CN105116489A - 一种非对称开口环超材料波导结构高q谐振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，包括平板波导和位于所述平板波导表面的由金属非对称SRR谐振单元组成的超材料包层。所述超材料谐振单元至少有两个SRR，其中至少有一个非对称SRR。所述非对称SRR的开口中心轴线与SRR的中心轴线的距离s定义为该SRR的不对称度。该谐振装置的超材料包层实现了类似于光栅的衍射功能，而后满足超材料包层平板波导相位匹配条件的电磁波耦合进波导产生导模谐振。通过改变超材料谐振单元内各SRR的不对称度来调节光栅强度，可实现导模谐振强度和Q值的控制。当不对称度很低时，可获得超高Q谐振。

Description

一种非对称开口环超材料波导结构高Q谐振装置
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种超材料谐振装置。
背景技术
Q值（qualityfactor，品质因子）是谐振峰的一个重要参数，其定义为谐振峰中心频率除以谐振峰宽度（FWHM）。Q值越高就表示一个谐振峰的谐振峰宽度越窄，这是非常具有实际应用意义的，在超高灵敏度传感器、超窄带滤波器等应用领域都具有非常重要的意义。而目前的超材料谐振峰的设计都局限于表面模式，诸如偶极谐振、LC谐振之类的谐振峰，这类表面模式谐振峰由于受到了金属欧姆损耗和辐射损耗的影响，对其Q值的提高非常困难。
导模谐振是由于电磁波耦合进波导而形成的，其能量局限于介质波导内，避免了金属的欧姆损耗和辐射损耗，且能很大程度地限制谐振能量的泄漏，使其可以具有超高的Q值。波导表面的超材料包层正是实现了类似于光栅的衍射功能，而后满足超材料包层下平板波导相位匹配条件的电磁波耦合进波导产生导模谐振。但是由于超材料结构的复杂性、参数的多样性，不同结构的光栅强度可谓是天差地别的，这直接影响到了导模谐振峰的Q值和幅值等结果。CN201510155847.1是本申请人申请的一种超材料谐振装置，其中包含了几种超材料结构的设计方法，本申请人又发明了一种另外的设计方法，也能同样解决超材料中谐振峰Q值不高的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，以提高超材料谐振装置的谐振品质因子。
为解决上述问题，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种非对称SRR超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于，包括：
平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；
位于所述平板波导表面的是由多个沿第一方向延伸的金属非对称SRR谐振单元组成的超材料包层，所述谐振单元至少有两个SRR，其中至少有一个非对称SRR，所述谐振单元中相邻SRR之间的距离h为p/m，p为所述谐振单元沿第二方向的周期长度，m为谐振单元内沿第二方向SRR的数量，所述第二方向垂直于所述第一方向。
进一步的，所述非对称SRR的不对称度定义为开口中心轴线与SRR中心轴线的距离s，开口位于SRR中心轴线以左s为负，开口位于SRR结构中心轴线以右s为正，当s≠0时，即为非对称SRR结构；反之即为对称SRR结构。
进一步的，所述谐振装置谐振波长满足：
光栅衍射条件：；
平板波导相位匹配条件：；
其中，p为所述谐振单元沿第二方向的周期长度；和分别为入射电磁波的入射角和经过光栅调制后的衍射角；m为衍射的级次，为入射电磁波在真空中的波长，n1,n,n2分别为平板波导中第一介质层、第三介质层和第二介质层的折射率；d为第三介质层的厚度；为平板波导的导模角；为第三介质层与第一介质层界面上全反射相移；为第三介质层和第二介质层界面上全反射相移；N为导模阶数，为不小于零的整数。
进一步的，所述谐振结构的形状相同或不同。
进一步的，所述谐振结构的尺寸相同或不同。
进一步的，所述第一介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明公开了一种非对称SRR超材料波导结构高Q谐振装置，包括平板波导和位于所述平板波导表面的由金属非对称SRR谐振单元组成的超材料包层。所述超材料谐振单元至少有两个SRR，其中至少有一个非对称SRR。所述非对称SRR的开口中心轴线与SRR的中心轴线的距离s定义为该SRR的不对称度。该谐振装置的超材料包层实现了类似于光栅的衍射功能，而后满足超材料包层平板波导相位匹配条件的电磁波耦合进波导产生导模谐振。通过改变超材料谐振单元内各SRR的不对称度来调节光栅强度，可实现导模谐振强度和Q值的控制。当不对称度很低时，可获得超高Q谐振。此外，还可通过控制导模谐振与超材料表面模谐振相互作用，实现Fano谐振和电磁感应透明（EIT）。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一个具体实施例所提供超材料谐振单元的示意图；
图2为假设平板波导材料无损时，图1中所示超材料谐振装置中，所述第三介质层的厚度为50微米、介电常数为3.75时，所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为160微米；两个SRR均为正方形金环，线宽为5微米，边长为80微米，厚度为200纳米，且第一SRR的不对称度s为-5，即开口的中心轴线与SRR结构的中心轴线的距离为5微米且开口位于SRR结构中心轴线以左，第二SRR的不对称度s为+5，即开口的中心轴线与SRR结构的中心轴线的距离为5微米且开口位于SRR结构中心轴线以右，根据有限元法计算得到的在0.2THz-1.2THz范围内的透射率谱曲线示意图。
图3为调整两个SRR的边长为100微米时，TM0导模谐振与偶极谐振相互作用产生电磁感应透明（EIT）。
图4为调整两个SRR的边长为95微米时，TM0导模谐振与偶极谐振相互作用产生Fano谐振。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，如何提高谐振品质因子，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
有鉴于此，本发明实施例提供了一种非对称SRR超材料波导结构高Q谐振装置，包括：
平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；
位于所述平板波导表面的是由多个沿第一方向延伸的金属非对称SRR谐振单元组成的超材料包层，所述谐振单元至少有两个SRR，其中至少有一个非对称SRR，所述谐振单元中相邻SRR之间的距离h为p/m，p为所述谐振单元沿第二方向的周期长度，m为谐振单元内沿第二方向SRR的数量，所述第二方向垂直于所述第一方向。
所述非对称SRR的不对称度定义为开口中心轴线与SRR的中心轴线的距离s，开口位于SRR中心轴线以左s为负，开口位于SRR结构中心轴线以右s为正。当s≠0时，即为非对称SRR结构；反之即为对称SRR结构。
本发明实施例所提供的超材料结构设计包括平板波导和位于所述平板波导表面的由金属非对称SRR谐振单元组成的超材料包层。每个超材料谐振单元至少有两个SRR，其中至少有一个非对称SRR。所述非对称SRR的开口中心轴线与SRR中心轴线的距离s定义为该SRR的不对称度。该谐振装置的超材料包层实现了类似于光栅的衍射功能，而后满足超材料包层平板波导相位匹配条件的电磁波耦合进波导产生导模谐振。通过改变超材料谐振单元内各SRR的不对称度来调节光栅强度，可实现导模谐振强度和Q值的控制。当不对称度很低时，可获得超高Q谐振。此外，还可通过控制导模谐振与超材料表面模谐振相互作用，实现Fano谐振和电磁感应透明（EIT）。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，在本发明一个实施例中，所述第一方向为X方向，所述第二方向为Y方向，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。下面以所述第一方向为X方向，所述第二方向为Y方向为例，对本发明实施例所提供的超材料谐振装置进行说明。
如图1所示，所述的非对称SRR超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于，所述谐振单元有两个金属非对称SRR，且所述谐振单元中相邻非对称金属SRR之间的距离h为p/2。所述第一金属非对称SRR的不对称度为s1，所述第二金属非对称SRR的不对称度为s2。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施例中，如图1所示，所述第一金属非对称SRR和第二金属非对称SRR均为正方形的开口金环，开口大小为2微米，第一金属非对称SRR的不对称度为-5（即开口的中心轴线与SRR的中心轴线的距离为5微米且开口位于SRR中心轴线以左），第二金属非对称SRR的不对称度为+5（即开口的中心轴线与SRR的中心轴线的距离为5微米且开口位于SRR中心轴线以右），厚度为200纳米，宽度为5微米，边长为80微米；所述第三介质层的材料为石英，厚度为50微米，介电常数为3.75。所述谐振单元沿第二方向的周期长度Px为320微米，沿第一方向的周期长度Py为160微米，第一金属非对称SRR与第二金属非对称SRR之间的距离h为160微米，入射波为太赫兹波，且为正入射（即i为0°），偏振方向为X方向。
如图2所示，图2为假设平板波导材料无损时，所述谐振单元沿第一方向的周期长度Px为320微米，沿第二方向的周期长度Py为160微米，第一金属非对称SRR和第二金属非对称SRR的不对称度分别为-5和+5以及都为0时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图，其中，曲线1（实灰线）为所述第一金属非对称SRR和第二金属非对称SRR的不对称度分别为-5和+5时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图，曲线2（虚黑线）为所述第一金属非对称SRR和第二金属非对称SRR的不对称度都为0时，用有限元法计算得到的透射率谱曲线示意图。由图2中可以看出，曲线一和曲线二对应的透射率谱曲线在大部分频谱段都是重合的，在约1.0THz处都有一个偶极谐振峰（带阻），约0.73THz附近都有TE0导模谐振峰，约0.3THz附近都有LC谐振峰，但在0.872处只有第一金属非对称SRR和第二金属非对称SRR的不对称度分别为-5和+5时对应的透射率谱曲线具有一个TM0导模谐振峰，其谐振幅度（从峰值到谐振基线）为0.44，Q值为11108。
如表1所示，表1为两个金属非对称SRR的各种不对称度s的组合时计算得到的TM0导模谐振峰频率、幅值和Q值。
s1 s2 中心频率（THz） 谐振幅值 Q
-2 +2 0.8709 0.14 16722
-5 +5 0.8709 0.44 11108
-10 +10 0.8709 0.58 5013
-15 +15 0.8708 0.57 2720
-20 +20 0.8707 0.52 1827
-25 +25 0.8707 0.46 1381
-30 +30 0.8706 0.39 1167
由表1可知，本发明实施例所提供的超材料结构具有较高的谐振品质因子，且s越小，所述超材料结构的光栅强度越小，Q值越高。
需要说明的是，改变所述金属SRR的边长，还可以调节偶极谐振峰的位置，从而调节导模谐振与偶极谐振两个模式的相互作用，实现Fano谐振（如图4，两个金属SRR的边长为95微米）和EIT（电磁感应透明）谐振（如图3，两个金属SRR的边长为100微米）。
在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金属非对称SRR的形状可以为正方形、矩形、圆形、椭圆形等，需要说明的是，在本发明实施例中，所述第一金属非对称SRR和第二金属非对称SRR的形状可以相同，也可以不同，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。另外，第一、第二金属非对称SRR开口大小和第一、第二金属非对称SRR的不对称度s也可以相同或不同。除此之外，所述第一金属非对称谐SRR和第二金属非对称SRR的尺寸也可以相同或不同，本发明对此也不做限定。
在上述任一实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述第一介质层优选为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层优选为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层优选为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层；所述金属SRR的材料为金、银、铜、铝、镍、锌、钼、铁、镁等，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。
综上所述可知，本发明实施例所提供的超材料谐振装置具有较高的谐振品质因子Q值，且可以应用于微波段，太赫兹波段及光波段的高性能器件和超灵敏度传感器等。
本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于，包括：
平板波导，所述平板波导包括第一介质层、第二介质层以及位于所述第一介质层和第二介质层之间的第三介质层，其中，所述第一介质层和第二介质层的折射率均小于所述第三介质层的折射率；
位于所述平板波导表面的是由多个沿第一方向延伸的金属非对称SRR谐振单元组成的超材料包层，所述谐振单元至少有两个SRR，其中至少有一个非对称SRR，所述谐振单元中相邻SRR之间的距离h为p/m，p为所述谐振单元沿第二方向的周期长度，m为谐振单元内沿第二方向SRR的数量，所述第二方向垂直于所述第一方向。
2.根据权利要求1所述的非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于：所述非对称SRR的不对称度定义为开口中心轴线与SRR中心轴线的距离s，开口位于SRR中心轴线以左s为负，开口位于SRR结构中心轴线以右s为正，当s≠0时，即为非对称SRR结构；反之即为对称SRR结构。
3.根据权利要求1所述的非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于：所述谐振装置谐振波长满足：
光栅衍射条件：；
平板波导相位匹配条件：；
其中，p为所述谐振单元沿第二方向的周期长度；和分别为入射电磁波的入射角和经过光栅调制后的衍射角；m为衍射的级次，为入射电磁波在真空中的波长，n1,n,n2分别为平板波导中第一介质层、第三介质层和第二介质层的折射率；d为第三介质层的厚度；为平板波导的导模角；为第三介质层与第一介质层界面上全反射相移；为第三介质层和第二介质层界面上全反射相移；N为导模阶数，为不小于零的整数。
4.根据权利要求1-3任一项所述的非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于：所述谐振结构的形状相同或不同。
5.根据权利要求1-3任一项所述的非对称开口环（SRR）超材料波导结构高Q谐振装置，其特征在于：所述谐振结构的尺寸相同或不同。
6.根据权利要求1-3任一项所述的超材料谐振装置，其特征在于：所述第一介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第二介质层为空气层或半导体材料层或介质材料层或聚合物材料层；所述第三介质层为半导体材料层、介质材料层或聚合物材料层。
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