[发明专利]表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器

说明书

技术领域

本发明提出一种波导结构的光学谐振环滤波器的实现方案，特别涉及用表面等离子体激元波导实现可调谐的光学谐振环滤波器，应用于集成光学领域。

背景技术

光学谐振环滤波器作为集成光学中较为复杂的一种功能器件，在光学传感和光通信领域有着众多的应用，是激光器、滤波器、放大器、光开关、光延时线等器件和系统的核心功能器件。目前集成光学范畴中的谐振环主要是由光波导构成，通过多光束干涉原理，实现周期性的透射光谱，进而形成谐振环滤波器。对于谐振环滤波器，其滤波带宽、谐振深度、谐振频率是最为关键的性能参数，为了满足不同的功能和需要，往往要求以上三个参数连续可调，其中，耦合器的耦合比和谐振深度相关，环内传输损耗和滤波带宽相关，环内传输相位和谐振频率相关。对于光波导结构的谐振环，可通过在环内集成马赫-曾德尔耦合器调节耦合比，从而控制谐振深度，利用光波导材料的热光特性或电光特性，调节环内传输相位，从而控制谐振频率的峰值位置。而对于光波导器件而言，一旦器件制作完毕后，其结构参数就固定了，环内的损耗之也随之固定，相应的谐振带宽也就固定了，无法实现连续可调，而利用无源光波导谐振环结构制备同时对滤波带宽、谐振深度、谐振频率进行精确控制的滤波器，是难以实现的。为了实现谐振带宽可调谐，人们提出利用掺铒光波导制备有源光波导谐振环，利用泵浦光对信号光进行放大，减小环内损耗，从而降低谐振带宽，增大谐振环的清晰度。然而这种有源结构的光波导谐振环滤波器，需要同时引入泵浦光和信号光，增大了信号之间的串扰，降低了器件的稳定性，并且只能对1550nm波段附近的信号进行调制，也无法增加环内损耗，实现增大谐振带宽的功能。

近年来，随着纳米光电子技术的不断进步，一种全新的波导结构——表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons-SPPs)波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体激元是光波与可迁移的表面电荷(如金属中的自由电子)之间相互作用产生的电磁模，可在特定结构的金属和电介质材料组成的波导中实现传播。通过对金属波导的结构优化设计，可以使SPPs信号实现长程传输。SPPs波导具有众多光波导所不具备的特性，如可以实现远小于光波导级别的纳米尺度的信号传输；利用金属形成的波导结构，不仅能够传播光信号，还可以传播电信号，使实现光电混合系统成为可能性；由于SPPs模式特性受介质材料的折射率影响，可以利用介质材料的电光、热光特性灵活的控制SPPs模式的传输特性，实现高效的可调谐SPPs波导器件，这也是SPPs波导器件相对于光波导器件的主要优势之一。基于SPPs波导的各种新型功能器件，如SPPs方向耦合器、SPPs波导调制器、SPPs波导马赫-曾德尔耦合器、SPPs波导衰减器均有相关的实验报道，可应用于光通信、光学传感等众多领域。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种表面等离子体激元可调谐光学谐振环滤波器，利用SPPs特有的传输特性，通过多种调节手段，实现同时可对谐振深度、谐振频率、滤波带宽三个参数进行精确控制的全新的光学环形滤波器。

技术方案：本发明的技术方案是这样实现的：该滤波器包括表面等离子体激元波导、表面等离子体激元可调谐方向耦合器、表面等离子体激元可调谐谐振环、环形加热器；谐振环与在其环外侧的直波导构成耦合器，耦合器和谐振环由表面等离子体激元波导制作，环形加热器覆盖在谐振环上，直线金属线空隙对称分布在表面等离子体激元波导上，弧形金属线空隙对称分布在谐振环上，第一电极引脚制作在表面等离子体激元波导上，第二电极引脚制作在谐振环上，第三电极引脚、第四电极引脚制作在环形加热器上。

表面等离子体激元波导的芯层为金属纳米线，厚度在10到20纳米之间，宽度为1至8微米之间，其上包层、下包层为具有高热光系数的有机聚合物介质材料，上、下包层厚度相等，均为15微米。

表面等离子体激元可调谐方向耦合器，在金属纳米线芯层中制作电极引脚和金属线空隙，形成电信号传输回路。

表面等离子体激元可调谐谐振环，在谐振环的金属纳米线芯层中制作电极引脚和金属线空隙，形成电信号传输回路。

覆盖于谐振环上的环形加热器，环形加热器为在谐振环波导的上包层、下包层外侧的制作的上金属条载层、下金属条载层，其结构为开口金属环，上包层的第三电极引脚和下包层的第四电极引脚不在同一平面内。