基于对称破缺环形谐振腔结构的表面等离子体滤波器的设计与研究

The objective of this proposal is to study the filter properties of the symmetry broken ring resonators, which are based on metal-insulator-metal structures. Multifunctional filter is achieved in a single ring resonator. Kinds of resonance modes can be observed via the symmetry breaking in the ring. Odd modes exhibit alike in the perfect ring, and even modes exhibit alike in the LC circuits. Filter wavelengths of the resonators can be modulated. Cascaded half-ring resonators are realized by adding a waveguide connector inside the single ring. Filter bandwidths of the resonator are tunable due to series coupling or parallel coupling effects in the cascaded structures. Eigenmodes of the resonators are investigated by employing transmission line theory and LC circuit theory. The transmittance properties of the resonator are simulated by using finite-difference time-domain method. Influences of structure parameters on the filter properties are studied. The resonators are optimized via theoretic analysis and simulation results. This can finally lead to the fabrication and development of the plasmonic ring filters, which are compact, multifunctional, fixable, efficient and easy-to-make. The research of this project will lay good theoretic basis and design methods for new types of nano-integrated photonic devices.

本项目研究基于金属-绝缘体-金属结构的对称破缺环形谐振器的滤波特性，在单一环形腔结构中实现多功能滤波。通过在环形腔上引入对称破缺使谐振器中出现多种谐振模式：与封闭环腔类似的奇数谐振模式和与LC回路类似的偶数谐振模式，实现对谐振器滤波波长的调制。通过在单一环形腔内部引入连通波导使谐振器产生串/并联等级联耦合效应，实现对谐振器滤波带宽的调制。采用传输线理论和LC电路原理构建理论模型，深入探索结构中本征模式产生的物理机制。采用时域有限差分法模拟结构中的光传输性质，研究结构参数对谐振器滤波性质的影响。通过理论建模与数值模拟对比优化结构参数，最终实现结构紧凑、功能多样、性能可调、传输高效、制作简便的环形滤波器件的设计开发。本项目的研究为发展新型纳米光子器件提供了理论指导和设计思路。

在本项目的支持下，我们提出了多种基于金属-绝缘体复合谐振腔体对称破缺结构的表面等离子体滤波器件，利用谐振腔体之间的级联耦合作用，实现了多种功能的滤波目标。我们研究了一种基于金属-绝缘体-金属结构的同心双环谐振腔结构，利用两谐振腔之间模式的耦合和内环对谐振光场的紧束缚作用，获得了滤波带宽仅为1.93nm，Q值高达250的超窄带滤波器。我们研究了一种有双错位光栅附着的金属-绝缘体-金属复合结构，由于两个光栅的光栅常数的差异，在相反的入射方向下它们激发的表面等离子体共振波长不同，这样就实现了具有双色向性的单向滤波器。该结构具有超级光学透射特性，光学隔离对比度可高达1。我们研究了一种由金属共振体组成的单层金属光栅结构，利用拱形结构的非对称性，实现了单向光学滤波。该单层金属光栅结构的整体厚度不到100nm，双向透射率比值可以达到5000，同时传输方向的透射率高达39%。我们研究了一种由两个填充有不同介质材料的金属-绝缘体-金属矩形谐振腔组成的嵌套结构，通过腔体之间的耦合作用，实现了超宽带滤波，滤波可高达805nm。我们研究了一种金属-绝缘体-金属θ型环形谐振腔结构，通过传输线理论分析可知，两个半环形腔体的级联共振导致结构具有超宽带透射特性，带宽可以达到920nm。我们研究了一种有导线连接的矩形金属块二聚体结构，由于导线连接位置会改变金属腔内的电荷和电场的分布，在水平面内将其中一个方腔纵向仅仅移动45nm的情况下，就能够实现共振峰超过250nm的红移，它的半高宽可减少50nm。我们研究了一种有导线连接的金纳米棒非对称二聚体结构，通过调节纳米棒的长度和导线的粗细，可以实现改变单独一个或是特定两个谐振峰波长，而保持其他谐振峰波长不变。通过这些二聚体结构可实现工作波带可调的滤波器。综上所述，利用上述结构的光学特性，我们实现了结构紧凑、功能多样、工作带宽超宽/超窄、传输效率高、工作波带可调、制作简单的滤波器件的获得，这为开发新型集成光子器件提供了理论依据和应用指导。