CN103280622A

CN103280622A - 基于人工表面等离激元的环形谐振器

Info

Publication number: CN103280622A
Application number: CN2013101298193A
Authority: CN
Inventors: 崔铁军; 沈晓鹏; 鲍迪; 汤文轩
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元的环形谐振器，结构简单，由周期性排列的金属单元组成，金属单元的厚度远远小于工作波长，可以将表面波传播束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸中，实现能量的高效传输。直波导上的表面等离激元可以耦合到圆环上传输，环绕一周后再次耦合回直波导中，与直波导上传输的人工表面等离激元发生干涉。本发明是一种平面化结构化表面金属条带结构，支持表面等离激元的传输，电磁表面波束缚在这种平面结构化金属表面，在垂直于传输方向紧束缚在结构表面亚波长尺度范围内，沿垂直于表面方向指数衰减。可以缩放结构尺寸使工作在太赫兹及微波、毫米波频段。

Description

基于人工表面等离激元的环形谐振器

技术领域

本发明属于人工表面等离极化激元领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元的环形谐振器。

背景技术

表面等离激元（surface plasmon polaritons，SPPs）是由外部电磁场诱导金属表面自由电子所形成的振荡，它能产生沿着金属和介质表面传播的表面电磁波，并将电磁场能量限制在深度亚波长范围内，从而传导与传统光子电路相同大小带宽的电磁波，并且不受衍射极限的限制。这使得SPP器件在将来很可能实现光子与电子元器件在纳米尺度上的完美结合，因此受到广泛的关注。

然而自然界的SPP仅存在于光波段，为了在较低频段（THz、GHz）实现SPP，人们提出了人工表面等离极化激元（Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP）。SSPP是一种可以人工设计，通过改变结构参数，改变表面波色散曲线的新型材料。经过近几年的发展，SSPP得到了长足的发展，在器件设计上有着广泛的应用。

SSPP实现表面波的传输技术及相关功能器件相对于传统电磁波的传输技术及器件，有着以下的重大优势：

辐射小，电磁波紧紧束缚在结构表面亚波长尺度的范围内，在垂直于表面的方向指数衰减。

带宽大，可以在较宽的频带范围内传输表面电磁波。

尺寸小，是亚波长结构。

目前人工表面等离激元的研究，都是基于一维周期结构、二维无限大平面结构或有限厚度的三维立体结构，往往体积、面积都比较大，且电磁场只能约束在垂直介质/金属分界面一个维度上按指数规律衰减，离真正实现电磁波亚波长束缚传输还有很大距离。

因此，需要一种新的谐振器以实现上述功能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种基于人工表面等离激元的环形谐振器。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器可采用如下技术方案：

一种基于人工表面等离激元的环形谐振器，包括直金属带和环形金属带，所述环形金属带设置在所述直金属带的一侧，所述直金属带和环形金属带均为人工等离激元传输器，所述人工等离激元传输器均由周期性排列的金属单元组成，所述金属单元为金属薄膜，所述金属单元的形状为矩形，所述金属单元的长度和宽度均相同，所述金属单元上均设置有垂直于所述人工等离激元传输器长度方向的凹槽，所述凹槽均位于所述人工等离激元传输器的同侧，所述凹槽的宽度和深度均相同，所述直金属带为长直形，所述环形金属带为圆环形，所述环形金属带的凹槽开口背离所述环形金属带的圆心，所述直金属带的凹槽开口朝向所述环形金属带。

更进一步的，所述基于人工表面等离激元的环形谐振器可在PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基板上加工。本发明是一种等离激元结构，在结构化金属条带结构表面支持表面等离激元的传输。微波段可以在PCB板上利用标准的微波电路板加工技术加工，太赫兹波段可以利用光刻或激光直写技术在硅基底、石英基底或聚酰亚胺等硬基板和柔性基板上加工。具体的，本发明的谐振器工作在微波段时：可以在单面电路板上加工，如F4B或FR4电路板，甚至超薄结构的柔性电路板上加工。基底板材的厚度可以为无限薄，或者不需要基底板材的支撑。与微带线相比，该结构不需要地线，可以自由导波，具有非常小的传输损耗。不需要特别设计弯角，可以实现大角度折弯。本发明的谐振器工作在太赫兹波段时：由于是平面结构，可以利用标准光刻技术或激光直写技术，在硅基底或石英基底上加工微结构。

更进一步的，所述环形金属带的半径为亚波长结构。

更进一步的，所述基于人工表面等离激元的环形谐振器在柔性薄膜上加工而成。可以弯折、折叠、缠绕、扭曲或者包裹在平滑或不平滑表面上来控制共形表面等离激元的传输。

有益效果：与背景技术相比，本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器结构简单，由周期性排列的金属单元组成，金属单元的厚度远远小于工作波长，可以将表面波传播束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸中，实现能量的高效传输。直波导上的表面等离激元可以耦合到圆环上传输，环绕一周后再次耦合回直波导中，与直波导上传输的人工表面等离激元发生干涉。圆环上的相移为2mπ时（m为整数），谐振干涉加强；相移为(2m+1)π时，谐振干涉相消。输出端信号表现出周期性滤波特性。本发明是一种平面化结构化表面金属条带结构，支持表面等离激元的传输，电磁表面波束缚在这种平面结构化金属表面，在垂直于传输方向紧束缚在结构表面亚波长尺度范围内，沿垂直于表面方向指数衰减。基于电磁波的缩放特性，可以缩放结构尺寸使工作在太赫兹及微波、毫米波频段。平面化设计使其易于利用现有微波、太赫兹波技术加工，且易于与其他器件集成。

附图说明

图1是本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器的结构示意图；

图2是本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器的金属单元的结构示意图；

图3是本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器的谐振干涉加强效果示意图；

图4是本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器的谐振干涉相消效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

请参阅图1和图2所示，本发明是基于人工表面等离激元的环形谐振器，包括直金属带1和环形金属带2。环形金属带2设置在直金属带1的一侧。直金属带1和环形金属带2均为人工等离激元传输器，人工等离激元传输器均由周期性排列的金属单元11组成。金属单元11为金属薄膜，金属单元11的形状为矩形，金属单元11的长度和宽度均相同，金属单元11上均设置有垂直于人工等离激元传输器长度方向的凹槽12，凹槽12均位于人工等离激元传输器的同侧，凹槽12的宽度和深度均相同，直金属带1为长直形，环形金属带2为圆环形，环形金属带2的半径为亚波长结构。环形金属带2的凹槽12开口背离环形金属带2的圆心，直金属带1的凹槽12开口朝向环形金属带2。

基于人工表面等离激元的环形谐振器在PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基板等硬基板或柔性基板上加工。本发明是一种等离激元结构，在结构化金属条带结构表面支持表面等离激元的传输。微波段可以在PCB板上利用标准的微波电路板加工技术加工，太赫兹波段可以利用光刻或激光直写技术在硅基底、石英基底或聚酰亚胺等硬基板和柔性基板上加工。具体的，本发明的谐振器工作在微波段时：可以在单面电路板上加工，如F4B或FR4电路板，甚至超薄结构的柔性电路板上加工。基底板材的厚度可以为无限薄，或者不需要基底板材的支撑。与微带线相比，该结构不需要地线，可以自由导波，具有非常小的传输损耗。不需要特别设计弯角，可以实现大角度折弯。本发明的谐振器工作在太赫兹波段时：由于是平面结构，可以利用标准光刻技术或激光直写技术，在硅基底或石英基底上加工微结构。平面化设计易于利用现有微波、太赫兹波技术加工，且易于与其他器件集成。

金属单元11由铜膜加工而成。可以弯折、折叠、缠绕、扭曲或者包裹在平滑或不平滑表面上来控制共形表面等离激元的传输。

发明原理：请参阅图3和图4所示，本发明的基于人工表面等离激元的环形谐振器利用结构化金属条带传输表面电磁波。当电磁波沿着输入端激励时，入射电磁波会在器件表面形成表面波。电磁表面波束缚在结构化金属条带亚波长尺度的范围内，在垂直于波导的方向上指数衰减。环形谐振器有直波导及与之耦合的环形波导构成。表面电磁波可以在直波导和环形波导上有效传输，保持非常小的传输损耗和折弯损耗。直波导上的表面等离激元可以耦合到圆环上传输，环绕一周后再次耦合回直波导中，与直波导上传输的人工表面等离激元发生干涉。圆环上的相移为2mπ时（m为整数），谐振干涉加强，如图3所示；相移为(2m+1)π时，谐振干涉相消，如图4所示。输出端信号表现出周期性滤波特性。

圆环上的相移可以用

计算，其中n_eff(λ)是波长λ时的等效折射率，R是圆环半径。

与背景技术相比，本发明基于人工表面等离激元的环形谐振器结构简单，由周期性排列的金属单元组成，金属单元的厚度远远小于工作波长，可以将表面波传播束缚在金属带周围的深度亚波长尺寸中，实现能量的高效传输，本发明传输损耗小，电磁波可以传播几十个周期结构。相比于其他传输线结构，结构十分简单。本发明是一种平面化结构化表面金属条带结构，支持表面等离激元的传输，电磁表面波束缚在这种结构化金属表面，在垂直于传输方向紧束缚在结构表面亚波长尺度范围内，沿垂直于表面指数衰减。基于电磁波的缩放特性，可以缩放结构尺寸使工作在太赫兹及微波、毫米波频段。

Claims

1.一种基于人工表面等离激元的环形谐振器，其特征在于，包括直金属带（1）和环形金属带（2），所述环形金属带（2）设置在所述直金属带（1）的一侧，所述直金属带（1）和环形金属带（2）均由人工等离激元传输器构成，所述人工等离激元传输器均由周期性排列的金属单元（11）组成，所述金属单元（11）为金属薄膜，所述金属单元（11）的形状为矩形，所述金属单元（11）的长度和宽度均相同，所述金属单元（11）上均设置有垂直于所述人工等离激元传输器长度方向的凹槽（12），所述凹槽（12）均位于所述人工等离激元传输器的同侧，所述凹槽（12）的宽度和深度均相同，所述直金属带（1）为长直形，所述环形金属带（2）为圆环形，所述环形金属带（2）的凹槽（12）开口背离所述环形金属带（2）的圆心，所述直金属带（1）的凹槽（12）开口朝向所述环形金属带（2）。

2.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的环形谐振器，其特征在于，所述基于人工表面等离激元的环形谐振器在PCB板、硅基底、石英基底或聚酰亚胺基板上加工而成。

3.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的环形谐振器，其特征在于，所述环形金属带（2）的半径为亚波长结构。

4.如权利要求1所述的基于人工表面等离激元的环形谐振器，其特征在于，所述基于人工表面等离激元的环形谐振器在柔性薄膜上加工而成。