CN105576335A - 一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置，包括平板波导和位于所述平板波导表面的类光栅结构，所述类光栅结构由超材料谐振单元构成；所述超材料谐振单元必须至少含有两个金属谐振环，且其中至少有两个金属谐振环的边长不等。通过调节金属谐振环的边长可以调节光栅调制深度，并以此调节导模谐振的品质因子，从而获得较高的品质因子。另外，通过导模和偶极之间的相互作用，可以产生电磁感应透明。

Description

一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种调节超材料导模谐振品质因子的谐振装置。

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(FullWidthatHalfMaxium)。这是非常具有实际应用意义的，在超高灵敏度传感器、超窄带滤波器等对灵敏度要求较高的领域，高Q值是非常重要和必要的。随着研究的深入，研究者们提出了EIT，非对称Fano，全介质等方法以此来调节谐振峰宽，但是品质因子(Q值)最高也不过几百，绝大部分只有几十甚至以下，因此限制了超材料的应用发展。

导模谐振是由于电磁波耦合进波导而形成的，其能量局限于波导内，克服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，使其可以具有很高的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，不同结构的光栅效应区别较大，响到了导模谐振峰的峰宽和幅值等结果。本申请人发明了一种谐振装置，能调节导模谐振峰，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导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置，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：

本发明设计一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置，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，第三层的折射率大于其余两层；

位于所述平板波导表面的类光栅结构。

进一步的，所述类光栅结构由谐振单元构成，所述谐振单元包括多个金属谐振环，至少包括第一金属谐振环和第二金属谐振环，且同一谐振单元中相邻金属谐振环的中心距离d为p/m；其中，p为谐振单元周期，m为单元内沿周期方向谐振环的数量。

进一步的，所述第一金属谐振环的边长取值范围是(0，p/m)；所述第二金属谐振环的边长取值范围是(0，p/m)，且两个金属谐振环的边长不相等，其中p为谐振单元的周期，m为谐振单元内沿周期方向谐振环的数量；

进一步的，所述金属谐振环的形状相同或不同；

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。

所述超材料谐振装置导模谐振的品质因子可调，其特征在于：

改变第一金属谐振环和第二金属谐振环边长的差值，可以对导摸谐振品质因子进行调节。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

本发明实施例提出了一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置，包括平板波导和位于所述平板波导表面的类光栅结构，所述类光栅结构由超材料谐振单元构成。所述超材料谐振单元至少有两个金属谐振环，两个金属谐振环的边长的差值Δa与a1的比值的绝对值，即|Δa/a1|，定义为该谐振装置的光栅调制深度。通过改变谐振装置的光栅调制深度，可实现导模谐振强度和品质因子Q值的控制。当光栅调制深度很低时，可获得高Q值。此外，可以通过控制导模和表面模相互作用，实现电磁感应透明(EIT)。

附图说明

为了更清楚的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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于与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类似的附图。

图1为本发明一个具体实施例所提供超材料谐振装置的示意图；

图2为图1所示超材料结构在偏振方向为X方向的情况下用有限元算法计算得到的0.2-1.2THz的透射谱曲线示意图，其中，谐振单元第一金属谐振环边长为120微米，第二金属谐振环边长为60微米；

图3为图1所示超材料结构用有限元算法计算得到的偏振方向为Y方向的0.2-1.2THz的透射谱曲线示意图；

图4为图1所示超材料结构在偏振方向为X方向的情况下用有限元算法计算得到的0.2-1.2THz的透射谱曲线示意图，其中，谐振单元第一金属谐振环边长为120微米，第二金属谐振环边长为80微米。

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Q，成为本领域所需解决的一重大问题。

有鉴于此，本发明实施例提出了一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置，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类光栅结构。

所述类光栅结构由超材料谐振单元构成，所述谐振单元包括多个金属谐振环，至少包括第一金属谐振环和第二金属谐振环，且同一谐振单元中相邻金属谐振环的中心距离d为p/m；其中，p为谐振单元周期，m为单元内沿周期方向谐振环的数量。

所述第一金属谐振环的边长取值范围是(0，p/m)；所述第二金属谐振环的边长取值范围是(0，p/m)，且两个金属谐振环的边长不相等，其中p为谐振单元的周期，m为谐振单元内沿周期方向谐振环的数量。

所述谐振环的调制深度定义为两个金属谐振环编长的边长的差值Δa与a1的比值的绝对值。

为使本发明的上述目的，特征和优点更够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

如图1所示，所述的超材料谐振装置，特征为每个谐振单元有两个金属谐振环，且间距d＝p/2，p为谐振单元的周期，当a1＝a2的时候，无法在我们感兴趣的频段内激发导模。

在上述的基础上，如图1所示，第一金属谐振环边长为120微米，第二金属谐振环边长为60微米，调制深度为|(120-60)/120|＝0.5，金属为铜，厚度为200纳米，宽度为10微米；所述第三介质层的材料为PI薄膜，介电常数为3.5。所述谐振单元X方向的周期长度为320微米，Y方向长度为160微米，两者间距为160微米，入射波为太赫兹波，且入射角为0°。

如图2所示，图2中示出了所述第三介质层的厚度为50微米时，所述超材料结构装置用有限元算法得到的在0.2THz-1.2THz范围内的入射偏振方向为X方向的透射率谱曲线示意图。从图2中可以看出，0.6THz、1.12THz为偶极谐振峰，且随着边长的变化而变化。本谐振装置是一个类光栅结构和波导层的结合，具有光栅衍射效应，通过该效应可以将入射波耦合进波导。其光栅方向为X方向，光栅周期为320微米，导模传播方向为X方向，磁场垂直于导模传播方向，所以在0.88THz处激发TM₀导模。

如图3所示，图3的结构参数和图2中的相同，但是入射偏振方向为Y方向，在0.5THz和1.12THz为偶极谐振，而且随着边长的变化而变化，和图2中的描述类似，导模传播方向为X方向，但是这种情况下和导模传播方向垂直的是电场，所以在0.78THz处激发TE₀导模。

如表1所示，表1中示出了在a1为120微米时，改变a2时，所述超材料谐振装置的TM₀导模谐振峰频率、谐振峰强度和谐振品质因子。

表1：

Δa(um)	谐振峰强度	谐振峰频率(THz)	品质因数Q
				-30	0.45	0.901	517
-20	0.38	0.902	806
				-10	0.21	0.905	1264
-8	0.15	0.905	1394
				-6	0.10	0.906	1467
-4	0.05	0.906	1580
				4	0.06	0.909	1274
6	0.11	0.909	1270
				8	0.17	0.910	1103
10	0.23	0.911	947
				20	0.36	0.915	398

由表1可知，当|Δa/a1|很小时，即光栅调制深度很小，可得到TM₀导模的高Q值，同时，改变光栅调制深度，可以对TM₀导模进行调节；类似的，当光栅调制深度很小时，可以得到TE₀导模的高Q值，改变光栅调节深度也可以对其调节。

如图4所示，在本发明的另一个实施例中，调整两个金属谐振环的边长，使其分别为a1＝120微米，a2＝80微米，这个时候导模和偶极发生反应，互相作用形成EIT的透射谱示意图。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个实施例中，所述金属谐振环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，所述第一金属谐振环和第二金属谐振环的形状可以相同，也可以不同，本发明对此并不做限定，具体视情况而定。

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；所述金属谐振环的材料为金、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，根据本发明所设计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)

1.一种导模谐振品质因子可调的超材料谐振装置，其特征在于，包括：

平板波导，所述平板波导包括第一介质层，第二介质层以及第三介质层(位于第一和第二介质层之间)，其中，第三介质层的折射率大于其余两个介质层；

位于所述平板波导表面的类光栅结构。

2.根据权利要求1所述超材料谐振装置，其特征在于，所述类光栅结构由超材料谐振单元构成，所述谐振单元包括多个金属谐振环，至少包括第一金属谐振环和第二金属谐振环，且同一谐振单元中相邻金属谐振环的中心距离d为p/m；其中，p为谐振单元周期，m为单元内沿周期方向谐振环的数量。

3.根据权利要求2所述的超材料谐振装置，其特征在于，所述第一金属谐振环和第二金属谐振环的边长取值范围是(0，p/m)，但两个金属谐振环的边长不等。

4.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：所述金属谐振环的形状相同或不同。

5.根据权利要求1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。

6.根据权利要求1-5项所述的超材料谐振装置，所述超材料谐振装置导模谐振的品质因子可调，其特征在于：

改变第一金属谐振环和第二金属谐振环边长的差值，可以对导摸谐振品质因子进行调节。