(shí)現(xiàn)濾波，透射譜如圖2（b）所示，在800 nm附近SPPs截止。這個(gè)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬都僅僅幾百個(gè)納米，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺寸，同時(shí)，結(jié)構(gòu)只由一個(gè)齒狀和MDM直波導(dǎo)構(gòu)成，制作起來(lái)相當(dāng)簡(jiǎn)單。

圖2 黃旭光小組結(jié)構(gòu)

齒形濾波器的提出為人們?cè)O(shè)計(jì)SPPs濾波器提供了另一種簡(jiǎn)單的思路，在此后幾年里，各種簡(jiǎn)單的濾波器先后被提出，在線(xiàn)性濾波器方面，側(cè)耦合諧振腔[7]，MDM波導(dǎo)嵌入圓形諧振腔[8]等等一些新穎的濾波器被提出。在非線(xiàn)性濾波器方面，電光濾波器[9]，克爾非線(xiàn)性濾波器[10]等等相繼被提出，這使濾波實(shí)現(xiàn)從無(wú)源向有源發(fā)展。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于簡(jiǎn)單光學(xué)原理，例如光的干涉，耦合等機(jī)理設(shè)計(jì)的濾波器真正實(shí)現(xiàn)了光波導(dǎo)亞波長(zhǎng)尺寸，同時(shí)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，制造起來(lái)相當(dāng)方便，有利于光學(xué)器件的大規(guī)模集成，這些器件在集成光學(xué)中將會(huì)有非常重要的應(yīng)用潛力。

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作者簡(jiǎn)介

張釗，男，華南師范大學(xué)光學(xué)專(zhuān)業(yè)研究生，研究方向：表面等離激元波導(dǎo)。endprint