陳穎 謝進(jìn)朝 周鑫德 張燦 楊惠 李少華

1) (燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院,測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器河北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,秦皇島 066004)

2) (河北先河環(huán)保科技股份有限公司,石家莊 050000)

基于表面等離子體激元的傳輸及耦合特性,提出了一種半封閉T形波導(dǎo)側(cè)耦合圓盤腔的金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu).應(yīng)用有限元法研究了其傳輸特性.結(jié)果表明,在透射光譜中出現(xiàn)了基于等離子誘導(dǎo)透明(PIT)效應(yīng)的窄帶透射峰.通過(guò)理論分析與模場(chǎng)分布有效闡釋了PIT透明峰與兩側(cè)谷值的物理產(chǎn)生機(jī)理,同時(shí)數(shù)值研究表明通過(guò)改變支節(jié)長(zhǎng)度與圓盤諧振腔半徑可調(diào)節(jié)濾波器共振波長(zhǎng),通過(guò)外調(diào)制來(lái)改變結(jié)構(gòu)介質(zhì)折射率可實(shí)現(xiàn)濾波波長(zhǎng)的近似線性調(diào)節(jié).進(jìn)一步,在圓盤腔中內(nèi)嵌增益介質(zhì),增強(qiáng)了其對(duì)光的局域能力,加強(qiáng)了模式共振作用,實(shí)現(xiàn)了壓縮濾波通帶帶寬的同時(shí)有效地提高了結(jié)構(gòu)透射率,相比同類濾波器獲得了更好的濾波性能.研究結(jié)果為高分辨率窄帶濾波器的設(shè)計(jì)提供了有效的理論參考.

1 引 言

表面等離子體激元(SPPs)是由金屬表面自由電子與入射光子相互作用產(chǎn)生,局域在金屬-電介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N非輻射電磁模式,其振幅在垂直于金屬界面向兩側(cè)呈指數(shù)衰減[1].SPPs能將電磁場(chǎng)能量集中在亞波長(zhǎng)尺度,打破了傳統(tǒng)光學(xué)器件的衍射極限[2].因此,SPPs廣泛應(yīng)用于亞波長(zhǎng)級(jí)別對(duì)光的傳輸和控制,逐漸成為光子芯片中的信號(hào)載體,實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光學(xué)器件的集成[3-6].其中,相比其他基于SPPs的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)器件,金屬-介質(zhì)-金屬(MIM)波導(dǎo)能產(chǎn)生超高強(qiáng)度的電磁模式,使光信號(hào)在傳輸中有較低的彎曲輻射損耗[7],且具有場(chǎng)空間局域增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于集成等優(yōu)點(diǎn),在各類光子器件的研制中廣泛應(yīng)用,如濾波器、生化傳感器、光開(kāi)關(guān)等.

濾波器是光學(xué)集成芯片中的核心通信器件[8].研究者設(shè)計(jì)了多種基于MIM型波導(dǎo)的等離子體濾波器,包括齒形濾波器[9]、矩形腔濾波器[10]、環(huán)形腔濾波器[11]及波分復(fù)用濾波器結(jié)構(gòu)[12]等.但目前報(bào)道的此類濾波器半峰全寬多為20 nm量級(jí)以上,分辨率仍需進(jìn)一步提高.近幾年來(lái),基于SPPs亞波長(zhǎng)波導(dǎo)光子器件中的等離子體誘導(dǎo)透明、等離子體誘導(dǎo)吸收及法諾共振等現(xiàn)象成為微納光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[13].其中PIT是由SPPs不同諧振模式相互作用導(dǎo)致原吸收區(qū)產(chǎn)生尖銳透明窗口的現(xiàn)象.因此,利用該特點(diǎn)設(shè)計(jì)基于等離子誘導(dǎo)透明(PIT)效應(yīng)的MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾波器可以得到更高的分辨率和品質(zhì)因數(shù).例如,Chen等[14]設(shè)計(jì)的單側(cè)多齒腔MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu),通過(guò)調(diào)節(jié)各齒腔的深度及間距產(chǎn)生了PIT效應(yīng)；Yang等[15]利用雙側(cè)非對(duì)稱齒型腔實(shí)現(xiàn)了PIT效應(yīng)的濾波結(jié)構(gòu),都明顯降低了結(jié)構(gòu)的通帶帶寬.然而,由于金屬部件引起的歐姆損耗,其透射率亦會(huì)隨著齒數(shù)的增加而下降.因此,如何在MIM波導(dǎo)濾波器中壓縮濾波帶寬的同時(shí)有效提升透射效率,獲得更好的選頻和濾波效果,還需開(kāi)展進(jìn)一步的研究工作.

基于此,本文提出了一種半封閉T形波導(dǎo)側(cè)耦合圓盤腔實(shí)現(xiàn)PIT效應(yīng)的濾波結(jié)構(gòu),在透射光譜圖上出現(xiàn)一個(gè)很窄的透明峰,通過(guò)理論分析和仿真模擬研究了其濾波特性和電磁場(chǎng)分布,解釋了該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生PIT透明峰的物理機(jī)理.通過(guò)改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)及電介質(zhì)材料的折射率可以有效選取濾波波長(zhǎng).進(jìn)一步,通過(guò)向圓盤腔添加光學(xué)增益介質(zhì),加強(qiáng)了其場(chǎng)空間局域能力,提高了波導(dǎo)耦合效率,使PIT峰透射率顯著提高,獲得了低至4 nm的通帶帶寬,實(shí)現(xiàn)了良好的窄帶濾波性能.

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與理論分析

2.1 結(jié)構(gòu)模型的建立

本文構(gòu)建的基于表面等離子誘導(dǎo)透明的MIM波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示,為半封閉T形波導(dǎo)側(cè)耦合圓盤腔濾波器的二維結(jié)構(gòu)圖.金屬材料為銀,電介質(zhì)材料為SiO2.基于有限元法(FEM)建立了結(jié)構(gòu)的幾何分析模型,設(shè)置了金屬和電介質(zhì)的相關(guān)計(jì)算參量,運(yùn)用FEM仿真軟件COMSOL Multiphysics模擬電磁波與金屬的相互作用,邊界使用完美匹配層(PML)包裹,詳細(xì)探究其光學(xué)傳輸特性.SiO2的折射率為1.45,由于貴金屬在近紅外光波段為典型的色散材料,加之其內(nèi)在的歐姆熱損耗,Drude模型可較為準(zhǔn)確地描述金屬銀的介電常量：其中ε∞=3.7為無(wú)限大角頻率處銀的介電常數(shù),ωp=1.38× 1016Hz為等離子體諧振頻率,γ=2.73× 1013Hz為與損耗有關(guān)的電子碰撞頻率,ω為入射電磁波角頻率.當(dāng)波導(dǎo)寬度遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)時(shí),波導(dǎo)中僅支持橫磁(TM)基模傳輸,由麥克斯韋方程和邊界條件可得,波導(dǎo)中傳播的TM表面等離激元(SPPs)滿足色散關(guān)系[16]：

其中,εd和 εm分別是介質(zhì)與金屬的介電常數(shù),k0=2π/Λ為波導(dǎo)中傳播的電磁波波矢,Λ和w 分別為真空中入射光波長(zhǎng)和波導(dǎo)寬度,βspp=neff·k0表示傳播常量,neff為波導(dǎo)有效折射率.波導(dǎo)寬度w 設(shè)定為50 nm,從而確保波導(dǎo)中僅有橫磁基模(TM0)被激發(fā)和傳輸.

圖1 MIM波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Structure schematics of the MIM waveguide filter.

設(shè)定入射波導(dǎo)和出射波導(dǎo)的長(zhǎng)度L1和L2相等,半封閉T形波導(dǎo)的支節(jié)長(zhǎng)度為L(zhǎng)3,圓盤腔半徑及其與半封閉T形波導(dǎo)的耦合間距分別用r 與g 表示.TM0模式波在波導(dǎo)的入射端激發(fā),在距離輸入和輸出端口邊緣30 nm處分別設(shè)置功率能流探測(cè)器,檢測(cè)通過(guò)這些界面的電磁場(chǎng)能流.為更好地描述結(jié)構(gòu)的傳輸特性,定義透射率T為輸出功率 Pout與輸入功率 Pin之比,即 T=Pout/Pin.

2.2 理論分析

該結(jié)構(gòu)的工作原理是TM模式波入射波導(dǎo)時(shí),激發(fā)的SPPs沿波導(dǎo)傳播進(jìn)入支節(jié)后,在符合法布里-珀羅(F-P)共振條件時(shí),支節(jié)中會(huì)形成駐波而產(chǎn)生諧振[17]：

其中m 是整數(shù),為共振階數(shù),Λm是諧振波長(zhǎng),deff是SPPs經(jīng)過(guò)的有效長(zhǎng)度,Δφ(Λ) 是SPPs在金屬介質(zhì)界面發(fā)生反射所引起的相移.當(dāng)SPPs沿波導(dǎo)傳輸遇到圓盤腔時(shí),部分能量將耦合到腔中,若入射波長(zhǎng)符合圓盤腔諧振條件,在其中會(huì)形成穩(wěn)定的駐波模式.納米圓盤腔的共振條件可表示為[18]：

其中,km=k0nm,kd=k0nd,其中 km和 kd分別是在周圍金屬和圓形介質(zhì)中的波矢,nm和 nd是金屬和介質(zhì)的折射率；分別是第一類n 階Bessel函數(shù)及其微商；分別是第一類n 階Hankel函數(shù)及其微商.據(jù)方程(3)可得圓盤腔的半徑和折射率決定諧振波長(zhǎng).在本結(jié)構(gòu)中,當(dāng)兩個(gè)共振模式在一個(gè)系統(tǒng)中耦合且共振波長(zhǎng)相近或相等時(shí),兩模式間的相互作用使得支節(jié)諧振腔產(chǎn)生的吸收譜分裂,且在分裂的吸收譜之間出現(xiàn)一低損耗的高透射窗口,實(shí)現(xiàn)由吸收變?yōu)橥高^(guò)的PIT現(xiàn)象,支節(jié)諧振腔和圓盤腔可類比于電磁誘導(dǎo)透明效應(yīng)中的亮態(tài)和暗態(tài).

圖2為L(zhǎng)1,2= 780 nm,L3= 345 nm,r =180 nm,g = 15 nm時(shí)該結(jié)構(gòu)的透射光譜(黑線),同時(shí)給出了同等結(jié)構(gòu)參數(shù)下Structure 1(對(duì)應(yīng)圖2中的紅色譜線)和Structure 2 (對(duì)應(yīng)圖2中的綠色譜線)的透射譜線.圖1中所提出的結(jié)構(gòu)(即圖2中的Structure 3)可分解為半封閉T形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Structure 1)和圓盤腔耦合彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(Structure 2).從圖中可以看出,Structure 1的透射譜型是一個(gè)成洛倫茲線型的透射谷,而對(duì)于Structure 2,其透射譜是一個(gè)極窄的阻帶.對(duì)Structure 1來(lái)說(shuō),支節(jié)相當(dāng)于一個(gè)諧振腔,波導(dǎo)中傳輸?shù)腟PPs在支節(jié)頂端反射后,由于相消干涉而形成駐波,抑制了傳輸,因而在傳輸譜Λ=1048 nm處出現(xiàn)一個(gè)較寬的阻帶；對(duì)Structure 2來(lái)說(shuō),當(dāng)耦合到圓盤腔中的電磁波滿足共振條件時(shí),形成了穩(wěn)定的駐波模式,使能量束縛在腔內(nèi),不能透射出去,在傳輸譜Λ= 1050 nm處形成一個(gè)極窄的阻帶.而對(duì)于同時(shí)具有半封閉T形波導(dǎo)與圓盤腔的Structure 3來(lái)說(shuō),出射波導(dǎo)同時(shí)受到支節(jié)共振模式和圓盤腔共振模式的激發(fā),兩個(gè)模態(tài)之間由于相位差異而干涉相消,使得系統(tǒng)對(duì)原本吸收的脈沖吸收消失,從而產(chǎn)生了PIT現(xiàn)象,在透射譜中原本是谷(Λ= 1050 nm)的地方出現(xiàn)1個(gè)透明峰,顯示了該結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)窄帶濾波功能.

圖2 三種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的透射光譜Fig.2.The transmission spectrum with three kinds of structures.

為深入分析上述現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理,圖3(a)—(c)分別是Structure 3左側(cè)下降谷、透射峰和右側(cè)下降谷波長(zhǎng)處的電場(chǎng)強(qiáng)度分布.從圖3(a)和圖3(c)可看出,半封閉T形結(jié)構(gòu)的諧振反射是導(dǎo)致左側(cè)下降谷的主要原因,右側(cè)下降谷主要是由于波導(dǎo)和圓盤腔發(fā)生耦合作用,形成穩(wěn)定的駐波模式使得光波被局域在入射波導(dǎo)和圓盤腔中,不能透射出去.從圖3(b)中可明顯看出,在支節(jié)與圓盤腔諧振波長(zhǎng)處,該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的雙邊耦合效應(yīng)使SPPs在腔與波導(dǎo)之間強(qiáng)烈反射,圓盤腔中的能量轉(zhuǎn)移到共振波導(dǎo)里,類似一個(gè)能量存儲(chǔ)器,使得原來(lái)透射谷的位置形成狹窄的透射峰.

圖3 Structure 3電場(chǎng)強(qiáng)度E分布 (a)共振波長(zhǎng)左側(cè)谷；(b)共振波長(zhǎng)處；(c)共振波長(zhǎng)右側(cè)谷Fig.3.Electric filed intensity (E) distribution of Structure 3：(a) At the left dip of the resonance wavelength；(b) at the resonance wavelength；(c) at the right dip of the resonance wavelength.

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)濾波特性的影響

MIM波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)參量的變化都會(huì)影響其傳輸特性.Structure 3中PIT峰的出現(xiàn)是由支節(jié)和圓盤腔中兩個(gè)共振模式相互作用形成,結(jié)合(2)和(3)式可知,PIT峰的位置將受支節(jié)長(zhǎng)度與圓盤半徑的共同影響.為研究L3和r 對(duì)濾波特性的影響,其余結(jié)構(gòu)參量保持初始值,計(jì)算了不同L3和r 時(shí)Structure 3的透射光譜,如圖4(a)所示.圖4(c)為透射峰共振波長(zhǎng)與支節(jié)L3和半徑r 的關(guān)系.可以看出,隨著支節(jié)長(zhǎng)度L3和半徑r 等步長(zhǎng)的增加,透射光譜產(chǎn)生紅移現(xiàn)象,PIT峰波長(zhǎng)近似呈線性增長(zhǎng).且由圖4(d)可以看出共振波長(zhǎng)處L3和r 呈線性關(guān)系.這是因?yàn)椴▽?dǎo)寬度恒定時(shí),電磁波在結(jié)構(gòu)中傳播時(shí)對(duì)應(yīng)的有效折射率實(shí)部Re(neff)恒定不變,結(jié)合(3)式可知支節(jié)的長(zhǎng)度越長(zhǎng)透射譜中低谷位置對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)越長(zhǎng)；而對(duì)于以穩(wěn)定駐波形式束縛于圓盤諧振腔中的電磁波,相位差滿足 Δφ=2πm 條件,結(jié)合相位差 Δφ與有效折射率neff的近似關(guān)系：可得其共振波長(zhǎng)為：其中 Δφ是圓盤腔內(nèi)入射波與反射波之間的相位差,Leff為腔內(nèi)SPPs傳播的有效長(zhǎng)度[19].因此,圓盤腔中SPPs的途徑長(zhǎng)度隨r 增大而增長(zhǎng),共振波長(zhǎng)也隨之變大.這很好地說(shuō)明了PIT峰隨支節(jié)長(zhǎng)度和圓盤腔半徑增大而紅移的現(xiàn)象.

Structure 3中兩個(gè)共振模式之間的耦合強(qiáng)度很大程度上依賴于耦合間距g ,因此改變耦合距離可調(diào)控PIT共振光譜.圖4(b)為在初始結(jié)構(gòu)參量下計(jì)算的不同耦合距離g 其對(duì)應(yīng)的透射譜線.隨著g 的增加即耦合由強(qiáng)變?nèi)?PIT透明窗口的半峰全寬越來(lái)越窄,透明峰值也隨之降低,且PIT共振峰右側(cè)下降谷發(fā)生藍(lán)移,與上述右側(cè)下降谷主要受圓盤諧振腔影響的結(jié)論一致.可以看出,耦合強(qiáng)度隨著耦合間距的增大逐漸減弱,從而削弱了支節(jié)中亮模式與圓盤腔中暗模式的相互作用,減小了超模諧振的波長(zhǎng)間隔,致使右側(cè)下降谷發(fā)生輕微藍(lán)移.當(dāng)耦合強(qiáng)度接近零時(shí),可以推斷暗模式將不能通過(guò)近場(chǎng)耦合的形式被激發(fā),此時(shí)PIT效應(yīng)難以形成,可視為Structure 1支節(jié)諧振腔中的類F-P諧振.綜上可知,合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)可控制PIT透明峰位置和寬度,實(shí)現(xiàn)選頻波長(zhǎng)和帶寬的有效調(diào)控.

圖4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)濾波特性的影響 (a)不同L3和r 時(shí)濾波器的透射譜；(b)不同g 時(shí)的透射譜；(c)透射峰共振波長(zhǎng)與L3和r 的關(guān)系；(d)不同共振波長(zhǎng)處L3和r 的關(guān)系Fig.4.Influence of parameters on filter characteristics：(a) Transmission spectra of the filter for different parameters of L3 and r ；(b) for different parameters of g ；(c) relationship between resonance wavelength and L3 and r ；(d) relation curves of L3 and r for different resonance peaks.

3.2 圓盤腔內(nèi)折射率對(duì)濾波特性的影響

由方程(2)和(3)可知支節(jié)與圓盤腔的諧振波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率有關(guān),所以為實(shí)現(xiàn)更多調(diào)節(jié)PIT現(xiàn)象的方法,研究了改變結(jié)構(gòu)介質(zhì)折射率對(duì)PIT效應(yīng)的影響.圖5(a)所示為初始結(jié)構(gòu)參量不變時(shí)改變半封閉T形波導(dǎo)與圓盤腔介質(zhì)折射率的透射光譜,圖5(b)為對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率的線性關(guān)系.系統(tǒng)內(nèi)SPPs的傳輸光程隨介質(zhì)折射率的增加而增大,導(dǎo)致PIT共振峰位置發(fā)生紅移,向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng).可利用此特點(diǎn),在系統(tǒng)中加入Kerr非線性或熱光材料,改變外加光強(qiáng)或溫度調(diào)節(jié)材料折射率,實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波長(zhǎng)的調(diào)諧濾波[20].

3.3 增益介質(zhì)對(duì)濾波特性的影響

由于金屬材料存在固有的歐姆損耗,導(dǎo)致MIM波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)PIT透射峰值較低.若能降低或補(bǔ)償其固有損耗,將獲得更明顯的PIT效應(yīng)和更高的品質(zhì)因數(shù).而金屬引起的損耗主要因其介電常數(shù)的虛部 Im(εm) 產(chǎn)生.Nezhad等[21]理論推導(dǎo)了具有負(fù)虛部的介質(zhì)可作為增益補(bǔ)償金屬的吸收損耗.Chen等[22]和Babicheva[23]分別提出利用InGaAs和InGaAsP作為增益介質(zhì)補(bǔ)償?shù)入x子傳輸?shù)膿p耗,并在一定條件下實(shí)現(xiàn)了凈光學(xué)增益.在此選擇介質(zhì) InGaAsP(ε=11.38+jεi) 添加到圓盤腔中,其介電常數(shù)的虛部與光強(qiáng)有著密切關(guān)系,隨著光或電抽運(yùn)強(qiáng)度的增加,虛部 εi會(huì)逐漸由負(fù)值變?yōu)檎礫24].利用其電磁參數(shù)的負(fù)虛部補(bǔ)償因金屬電磁參數(shù)的正虛部引起的吸收損耗,從而加強(qiáng)圓盤腔對(duì)能量的束縛能力,增強(qiáng)明模和暗模的相互作用,使更多能量耦合到共振波導(dǎo)里,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)PIT峰透射率的增益.如圖6(a)所示,在與圓盤腔同心的方形區(qū)域內(nèi)填充增益介質(zhì),其邊長(zhǎng)為h ,制備時(shí)可利用電子束刻蝕的方式將其嵌入圓盤腔中.圖6(b)為 εi取不同值是相應(yīng)的透射譜,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為L(zhǎng)1,2= 780 nm,L3= 345 nm,r =200 nm,g = 15 nm,h = 90 nm.可以發(fā)現(xiàn),εi的值越大,PIT峰值透射率越大,波導(dǎo)增益愈大.圖7是 εi=0.9 時(shí)PIT峰共振波長(zhǎng)Λ= 1038 nm處的穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)和電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖,可以看到電磁能量主要分布在增益介質(zhì)兩側(cè),其能量補(bǔ)償了圓盤腔內(nèi)的本征損耗,增強(qiáng)了腔內(nèi)的共振,使得明模與暗模的相互作用更強(qiáng)烈,透明窗口的透射率也隨著增加.該結(jié)果更深層次地說(shuō)明了帶有負(fù)虛部的折射率的重要性.

為檢驗(yàn)所提出的基于表面等離誘導(dǎo)透明結(jié)構(gòu)濾波器的性能,濾波器品質(zhì)因數(shù)Q定義為Λw/Δw1/2.其中 Λw是諧振腔共振時(shí)的共振波長(zhǎng),Δw1/2是傳輸頻譜的半峰全寬.以圖2 Structure 3初始參數(shù)與圖6(a)結(jié)構(gòu) εi取0.95時(shí)為例,計(jì)算其品質(zhì)因數(shù).與之對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)和半峰全寬分別為1050 nm,10 nm和1038 nm,4 nm,可求得相應(yīng)的Q值分別為105與259.5.這與已報(bào)道的同類濾波器相比優(yōu)勢(shì)明顯,在常用通信波段可實(shí)現(xiàn)很好的窄帶濾波功能.

圖5 結(jié)構(gòu)內(nèi)填充不同折射率的介質(zhì) (a) 透射光譜；(b) 共振波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率的關(guān)系Fig.5.Structures filled by different materials with different indexes：(a) Transmission spectra；(b) relationship curves between resonant wavelength and refractive index.

圖6 圓盤腔內(nèi)嵌增益介質(zhì)濾波器結(jié)構(gòu) (a) 二維結(jié)構(gòu)圖；(b) 不同 εi時(shí)透射光譜Fig.6.Nano disk-cavity embedded gain medium filter structure：(a) Two-dimensional structure diagram；(b) transmission spectra for different εi.

圖7 PIT共振波長(zhǎng)處電場(chǎng)強(qiáng)度與穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)分布 (a) 電場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)；(b) 穩(wěn)態(tài)磁場(chǎng)Fig.7.Electric filed intensityand steady state magnetic field distribution at resonant wavelengths of PIT：(a) Electric filed intensity；(b) steady state magnetic field.

4 結(jié) 論

用FEM分析了半封閉T形波導(dǎo)側(cè)耦合圓盤腔的MIM型波導(dǎo)濾波器的透射光譜,并通過(guò)模場(chǎng)分布揭示了PIT透射峰產(chǎn)生的物理機(jī)理及實(shí)現(xiàn)條件.研究發(fā)現(xiàn),透射峰對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)隨支節(jié)長(zhǎng)度和圓盤諧振腔半徑的增加而紅移,由共振波長(zhǎng)與圓盤腔介質(zhì)折射率的線性關(guān)系,可實(shí)現(xiàn)濾波器工作波長(zhǎng)的調(diào)諧.在此基礎(chǔ)上研究了圓盤腔內(nèi)添加增益介質(zhì)時(shí)濾波器結(jié)構(gòu)的透射特性,利用帶有負(fù)虛部折射率的增益介質(zhì)補(bǔ)償了圓盤腔內(nèi)的本征損耗,增強(qiáng)了共振作用,實(shí)現(xiàn)了壓縮濾波帶寬的同時(shí)有效提升了結(jié)構(gòu)的透射效率,其半峰全寬明顯低于已報(bào)道的同類濾波器,具有良好的窄帶濾波功能.研究結(jié)果對(duì)實(shí)現(xiàn)微納光子集成器件提供了有價(jià)值的參考,對(duì)窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)的意義.