一种类表面等离子体复合型狭缝波导及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于人工微结构电磁学与电磁超材料领域，是基于类表面等离子体激元微 波器件的研宄。
【背景技术】
[0002] 随着信息科技的高速发展，信息量需求成指数型增长，基于传统金属互连技术的 电子器件已经不再满足超大容量、超高速、超长距离和高存储密度的信息传输需求。而光子 作为信息载体，相对于电子来说具有频率高，传输带宽高，损耗小、成本低等诸多优势。例 如，光纤通信在信息时代已经占据重要的位置，光子器件正在逐渐取代电子器件。然而光子 器件由于衍射极限尺寸都比较大，难以满足高密度的集成光子回路的发展趋势。而基于表 面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs)的光波导由于可以突破衍射极限实 现亚波长尺度的光传输，成为最有希望的纳米集成光子器件的信息载体。
[0003] 由于表面等离子体亚波长场局域化主要依赖于电磁场渗透进金属的程度，它直 接取决于金属表面自由电子的被激发程度，所以工作频率一般只能在可见光或近红外波 段。在这个波段里，通常采用的材料（如金，银，透明的导电氧化物等）都能支持很强的 表面等离子激元共振，但是对应的吸收损耗也非常大。而在低频（如太赫兹或者微波波 段）情况下，由于自由电子不再发生共振，电磁波无法穿透进入金属表面，从而让其表现 出接近完美电导体的性质，表面等离子体激元共振不再存在。为了克服这一问题，2004 年 Pendry 等人（参考非专利文献 I :J. B. Pendry, L. Martin-Moreno, F. J. Garcia-Vidal. Mimicking surface plasmons with structured surfaces. Science 2004,305,847)提 出了一种新的物理概念一类表面等离子共振激元（Spoof Surface Plasmon Polaritons， SSPPs)。文中指出在低频波段可以利用在贵金属表面刻蚀人工微结构，例如挖槽或者挖 孔，使原本表现为完美电导体的金属具有与在光频波段相似的表面等离子激元特性。这 一新的物理概念引起了对类表面等离子体激元的研宄热潮。2012年Pors等人（参考非 专利文献 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.，）利用具有亚波长微结构的完美电导体圆盘实现了类局域表面等 离子共振（Spoof Localized Surface Plasmon Resonance, SLSPR)。之后利用类表面等离 子体激元，许多最初在真实表面等离子体激元系统中研宄的现象和器件被不断拓展到太赫 兹及微波波段。2011年Kats等人（参考非专利文献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.)利用类表面等离子体激元实现了微波频段的亚波长金 属-介电-金属狭缝波导，文中称这种结构为"Spoof-Insulator-Spoof (SIS) "波导。电磁 波在这种SIS波导中以SSPPs的模式传播，因此其等效波长比真空波长还要小，使得SIS 波导成为一种亚波长狭缝波导器件。因此SIS波导可能应用在集成电磁回路系统中用来缩 小设备的体积.本发明正是基于SIS波导的微波器件，通过多尺度的周期性结构设计实现 对狭缝中SSPPs的传输特性的控制，使其具有带阻及带通滤波能力，实现微波的亚波长束 缚可调控传输。
【发明内容】
[0004] 本发明提出了一种具有多尺度周期性人工微结构的类表面等离子体复合型狭缝 波导。提出在已经具有亚波长精细人工微结构的类表面等离子体狭缝波导中引入波长尺 度的周期性结构调制，构成复合型类表面等离子体狭缝波导。这种复合型狭缝波导具有微 波带隙，处在带隙区间内的类表面等离子体波不能传输从而使该波导具备了带阻滤波的特 性。此外在复合型狭缝波导中引入结构缺陷还可以产生缺陷态模式。缺陷态模式的存在能 够使某较窄频率范围内的类表面等离子体波通过狭缝波导，因此又使得改波导具备了带通 滤波的能力。结合单一尺度类表面等离子体狭缝波导的色散关系和能带理论给出了复合型 狭缝波导的"带隙图"。根据"带隙图"可以灵活设计复合型波导的几何参数来调节微波带 隙的宽度及位置。
[0005] 一种类表面等离子体复合型狭缝波导，复合型波导工作在低频，波导的单元结构 尺寸与狭缝中传播的类表面等离子体行波的有效波长可比；这里的可比是指，波导的单元 结构尺寸P不小于在其中传播的类表面等离子体行波的有效波长A sspp，即P多Asspp。在 微波波段，波导单元结构的尺寸为毫米量级；
[0006] 复合型波导为超薄型贴片结构，工作在微波波段其厚度为小于1毫米；
[0007] 复合型波导的单元结构包含两种不同的材料，狭缝区域及微矩形槽区域的材料为 介电材料，区域为在微波频段是完美电导体的金属材料，狭缝区域及微矩形槽区域成十字 架结构设置，狭缝区域及微矩形槽区域为连通设置，区域设置在狭缝区域及微矩形槽区域 外围。
[0008] 作为本发明的进一步改进，所述复合型狭缝波导的单元结构包含两个在单一尺度 上具有周期性的类表面等离子体狭缝波导A和B，
[0009] 波导A和B都为侧壁具有周期性人工微结构的类表面等离子体狭缝波导；
[0010] 波导A和B的基本单元结构的尺寸d及微矩形槽的宽度a都远小于工作频段的真 空中的微波波长λ。，即满足2 π a/ λα〈2 π d/ XQ<< 1 ;
[0011] 波导A和B都包含np个基本单元结构；η p为大于等于2的整数；
[0012] 波导A和B至少有一种几何参数不同。
[0013] 作为本发明的进一步改进，所述几何参数为基本单元结构的尺寸d及微矩形槽的 宽度a或微矩形槽的深度h，图中匕和h 2是h的具体举例。
[0014] 作为本发明的进一步改进，子狭缝波导A和B中的类表面等离子体行波存在对称 型及反对称型类表面等离子体波模式。
[0015] 根据上述所述的一种类表面等离子体复合型狭缝波导的应用，
[0016] 其中对称型的类表面等离子体波的色散可以由小狭缝近似给出：
【主权项】
1. 一种类表面等离子体复合型狭缝波导，其特征在于： 复合型波导工作在低频，波导的单元结构尺寸与狭缝中传播的类表面等离子体行波的 有效波长可比；该里的可比是指，波导的单元结构尺寸P不小于在其中传播的类表面等离 子体行波的有效波长在微波波段，波导单元结构的尺寸为毫米量级； 复合型波导为超薄型贴片结构，工作在微波波段其厚度为小于1毫米；复合型波导的 单元结构包含两种不同的材料，狭缝区域（1)及微矩形槽区域（2)的材料为介电材料，区域 (3)为在微波频段是完美电导体的金属材料，狭缝区域（1)及微矩形槽区域（2)成十字架结 构设置，狭缝区域（1)及微矩形槽区域（2)为连通设置，区域（3)设置在狭缝区域（1)及微 矩形槽区域（2)外围。
2. 根据权利要求1所述的一种类表面等离子体复合型狭缝波导，其特征在于；所述复 合型狭缝波导的单元结构包含两个在单一尺度上具有周期性的类表面等离子体狭缝波导A 和B， 波导A和B都为侧壁具有周期性人工微结构的类表面等离子体狭缝波导； 波导A和B的基本单元结构的尺寸d及微矩形槽的宽度a都远小于工作频段的真空中 的微波波长^。，即满足2 31 a/ A。。31 d/ A〇<< 1 ; 波导A和B都包含np个基本单元结构；n p为大于等于2的整数； 波导A和B至少有一种几何参数不同。
3. 根据权利要求2所述的一种类表面等离子体复合型狭缝波导，其特征在于；所述几 何参数为基本单元结构的尺寸d及微矩形槽的宽度a或微矩形槽的深度h。
4. 根据权利要求2所述的一种类表面等离子体复合型狭缝波导，其特征在于；子狭缝 波导A和B中的类表面等离子体行波存在对称型及反对称型类表面等离子体波模式。
5. 根据权利要求2至4任意一项所述的一种类表面等离子体复合型狭缝波导的应用， 其特征在于： 其中对称型的类表面等离子体波的色散可W由小狭缝近似给出：
复合型狭缝波导的色散关系可由布洛赫定理给出：
其中01,2为A及B波导内模式的有效传播常数； 在复合型狭缝波导中引入几何结构型缺陷产生缺陷态模式。
6. 根据权利要求5所述的一种类表面等离子体复合型狭缝波导的应用，其特征在于： 串联具有不同几何参数的子狭缝波导A和B实现其中类表面等离子波有效折射率的周期性 调控。
【专利摘要】本发明提供了一种类表面等离子体复合型狭缝波导及其应用，这种类表面等离子体复合型狭缝波导同时具有亚波长尺度的周期性微结构和波长尺度的周期性布拉格结构。因此这种多尺度复合型狭缝波导同时具有人工微结构超材料的特性及类似于光子晶体的导波及带隙性质。具体来讲复合波导的局域有效介质的性质可以通过亚波长尺度的微结构来调控；而波导整体可以支持类似于光子晶体能带的微波带隙和缺陷态模式。利用微波带隙及缺陷态模式分别可以实现带阻滤波和带通滤波的功能。本发明结合了类表面等离子体波导的色散关系和布洛赫理论给出了这种复合型波导在几何参数空间的“带隙图”。
【IPC分类】G02B6-122
【公开号】CN104597564
【申请号】CN201510023376
【发明人】肖君军, 张强, 秦菲菲, 刘真真, 张小明
【申请人】哈尔滨工业大学深圳研究生院
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月16日