CN105789800A - 基于人工表面等离激元的太赫兹波导 - Google Patents

基于人工表面等离激元的太赫兹波导 Download PDF

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Abstract

基于人工表面等离激元的太赫兹波导，涉及太赫兹波导。设有介质基底，在介质基底上设有金属薄膜传输线，所述金属薄膜传输线为周期性支节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线，所述金属薄膜传输线设在介质基底的单侧或双侧，金属薄膜传输线用于引导具有极强局域场束缚性能的太赫兹人工表面等离激元；所述金属薄膜传输线的周期单元结构由中心条带结构通过加载人工设计支节结构组成；所述人工设计支节结构由两条金属条带构成，形成L型、T型等形状，可单独加载于中心条带结构一侧，或可采用对称、反对称、偏移对称等方式加载于中心条带结构两侧，人工设计支节结构在波导传输方向上的长度小于周期单元结构的单元长度。

Description

基于人工表面等离激元的太赫兹波导
技术领域
本发明涉及太赫兹波导，尤其是涉及一种基于人工表面等离激元的太赫兹波导。
背景技术
表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons,SPPs)是一种束缚性极强的表面波，能够克服衍射极限限制实现亚波长量级的电磁场空间束缚，在小型化电路、近场光学、高分辨率传感器等领域中具有极大的应用价值。表面等离激元通常仅在接近其导体特征等离子频率时才能够表现出亚波长的局域场束缚性能，大多数金属的特征等离子频率却位于可见光、紫外线频段，导致使用金属线、金属板常规的表面等离激元波导在如微波、毫米波及太赫兹等较低频段的横向场所分布向空间延伸，束缚性能差。因此，为了在低频段获得良好的局域场束缚性能，人们提出了人工表面等离激元(spoofsurfaceplasmonpolaritons,SSPPs)的概念，即通过人工设计周期性孔、柱、槽等结构，改变常规表面等离激元波导的表面结构参数，进而导引改变表面波色散曲线，使得人工表面等离激元波导能够在低频段具有类似表面等离激元的优良的亚波长局域场束缚的性能，且这种束缚性能仅与人工表面结构参数相关，而与金属的有限电导率无关。例如，2004年J.B.Pendry等人发表在Science上的论文《MimickingSurfacePlasmonswithStructuredSurfaces》论证了通过在有一定厚度的金属面板进行周期性矩形打孔能够有效激发人工表面等离激元；2005年F.J.Garcia-Vidal等人发表在JOURNALOFOPTICSA上的论文《Surfaceswithholesinthem:newplasmonicmetamaterials》提出了通过一维开槽周期结构金属传输线在微波或太赫兹波段实现人工表面等离激元的传播；2006年StefanA.Maier等人发表在PHYSICALREVIEWLETTERS上的论文《TerahertzSurfacePlasmon-PolaritonPropagationandFocusingonPeriodicallyCorrugatedMetalWires》研究了周期性开槽的金属线波导能够实现太赫兹波的人工表面等离激元的传播与聚焦。这些研究大都是基于一维周期结构，二维无限大结构或者有限厚度的三维立体结构，往往尺寸较大，限制了其在高度集成器件、电路与系统当中的应用。因此，寻求小型化、高性能的适合工作在微波、毫米波及太赫兹等较低频段的人工表面等离激元波导新结构受到广泛的关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现现有技术的结构小型化，提升其导引太赫兹波束缚性能的基于人工表面等离激元的太赫兹波导。
本发明设有介质基底，在介质基底上设有金属薄膜传输线，所述金属薄膜传输线为周期性支节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线，所述金属薄膜传输线设在介质基底的单侧或双侧，金属薄膜传输线用于引导具有极强局域场束缚性能的太赫兹人工表面等离激元；
所述金属薄膜传输线的周期单元结构由中心条带结构通过加载人工设计支节结构组成；所述人工设计支节结构由两条金属条带构成，形成L形、T形等形状，可单独加载于中心条带结构一侧，或可采用对称、反对称、偏移对称等方式加载于中心条带结构两侧，人工设计支节结构在波导传输方向上的长度小于周期单元结构的单元长度。
所述金属薄膜的材料可采用银、铜、金等良导体；所述介质基底的材料为柔性或非柔性低耗介质板材，介质基底可选自PCB板、硅基底、石英基底、聚酰亚胺基底等中的一种。
本发明由人工设计周期性支节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线和起到支撑作用的介质基底构成，所述金属薄膜传输线可分布在介质基底的单侧或双侧，用于传输具有极强局域场束缚性能的太赫兹人工表面等离激元。
本发明的有益效果是：
(1)本发明属于平面化结构，采用人工设计周期性支节加载的方式构成周期金属表面来导引太赫兹人工表面等离激元的传输，尺寸小，色散曲线的渐进频率低，可实现亚波长尺度的局域场束缚性能。
(2)本发明可以采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输太赫兹人工表面等离激元电磁波。
(3)本发明的传输特性主要取决于由金属薄膜人工表面等离激元传输线单元及支节的结构尺寸参数，与金属的有限电导率无关，人工设计方便、灵活，通过尺度变换，放大、缩小单元及支节结构尺寸，能够用于微波、毫米波、远红外或其它频段的人工表等等离激元电磁波的传输。
附图说明
图1是本发明实施例的结构组成示意图。
图2是本发明实施例的周期单元结构示意图。
图3是本发明实施例的色散曲线。
图4是本发明实施例通过改变结构尺寸调节色散曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明，应理解这些实例仅用于说明但不限制本发明的范围。
参见图1～4，本发明实施例设有介质基底2，在介质基底2上设有金属薄膜传输线1，所述金属薄膜传输线1为周期性支节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线，所述金属薄膜传输线1设在介质基底2的单侧或双侧，金属薄膜传输线1用于引导具有极强局域场束缚性能的太赫兹人工表面等离激元；所述金属薄膜传输线1的周期单元结构11由中心条带结构12通过加载人工设计支节结构13组成，所述周期单元结构11的单元长度设为d；所述人工设计支节结构13由两条金属条带构成，形成L型、T型等形状，可单独加载于中心条带结构12一侧，或可采用对称、反对称、偏移对称等方式加载于中心条带结构12两侧，人工设计支节结构13在波导传输方向上的长度小于周期单元结构11的单元长度d。
所述金属薄膜的材料可采用银、铜、金等良导体；所述介质基底的材料为柔性或非柔性低耗介质板材，介质基底可选自PCB板、硅基底、石英基底、聚酰亚胺基底等中的一种。
本发明主要由人工设计周期性L型支节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线和起到支撑作用的介质基底2组成，可采用硅、石英或聚酰亚胺等不同的介质基底，使用光刻或激光直写技术等工艺进行加工；所述金属薄膜人工表面等离激元传输线的周期单元结构11如图2所示，由中心条带结构12通过对称加载人工设计L型支节结构13组成，单元长度为d；中心条带方向与波导传输方向一致，其长度与单元长度一致；L型支节一边垂直于中间的中心条带结构12，另一边平行于中心条带结构12且其长度小于单元长度；所述太赫兹波导的工作频带、传输特性主要由所述周期性金属线的单元结构尺寸决定。当选取所述单元结构尺寸参数为：d＝10μm，a＝7μm，h＝4μm，l＝2μm，w＝1μm时，电磁仿真得到所述太赫兹波导的色散曲线如图3所示，可见其色散曲线明显偏离光锥线；仿真得到5.5THz太赫兹归一化电场，可见所述波导的电场主要集中在L型支节周围，具有良好的束缚性。通过改变单元结构中L型支节的尺寸参数(a和h)，本实施例对所传输的太赫兹人工表面等离激元的束缚性能进行调节，例如，当其他几何参数固定时，改变h的尺寸大小(h＝2μm、3μm、4μm、5μm)，所述新型太赫兹波导的单个单元的色散特性变化显著，当h增大时，所述波导的色散曲线将远离光锥线，如图4所示，其对人工表面等离激元的束缚性增强。此外，在使用柔性介质材料为波导基板时，通过弯曲变形能够用于太赫兹人工表面等离激元电磁波的共形传输，并且维持较低的弯曲损耗与传输损耗。
实施例所得的色散曲线偏离光锥线，传输的太赫兹人工表面等离激元具极强的局域场束缚性能，且这种传输特性主要由金属薄膜人工表面等离激元传输线单元及支节的结构尺寸参数决定，与金属的有限电导率无关，如增加(减小)支节长度，渐进频率下移(上移)、局域场束缚性增强(减弱)；其介质基底主要起支撑作用，对传输性能并无决定性影响，在某些情况下可不使用介质基底。
本发明结构简单，具有一般性，通过尺度变换，放大、缩小单元及支节结构尺寸，能够用于微波、毫米波、远红外或其它频段的人工表等等离激元电磁波的传输。

Claims (5)

1.基于人工表面等离激元的太赫兹波导，其特征在于设有介质基底，在介质基底上设有金属薄膜传输线，所述金属薄膜传输线为周期性支节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线，所述金属薄膜传输线设在介质基底的单侧或双侧，金属薄膜传输线用于引导具有极强局域场束缚性能的太赫兹人工表面等离激元；
所述金属薄膜传输线的周期单元结构由中心条带结构通过加载人工设计支节结构组成；所述人工设计支节结构由两条金属条带构成，单独加载于中心条带结构一侧，或采用对称、反对称、偏移对称方式加载于中心条带结构两侧，人工设计支节结构在波导传输方向上的长度小于周期单元结构的单元长度。
2.如权利要求1所述基于人工表面等离激元的太赫兹波导，其特征在于所述金属薄膜的材料采用银、铜或金。
3.如权利要求1所述基于人工表面等离激元的太赫兹波导，其特征在于所述介质基底的材料为柔性或非柔性低耗介质板材。
4.如权利要求1所述基于人工表面等离激元的太赫兹波导，其特征在于所述介质基底选自PCB板、硅基底、石英基底、聚酰亚胺基底中的一种。
5.如权利要求1所述基于人工表面等离激元的太赫兹波导，其特征在于所述人工设计支节结构由两条金属条带构成L形或T形。
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