一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于人工微結(jié)構(gòu)電磁學與電磁超材料領(lǐng)域，是基于類表面等離子體激元微 波器件的研宄。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著信息科技的高速發(fā)展，信息量需求成指數(shù)型增長，基于傳統(tǒng)金屬互連技術(shù)的 電子器件已經(jīng)不再滿足超大容量、超高速、超長距離和高存儲密度的信息傳輸需求。而光子 作為信息載體，相對于電子來說具有頻率高，傳輸帶寬高，損耗小、成本低等諸多優(yōu)勢。例 如，光纖通信在信息時代已經(jīng)占據(jù)重要的位置，光子器件正在逐漸取代電子器件。然而光子 器件由于衍射極限尺寸都比較大，難以滿足高密度的集成光子回路的發(fā)展趨勢。而基于表 面等離子體激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs)的光波導由于可以突破衍射極限實 現(xiàn)亞波長尺度的光傳輸，成為最有希望的納米集成光子器件的信息載體。
[0003] 由于表面等離子體亞波長場局域化主要依賴于電磁場滲透進金屬的程度，它直 接取決于金屬表面自由電子的被激發(fā)程度，所以工作頻率一般只能在可見光或近紅外波 段。在這個波段里，通常采用的材料（如金，銀，透明的導電氧化物等）都能支持很強的 表面等離子激元共振，但是對應(yīng)的吸收損耗也非常大。而在低頻（如太赫茲或者微波波 段）情況下，由于自由電子不再發(fā)生共振，電磁波無法穿透進入金屬表面，從而讓其表現(xiàn) 出接近完美電導體的性質(zhì)，表面等離子體激元共振不再存在。為了克服這一問題，2004 年 Pendry 等人（參考非專利文獻 I :J. B. Pendry, L. Martin-Moreno, F. J. Garcia-Vidal. Mimicking surface plasmons with structured surfaces. Science 2004,305,847)提 出了一種新的物理概念一類表面等離子共振激元（Spoof Surface Plasmon Polaritons， SSPPs)。文中指出在低頻波段可以利用在貴金屬表面刻蝕人工微結(jié)構(gòu)，例如挖槽或者挖 孔，使原本表現(xiàn)為完美電導體的金屬具有與在光頻波段相似的表面等離子激元特性。這 一新的物理概念引起了對類表面等離子體激元的研宄熱潮。2012年P(guān)ors等人（參考非 專利文獻 2 :A. Pors, E. Moreno, L. Martin-Moreno, J. B. Pendry, and F. J. Garcia-Vidal. Localized spoof plasmonsarise while texturing closed surfaces. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 223905.，）利用具有亞波長微結(jié)構(gòu)的完美電導體圓盤實現(xiàn)了類局域表面等 離子共振（Spoof Localized Surface Plasmon Resonance, SLSPR)。之后利用類表面等離 子體激元，許多最初在真實表面等離子體激元系統(tǒng)中研宄的現(xiàn)象和器件被不斷拓展到太赫 茲及微波波段。2011年Kats等人（參考非專利文獻3 :M. A. Kats，D. Woolf, R. Blanchard, N. Yu,and F.Capasso. Spoof plasmon analogue of metal-insulator-metal waveguides. Opt. Express 2011,19,14860.)利用類表面等離子體激元實現(xiàn)了微波頻段的亞波長金 屬-介電-金屬狹縫波導，文中稱這種結(jié)構(gòu)為"Spoof-Insulator-Spoof (SIS) "波導。電磁 波在這種SIS波導中以SSPPs的模式傳播，因此其等效波長比真空波長還要小，使得SIS 波導成為一種亞波長狹縫波導器件。因此SIS波導可能應(yīng)用在集成電磁回路系統(tǒng)中用來縮 小設(shè)備的體積.本發(fā)明正是基于SIS波導的微波器件，通過多尺度的周期性結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn) 對狹縫中SSPPs的傳輸特性的控制，使其具有帶阻及帶通濾波能力，實現(xiàn)微波的亞波長束 縛可調(diào)控傳輸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明提出了一種具有多尺度周期性人工微結(jié)構(gòu)的類表面等離子體復(fù)合型狹縫 波導。提出在已經(jīng)具有亞波長精細人工微結(jié)構(gòu)的類表面等離子體狹縫波導中引入波長尺 度的周期性結(jié)構(gòu)調(diào)制，構(gòu)成復(fù)合型類表面等離子體狹縫波導。這種復(fù)合型狹縫波導具有微 波帶隙，處在帶隙區(qū)間內(nèi)的類表面等離子體波不能傳輸從而使該波導具備了帶阻濾波的特 性。此外在復(fù)合型狹縫波導中引入結(jié)構(gòu)缺陷還可以產(chǎn)生缺陷態(tài)模式。缺陷態(tài)模式的存在能 夠使某較窄頻率范圍內(nèi)的類表面等離子體波通過狹縫波導，因此又使得改波導具備了帶通 濾波的能力。結(jié)合單一尺度類表面等離子體狹縫波導的色散關(guān)系和能帶理論給出了復(fù)合型 狹縫波導的"帶隙圖"。根據(jù)"帶隙圖"可以靈活設(shè)計復(fù)合型波導的幾何參數(shù)來調(diào)節(jié)微波帶 隙的寬度及位置。
[0005] 一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導，復(fù)合型波導工作在低頻，波導的單元結(jié)構(gòu) 尺寸與狹縫中傳播的類表面等離子體行波的有效波長可比；這里的可比是指，波導的單元 結(jié)構(gòu)尺寸P不小于在其中傳播的類表面等離子體行波的有效波長A sspp，即P多Asspp。在 微波波段，波導單元結(jié)構(gòu)的尺寸為毫米量級；
[0006] 復(fù)合型波導為超薄型貼片結(jié)構(gòu)，工作在微波波段其厚度為小于1毫米；
[0007] 復(fù)合型波導的單元結(jié)構(gòu)包含兩種不同的材料，狹縫區(qū)域及微矩形槽區(qū)域的材料為 介電材料，區(qū)域為在微波頻段是完美電導體的金屬材料，狹縫區(qū)域及微矩形槽區(qū)域成十字 架結(jié)構(gòu)設(shè)置，狹縫區(qū)域及微矩形槽區(qū)域為連通設(shè)置，區(qū)域設(shè)置在狹縫區(qū)域及微矩形槽區(qū)域 外圍。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述復(fù)合型狹縫波導的單元結(jié)構(gòu)包含兩個在單一尺度 上具有周期性的類表面等離子體狹縫波導A和B，
[0009] 波導A和B都為側(cè)壁具有周期性人工微結(jié)構(gòu)的類表面等離子體狹縫波導；
[0010] 波導A和B的基本單元結(jié)構(gòu)的尺寸d及微矩形槽的寬度a都遠小于工作頻段的真 空中的微波波長λ。，即滿足2 π a/ λα〈2 π d/ XQ<< 1 ;
[0011] 波導A和B都包含np個基本單元結(jié)構(gòu)；η p為大于等于2的整數(shù)；
[0012] 波導A和B至少有一種幾何參數(shù)不同。
[0013] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述幾何參數(shù)為基本單元結(jié)構(gòu)的尺寸d及微矩形槽的 寬度a或微矩形槽的深度h，圖中匕和h 2是h的具體舉例。
[0014] 作為本發(fā)明的進一步改進，子狹縫波導A和B中的類表面等離子體行波存在對稱 型及反對稱型類表面等離子體波模式。
[0015] 根據(jù)上述所述的一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導的應(yīng)用，
[0016] 其中對稱型的類表面等離子體波的色散可以由小狹縫近似給出：
【主權(quán)項】
1. 一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導，其特征在于： 復(fù)合型波導工作在低頻，波導的單元結(jié)構(gòu)尺寸與狹縫中傳播的類表面等離子體行波的 有效波長可比；該里的可比是指，波導的單元結(jié)構(gòu)尺寸P不小于在其中傳播的類表面等離 子體行波的有效波長在微波波段，波導單元結(jié)構(gòu)的尺寸為毫米量級； 復(fù)合型波導為超薄型貼片結(jié)構(gòu)，工作在微波波段其厚度為小于1毫米；復(fù)合型波導的 單元結(jié)構(gòu)包含兩種不同的材料，狹縫區(qū)域（1)及微矩形槽區(qū)域（2)的材料為介電材料，區(qū)域 (3)為在微波頻段是完美電導體的金屬材料，狹縫區(qū)域（1)及微矩形槽區(qū)域（2)成十字架結(jié) 構(gòu)設(shè)置，狹縫區(qū)域（1)及微矩形槽區(qū)域（2)為連通設(shè)置，區(qū)域（3)設(shè)置在狹縫區(qū)域（1)及微 矩形槽區(qū)域（2)外圍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導，其特征在于；所述復(fù) 合型狹縫波導的單元結(jié)構(gòu)包含兩個在單一尺度上具有周期性的類表面等離子體狹縫波導A 和B， 波導A和B都為側(cè)壁具有周期性人工微結(jié)構(gòu)的類表面等離子體狹縫波導； 波導A和B的基本單元結(jié)構(gòu)的尺寸d及微矩形槽的寬度a都遠小于工作頻段的真空中 的微波波長^。，即滿足2 31 a/ A。。31 d/ A〇<< 1 ; 波導A和B都包含np個基本單元結(jié)構(gòu)；n p為大于等于2的整數(shù)； 波導A和B至少有一種幾何參數(shù)不同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導，其特征在于；所述幾 何參數(shù)為基本單元結(jié)構(gòu)的尺寸d及微矩形槽的寬度a或微矩形槽的深度h。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導，其特征在于；子狹縫 波導A和B中的類表面等離子體行波存在對稱型及反對稱型類表面等離子體波模式。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4任意一項所述的一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導的應(yīng)用， 其特征在于： 其中對稱型的類表面等離子體波的色散可W由小狹縫近似給出：
復(fù)合型狹縫波導的色散關(guān)系可由布洛赫定理給出：
其中01,2為A及B波導內(nèi)模式的有效傳播常數(shù)； 在復(fù)合型狹縫波導中引入幾何結(jié)構(gòu)型缺陷產(chǎn)生缺陷態(tài)模式。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導的應(yīng)用，其特征在于： 串聯(lián)具有不同幾何參數(shù)的子狹縫波導A和B實現(xiàn)其中類表面等離子波有效折射率的周期性 調(diào)控。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導及其應(yīng)用，這種類表面等離子體復(fù)合型狹縫波導同時具有亞波長尺度的周期性微結(jié)構(gòu)和波長尺度的周期性布拉格結(jié)構(gòu)。因此這種多尺度復(fù)合型狹縫波導同時具有人工微結(jié)構(gòu)超材料的特性及類似于光子晶體的導波及帶隙性質(zhì)。具體來講復(fù)合波導的局域有效介質(zhì)的性質(zhì)可以通過亞波長尺度的微結(jié)構(gòu)來調(diào)控；而波導整體可以支持類似于光子晶體能帶的微波帶隙和缺陷態(tài)模式。利用微波帶隙及缺陷態(tài)模式分別可以實現(xiàn)帶阻濾波和帶通濾波的功能。本發(fā)明結(jié)合了類表面等離子體波導的色散關(guān)系和布洛赫理論給出了這種復(fù)合型波導在幾何參數(shù)空間的“帶隙圖”。
【IPC分類】G02B6-122
【公開號】CN104597564
【申請?zhí)枴緾N201510023376
【發(fā)明人】肖君軍, 張強, 秦菲菲, 劉真真, 張小明
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月16日