基于三角谐振腔与圆形腔的MIM波导带阻等离子体滤波器设计与高Q值光学性能优化

本研究针对传统等离子体带阻滤波器存在的高损耗、窄阻带及加工敏感性问题，设计了一种基于金属-绝缘体-金属（MIM）波导的三角谐振腔耦合圆形腔结构。通过有限时域差分法（FDTD）仿真优化，该滤波器在818 nm波长处实现品质因数（Q）达272，且银材料相比金展现出更优的共振特性。其小尺寸、可调谐性及高选择性为光通信和生物传感提供了新解决方案。

　　

在光子学领域，突破衍射极限的光操控一直是科学家追逐的目标。表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）——这种在金属-电介质界面形成的特殊电磁模式，因其能将光场压缩到纳米尺度而备受关注。然而，如何利用SPPs设计高性能微型光学器件仍面临诸多挑战：传统滤波器存在阻带窄、损耗高、加工容差低等问题，严重制约了其在集成光子电路中的应用。

针对这些瓶颈，研究人员提出了一种创新性的带阻滤波器设计。该结构基于金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal, MIM）波导平台，巧妙地将三角谐振腔与中央圆形腔结合。通过理论计算和数值模拟发现，这种几何构型能产生尖锐的共振峰，在818 nm工作波长下品质因数（Q值）高达272，远超同类设计。更引人注目的是，研究团队通过对比银与金的性能差异，揭示了材料选择对器件性能的决定性影响——银结构展现出更优异的场局域能力和更低的光学损耗。

为验证设计可行性，研究采用有限时域差分法（Finite Difference Time Domain, FDTD）进行全波仿真，设置5 nm网格精度和完美匹配层（PML）边界条件。金属介电常数通过Drude模型描述：ε_m
(ω)=ε_∞
-ω_p
²
/[ω(ω+iγ)]。关键参数包括谐振腔边长L₁
=639 nm、L₂
=657 nm、L₃
=579 nm，波导宽度60 nm，腔体间隙35 nm。

模型和计算方法
研究团队建立了三角谐振腔耦合MIM波导的理论模型。通过模式耦合理论分析发现，谐振腔几何对称性对稳定共振行为至关重要。数值仿真显示，调节圆形腔半径可精确控制共振波长偏移，而间隙尺寸直接影响耦合效率和Q值。

结构和数值模拟
对比银/金材料的仿真结果表明：在相同结构参数下，银基滤波器共振峰半高宽（FWHM）更窄，Q值提升约23%。这种差异源于银在近红外波段更低的固有损耗（γ值）。此外，研究还系统分析了腔体尺寸对滤波特性的影响，证实通过几何参数调整可实现波长调谐。

结论
该研究证实，三角谐振腔与圆形腔的协同作用能显著增强场局域效应。银材料的采用使Q值达到272的突破性水平，且结构对加工误差表现出良好鲁棒性。这种滤波器在波长选择性和尺寸紧凑性方面的优势，为高密度光子集成、生化传感等应用提供了新思路。

讨论与意义
此项工作的创新性体现在三方面：首先，通过谐振腔几何优化实现了亚波长尺度下的高效光操控；其次，系统量化了贵金属材料对器件性能的影响规律；最后，提出的设计方法具有普适性，可推广至其他等离子体器件开发。这些成果为发展下一代纳米光子芯片奠定了重要基础，相关论文已发表在光学领域权威期刊《Optik》上。