一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件

1.本发明涉及慢光器件的技术领域，具体涉及一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件。


背景技术：

2.慢光是指在某些特定的条件和介质结构中，光以较慢的群速度在介质中传播的现象，被认为是全光通信和量子信息处理技术实现光缓存和光开关功能的最具潜力的应用方案；现有技术中从改变材料色散系数或者从材料的结构出发，设计特殊的结构以实现慢光，但其方案由于结构固定，限制了使用价值。
3.由于慢光增强了光强，所以慢光另一个非常重要的应用是增强单位长度的光与物质的相互作用，从而增强光学非线性效应；即：慢光能够增强光器件(如：光开关、光调制器、光探测器和光放大器等)的单位长度上的光学非线性效应。
4.表面等离激元(surface plasmon polaritons,spps),是在光波段或近红外波段内金属与介质的分界面上存在的自由电子所产生的电磁响应，该响应产生的电磁波可以沿金属与介质的分界面上传播；周期结构模型可以实现电磁波在垂直于结构表面的方向上衰减分布，呈现高束缚性，并在结构表面保持传播，即周期结构可以传输表面等离激元电磁波。
5.在微波或太赫兹波段下，通过对平面金属进行结构化的设计后，将拥有类似光波段下表面等离激元的色散关系以及强束缚特性，并且其色散特性可以通过改变结构参数如孔的周期、深度以及形状来调控，故也称为人工表面等离极化激元(spoof spps,sspps)，而且该结构易于加工实现，较长的传输距离有利于充分利用表面波的传输特性进行光信息的有效操控和功能化应用。
6.近年来，由于表面等离激元高束缚及超短波长特性，为表面等离子体电路、电磁诱导透明、环境及生物探测以及光学增强等领域提供了重大的应用发展前景；基于人工表面等离子体类eit(electromagnet ically induced transparency)效应也被重视起来；同时，开口谐振环(split
‑
ring resonators，srrs)作为一种表面谐振结构，已经在很多领域发挥出了重要作用。
7.为了加强慢光效应、实现主动控制以及未来级联的需求，可以通过由特殊介质组合而成的槽深渐变的双侧褶皱金属条带和加二极管的方形开口金属环谐振结构来实现对表面等离激元的慢光效应；
8.现有产品是金纳米线光栅和石墨烯材料等纳米结构实现的等离子体类eit效应和慢光，此外，实现慢光的其他方法还包括：光子晶体波导、光栅结构、基于聚合物环谐振器的耦合谐振光波导、基于镶嵌多晶铌酸锂层的金纳米线光栅等等。开口谐振器因其负磁导率材料，广泛的被用于滤波器、天线和耦合器等微型微波器件的器件中，却没有与慢光结合，导致了该慢光器件有很大的发展空间。
9.综上所述，现有的慢光器件还在按照基本方式实行突破，缺少与其他器件的结合，
导致了功能的单一性和不可调控性。


技术实现要素：

10.针对相关技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题在于：提供一种具有动态可调谐的电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件。
11.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
12.一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件，包括：介质基板，所述介质基板上印制有人工表面等离激元传输线；所述人工表面等离激元传输线的传输方向上设置有至少一组功能单元；
13.每组功能单元包括：对称分布在人工表面等离激元传输线传输方向两侧的明暗模谐振结构对，所述明暗模谐振结构对包括：设置在内侧的是明模谐振结构，和设置在外侧的是暗模谐振结构；
14.所述暗模谐振结构上设置有pin二极管，通过控制pin二极管的通断状态，以控制明暗模谐振结构之间的相互耦合，从而改变人工表面等离激元的群速度和传播特性。
15.优选地，所述明模谐振结构包括：两个结构相同、对称设置在人工表面等离激元传输线两侧的明模方形开口金属环，所述暗模谐振结构包括：两个结构相同、对称设置在人工表面等离激元传输线两侧的暗模方形开口金属环；所述明模方形开口金属环的边长与暗模方形开口金属环的边长相同；
16.每个所述明模方形开口金属环上、垂直于人工表面等离激元传输线的一侧边设置有开口g1；
17.每个所述暗模方形开口金属环上、垂直于人工表面等离激元传输线的两个侧边分别设置有开口g2和开口g3，且所述开口g1和所述开口g2平行设置；
18.所述pin二极管设置在所述开口g3上。
19.优选地，所述人工表面等离激元传输线包括：馈入端传输线和接受端传输线；
20.所述馈入端传输线和接受端传输线结构相同、且基于中心对称；
21.所述馈入端传输线包括：沿人工表面等离激元传输线的传输方向依次布置的共面波导结构、匹配过渡结构和双侧褶皱波导条带结构。
22.优选地，所述匹配过渡结构包括：槽深渐变的褶皱金属条带和两个以褶皱金属条带的中轴线对称的过渡单元，所述褶皱金属条带的槽深沿着人工表面等离激元传输线的传输方向递增。
23.优选地，所述双侧褶皱波导条带结构包括：双侧褶皱金属条带。
24.优选地，所述明模方形开口金属环与人工表面等离激元传输线之间的距离均为0.5mm，所述暗模方形开口金属环与明模方形开口金属环之间的距离为0.5mm。
25.优选地，所述人工表面等离激元传输线的金属结构层厚度为0.018mm。
26.优选地，所述介质基板的厚度为0.5mm。
27.优选地，所述共面波导结构输入端、输出端的阻抗为50ω。
28.本发明的有益技术效果在于：
29.1、本发明的工作原理是：通过主动控制电磁诱导透明效应产生慢光，由于电磁诱导透明效应对材料色散关系的影响，只对特定频率的光透明，色散曲线将会在其附近变得
陡峭，带来光的群速度减慢，产生慢光；将pin二极管设置在所述开口g3上，pin二极管等效电路模型为rlc谐振电路，在导通和截止状态时，由于电路的rlc值不同，使得明模谐振结构与暗模谐振结构产生耦合的干涉效果不同，进而去主动控制人工表面等离激元在某个特定频率处的透明与否，并同时实现主动控制慢光；本发明通过改变pin二极管的状态，实现明模谐振结构与暗模谐振结构间的相互耦合，进而改变阻抗以控制人工表面等离激元的传播，能够实现慢光器件的动态调谐，实用性极强。
30.2、本发明中，将开口方形金属环谐振结构对与人工表面等离激元进行组合，在其中一个开口方形金属环谐振结构(暗模方形开口金属环)上通过增添开关达到主动控制慢光作用；为了实现更低功耗、超快的和动态可调谐的等离子体类eit效应和慢光，所述的谐振结构对可以慢光频率所对应的传播常数为周期在人工表面等离激元传输线上设置多组，以产生级联效应加强对光的束缚能力，达到了深度慢光的作用。
附图说明
31.图1是本发明提供的一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件的结构示意图；
32.图2是本发明中功能单元的结构示意图；
33.图3是本发明中明模方形开口金属环的结构示意图；
34.图4是本发明中暗模方形开口金属环的结构示意图；
35.图5是本发明中共面波导结构的结构示意图；
36.图6是本发明中匹配过渡结构的结构示意图；
37.图7是本发明中双侧褶皱波导条带结构的结构示意图；
38.图8是本发明单组功能单元中pin二极管导通时的透射幅度仿真图；
39.图9是本发明单组功能单元中pin二极管截止时的透射幅度仿真图；
40.图10是本发明单组功能单元中pin二极管导通时的电场分布仿真图；
41.图11是本发明单组功能单元中pin二极管截止时的电场分布仿真图；
42.图12是本发明多组功能单元级联时pin二极管导通时的透射幅度仿真图；
43.图13是本发明多组功能单元级联时pin二极管截止时的透射幅度仿真图；
44.图14是本发明多组功能单元级联时pin二极管导通时的电场分布仿真图；
45.图15是本发明多组功能单元级联时pin二极管截止时的电场分布仿真图；
46.图16是本发明多组功能单元与单组功能单元群延迟的仿真结果对比图；
47.图中：
48.1为介质基板，2为人工表面等离激元传输线，3为功能单元，4为明模方形开口金属环，5为暗模方形开口金属环；
49.21为共面波导结构，22为匹配过渡结构，23为双侧褶皱波导条带结构；
50.221为褶皱金属条带，222为过渡单元。
具体实施方式
51.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
53.以下结合附图详细说明所述一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件的一个实施例。
54.实施例一
55.图1是本发明提供的一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件的结构示意图；如图1所示，一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件，包括：介质基板1，所述介质基板1上印制有人工表面等离激元传输线2；所述人工表面等离激元传输线2的传输方向上设置有至少一组功能单元3；每组功能单元3包括：对称分布在人工表面等离激元传输线2传输方向两侧的明暗模谐振结构对，所述明暗模谐振结构对包括：设置在内侧的是明模谐振结构，和设置在外侧的是暗模谐振结构；所述暗模谐振结构上设置有pin二极管，通过控制pin二极管的通断状态，以控制明暗模谐振结构之间的相互耦合，从而改变人工表面等离激元的群速度和传播特性。
56.图2是本发明中谐振结构的结构示意图；如图2所示，所述明模谐振结构包括：两个结构相同、对称设置在人工表面等离激元传输线2两侧的明模方形开口金属环4，所述暗模谐振结构包括：两个结构相同、对称设置在人工表面等离激元传输线2两侧的暗模方形开口金属环5；所述明模方形开口金属环4的边长与暗模方形开口金属环5的边长相同；
57.每个所述明模方形开口金属环4上、垂直于人工表面等离激元传输线2的一侧边设置有开口g1；每个所述暗模方形开口金属环5上、垂直于人工表面等离激元传输线2的两个侧边分别设置有开口g2和开口g3，且所述开口g1和所述开口g2平行设置；
58.所述pin二极管设置在所述开口g3上。
59.本发明中，基于耦合模理论，明模方形开口金属环4，该结构能够与传输线发生直接的电磁耦合；暗模方形开口金属环5，该结构不能够与传输线发生直接的电磁耦合，但能够与明模谐振结构发生耦合，这两条路径方向相反，产生了电磁诱导透明现象，从而导致相消干涉以实现慢光。
60.本实施例中，图3是本发明中明模方形开口金属环的结构示意图；图4是本发明中暗模方形开口金属环的结构示意图；如图3、图4所示，所述明模方形开口金属环5的线宽k＝0.75mm，内置正方形边长i＝4.5mm，开口g1的宽度为0.4mm；暗模方形开口金属环6的k＝0.75mm，内置正方形边长i＝4.5mm，开口g2的宽度为1mm，开口g3的宽度为1mm。
61.进一步地，所述人工表面等离激元传输线2的厚度为0.018mm，采用的材料是铜，用以传输人工表面等离激元(spoof surface plasmon polaritions，sspps)。
62.更进一步地，所述介质基板1的厚度为0.5mm，采用的材料是f4b板材；所述pin二极管的型号可为smp1320，在可通过在pin二极管的引脚处上金属锡，用电烙铁将pin二极管焊接在开口g3上。
63.本发明中，所述功能单元3可为多组，可沿着人工表面等离激元传输线2的传输方向，以以慢光频率所对应的传播常数为周期在人工表面等离激元传输线上放置，以实现慢
光效应的增强。
64.本发明的工作原理是：通过主动控制电磁诱导透明效应产生慢光，由于电磁诱导透明效应对材料色散关系的影响，只对特定频率的光透明(本实施例中，选用的特定频率为5.35ghz)，色散曲线将会在其附近变得陡峭，带来光的群速度减慢，产生慢光；
65.将pin二极管设置在所述开口g3上，pin二极管等效电路模型为rlc谐振电路，在导通和截止状态时，由于电路的rlc值不同，使得明模谐振结构、暗模谐振结构产生耦合的干涉效果不同，进而去主动控制人工表面等离激元在某个特定频率处的透明与否，并同时实现达到主动控制产生慢光。
66.本发明通过改变pin二极管的状态，实现明模谐振结构、暗模谐振结构间的相互耦合，进而改变阻抗以控制人工表面等离激元的传播。
67.实施例二
68.在实施例一的基础上，一种电控谐振耦合的人工表面等离激元级联慢光器件，
69.所述人工表面等离激元传输线2包括：馈入端传输线和接受端传输线；
70.所述馈入端传输线和接受端传输线结构相同、且基于中心对称；
71.所述馈入端传输线包括：沿人工表面等离激元传输线2的传输方向依次布置的共面波导结构21、匹配过渡结构22和双侧褶皱波导条带结构23。
72.图5是本发明中共面波导结构的结构示意图；图6是本发明中匹配过渡结构的结构示意图；图7是本发明中双侧褶皱波导条带结构的结构示意图；如图5至图7所示：
73.所述共面波导结构21：为了保证电磁波的高效传输且具有较小的反射，共面波导的等效输入阻抗需与之相匹配，保证输入和输出阻抗为50ω。
74.所述匹配过渡结构22：包括槽深渐变的褶皱金属条带221和两个以褶皱金属条带221的中轴线对称的过渡单元222，所述褶皱金属条带221的槽深沿着人工表面等离激元传输线2的传输方向递增；且槽深渐变的褶皱金属条带22中凹槽的槽深是呈现线性渐变的，槽深渐变的褶皱金属条带221可使共面波导和人工表面等离激元传输线的波数和动量相匹配，从而实现共面波导传输的transverse electric and magnetic field(tem)波和人工表面等离激元传输线传输的表面电磁波高效转换；其中，所述的过渡单元222用于实现波矢匹配，高效率地把发射源耦合进入到表面等离激元传输线中。
75.所述双侧褶皱波导条带结构23包括：双侧褶皱金属条带，用以传输人工表面等离激元。
76.本实施例中，共面波导结构21中：h＝8mm，gap＝0.25mm；其中，h为共面波导结构21中线的距离，共面波导结构21中的线宽。
77.匹配过渡结构22中：w1＝25mm，l2＝37mm，l3＝58.5mm，c＝0.14；＝58.5mm，c＝0.14；
78.其中，w1为过度单元的宽度，l3为过度单元的长度，l2为过度单元中褶皱金属条带2121的长度；f1(x)为过度单元中波矢匹配曲线；f2(x)为褶皱金属条带221的线性关系直线；c为弧线曲率参数。
79.双侧褶皱波导条带23中：p＝5mm，d＝3mm，a＝2mm；
80.其中，所述双侧褶皱波导条带23为：由周期为p、槽宽为a、槽深为d的单个表面等离
子激元组成的周期性出现凹槽和突起的周期性结构。
81.具体地，所述明模方形开口金属环4与人工表面等离激元传输线2之间的距离均为0.5mm，所述暗模方形开口金属环5与明模方形开口金属环4之间的距离为0.5mm。
82.所述共面波导结构211的输入端和输出端的阻抗为50ω。
83.本实施例二中，在二极管导通时，功能单元对慢光频率所对应的人工表面等离激元透明，在由双侧褶皱金属条带耦合到谐振结构对上又由谐振结构对耦合到双侧褶皱金属条带上；在频率为5.35ghz附近，明模方形开口金属环与暗模方形开口金属环产生耦合；此时由于两个方形开口金属环相互耦合产生原子系统的相消干涉使得频率为5.35ghz的光不会被吸收，产生了电磁诱导透明效应，使得频率为5.35ghz附近的光的群速度会减慢，产生慢光；当二极管截止时，功能单元对慢光频率所对应的人工表面等离激元吸收，此时当人工表面等离激元由双侧褶皱金属条带耦合到谐振结构上将会被吸收，不会再由谐振结构耦合到双侧褶皱金属条带，即光路被阻断；实现了电压控制的电磁诱导透明效应产生慢光；本发明通过改变pin二极管的状态达到两种模式的切换，可作为主动慢光器件。
84.此外，本发明中的功能单元3可设置为多组，利用人工表面等离激元传输线的特性，将每组功能单元3在传输方向上进行级联，达到深度慢光的作用。
85.为更好的对本发明的技术效果进行说明，本实施例结合仿真实验，对本发明的技术效果做进一步的说明。
86.仿真条件：通过仿真软件cst microwave studio对上述实施例进行仿真；
87.仿真内容：
88.(1)对本发明中单组功能单元，在pin二极管导通与截止的透射幅度(s21参数)结果和电场分布结果；
89.(2)对本发明多组功能单元级联时，在pin二极管导通与截止的透射幅度(s21参数)结果和电场分布结果。
90.仿真结果分析:
91.图8是本发明单组功能单元中pin二极管导通时的透射幅度仿真图；图9是本发明单组功能单元中pin二极管截止时的透射幅度仿真图；如图8、图9所示，在5.35ghz频率下当二极管导通时透射幅度几乎保持不变且出现电磁感应透明效应，当二极管截止时透射幅度为
‑
16db左右。
92.图10是本发明单组功能单元中pin二极管导通时的电场分布仿真图；图11是本发明单组功能单元中pin二极管截止时的电场分布仿真图；如图10、图11所示，在5.35ghz频率下当二极管导通时不具有对电场的吸收能力但会产生慢光，当二极管截止时电场会被吸收在谐振结构中处。
93.本实施例还提供了多组功能单元级联时的仿真示意图。
94.图12是本发明多组功能单元级联时pin二极管导通时的透射幅度仿真图；图13是本发明多组功能单元级联时pin二极管截止时的透射幅度仿真图；如图12、图13所示，在5.35ghz频率下，在pin二极管导通时，三组谐振结构相比单组功能单元当透射幅度几乎保持不变且出现电磁感应透明效应；在pin二极管截止时透射幅度为
‑
45db左右。
95.图14是本发明多组功能单元级联时pin二极管导通时的电场分布仿真图；图15是本发明多组功能单元级联时pin二极管截止时的电场分布仿真图；如图14、15所示，在
5.35ghz频率下，在pin二极管导通时不具有对电场的吸收能力但会产生慢光且达到深度慢光作用，在pin二极管截止时电场会被吸收在方形开口谐振结构对处。
96.图16是本发明多组功能单元与单组功能单元群延迟的仿真结果对比图；如图16所示，随着级联功能单元的数量增加，慢光效应增强，延迟时间增加，由单组的1.6ns变为了三组的5.2ns。
97.综上，本发明通过控制暗模开口方形谐振结构上pin二极管(smp1320)的状态即可以达到主动控制电磁感应透明效应进而控制产生慢光，在需要慢光调制时，将二极管导通即可，在不需要慢光调制时，将二极管截止；达到电压控制的目的，可作为主动器件去使用。
98.同时，在双侧褶皱金属条带23上沿着人工表面等离激元传输方向上相距慢光频率对应的传播常数的位置加入相同带有pin二极管(smp1320)的明暗模谐振结构对，可以产生级联效应，达到深度慢光；可应用在光缓存，光开关，量子信息处理技术等领域，对慢光器件具有重大意义。
99.在本发明的描述中，需要理解的是：术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
100.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
101.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
102.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
103.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。