CN106450626A - 基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导 - Google Patents

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肖亦凡
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Abstract

基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，涉及表面等离激元波导。设有金属薄膜传输线和介质基板；所述金属薄膜传输线设在介质基板的单侧或双侧，所述金属薄膜传输线的周期单元结构由矩形条带结构加载人工设计螺旋形枝节构成。采用人工设计周期性螺旋形枝节加载的方式构成金属薄膜传输线来导引微波与太赫兹人工表面等离激元，尺寸小，色散曲线在光锥线的右侧并远远偏离光锥线，且具有一定的负折射现象，渐进频率远低于传统人工表面等离激元波导的渐进频率，可实现极强的亚波长尺度局域场束缚性能。可采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输微波与太赫兹人工表面等离激元电磁波。

Description

基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导
技术领域
本发明涉及表面等离激元波导，具体是涉及一种基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导。
背景技术
表面等离激元(Surface Plasmons，SPs)是自由电子沿导体表面的集体振荡，即电子气的疏密波。SPs与相邻介质中的光子耦合形成的混合体，亦即极化激元，被称为表面等离极化激元(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)。SPPs可沿连续界面传播且高度集中于界面，场强在界面处最大，在界面两侧呈指数衰减，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。然而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较强的亚波长局域场束缚性能，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、金属板等常规的表面等离激元波导在微波、毫米波及太赫兹等较低频段的场束缚性能差。因此，为了在微波与太赫兹等较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(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)的概念。2004年J.B.Pendry等人发表在Science上的论文《Mimicking Surface Plasmonswith Structured Surfaces》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。但立体结构使得人工表面等离激元波导的尺寸过大，难以应用在小型化电路及系统中。2013年Xiaopeng Shen，Tie Jun Cui等人发表在APPLIEDPHYSICS LETTERS的论文《Planar plasmonic metamaterial on a thin film withnearly zero thickness》研究了周期性开槽的极薄的金属薄膜传输线能够导引人工表面等离激元，实现了人工表面等离激元波导由立体结构向平面结构的转变。具有平面结构的人工表面等离激元波导，由于在微波与太赫兹集成电路与系统的小型化应用中具有重要应用，受到广泛关注，然而这些波导大都采用直线型枝节，往往尺寸较大，大大限制了其在高集成电路和系统中的应用。因此，研究具有电磁波束缚性能强、结构尺寸小的新型枝节加载的平面人工表面等离激元波导具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供小型化、提升其所传输微波与太赫兹波的束缚性能的一种基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导。
本发明设有金属薄膜传输线和介质基板；
所述金属薄膜传输线设在介质基板的单侧或双侧，所述金属薄膜传输线的周期单元结构由矩形条带结构加载人工设计螺旋形枝节构成。
所述人工设计螺旋形枝节可采用圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形等螺旋形结构，所述人工设计螺旋形枝节可单独加载于条带枝节的一侧或呈对称、反对称、偏移对称等方式加载于矩形条带结构的两侧。
所述金属薄膜传输线可采用人工设计周期性枝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的金属薄膜可采用银、铜、金等良导体。
所述介质基板可采用柔性或非柔性低耗介质板材，介质基板可选自PCB板、硅基板、石英基板、聚酰亚胺等中的一种。
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螺旋形枝节加载的方式构成金属薄膜传输线来导引微波与太赫兹人工表面等离激元，尺寸小，色散曲线在光锥线的右侧并远远偏离光锥线，且具有一定的负折射现象，渐进频率远低于传统人工表面等离激元波导的渐进频率，可实现极强的亚波长尺度局域场束缚性能。
(2)本发明可以采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输微波与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枝节的结构尺寸参数，人工设计方便、灵活，通过尺度变换，放大、缩小单元及枝节结构尺寸，能够用于微波、毫米波、远红外或其它频段的人工表面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俯视示意图。
图3是本发明实施例的色散曲线图。
图4是本发明实施例在1.2THz时的电场分布图。
图5是基于本发明的双面人工表面等离激元波导示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
如图1～5所示，本发明实施例设有金属薄膜传输线1和介质基板2；所述金属薄膜传输线1设在介质基板2的单侧或双侧，所述金属薄膜传输线1的周期单元结构由矩形条带结构12加载人工设计螺旋形枝节13构成。
所述人工设计螺旋形枝节13可采用圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形等螺旋形结构，所述人工设计螺旋形枝节13可单独加载于条带枝节的一侧或呈对称、反对称、偏移对称等方式加载于矩形条带结构的两侧。
所述金属薄膜传输线1可采用人工设计周期性枝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的金属薄膜可采用银、铜、金等良导体。
所述介质基板2可采用柔性或非柔性低耗介质板材，介质基板2可选自PCB板、硅基板、石英基板、聚酰亚胺等中的一种。
所述介质基板的材料选取Rogers RT5880，介电常数为2.2；金属薄膜传输线的材料选取为铜。所述金属薄膜传输线的周期单元结构11如图2所示，人工设计螺旋形枝节通过方形金属薄膜片和矩形条带连接，单元长度为d；矩形条带方向与波导传输方向一致，其长度与单元长度相同；螺旋形枝节初始半径为0，每绕一圈，半径增加值为b＝2μm，本实施例所选取的螺旋枝节圈数为3；所述人工表面等离激元波导的传输性能及场束缚性能由人工设计枝节的尺寸和形状决定。当选取所述单元结构尺寸参数为：d＝14μm，w＝0.5μm，h＝12μm时，螺旋形枝节的总长度通过计算为56.55μm。利用电磁仿真软件得到所述结构的色散曲线如图3所示，可见其色散曲线明显偏离光锥线，并具有一定的负折射现象；仿真得到1.2THz归一化电场分布如图4所示，可以明显观察到电场主要分布在螺旋枝节的周围，说明该结构对人工表面等离激元具有很优越的电场束缚性能。
将实施例的金属薄膜传输线复制平移到介质基板的另一侧，并绕着X轴旋转180度得到如图5所示的双侧人工表面等离激元波导，通过仿真可以得到其色散曲线如图3所示，可以观察到，采用这种双侧结构可以进一步降低其渐进频率，降幅达到50％以上。

Claims (6)

1.基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，其特征在于设有金属薄膜传输线和介质基板；
所述金属薄膜传输线设在介质基板的单侧或双侧，所述金属薄膜传输线的周期单元结构由矩形条带结构加载人工设计螺旋形枝节构成。
2.如权利要求1所述基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，其特征在于所述人工设计螺旋形枝节采用圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形螺旋形结构，所述人工设计螺旋形枝节单独加载于条带枝节的一侧或呈对称、反对称、偏移对称加载于矩形条带结构的两侧。
3.如权利要求1所述基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，其特征在于所述金属薄膜传输线采用人工设计周期性枝节加载的金属薄膜人工表面等离激元传输线。
4.如权利要求1所述基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，其特征在于所述金属薄膜传输线的金属薄膜采用银薄膜、铜薄膜、金薄膜。
5.如权利要求1所述基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，其特征在于所述介质基板采用柔性或非柔性低耗介质板材。
6.如权利要求1或5所述基于螺旋形枝节结构的人工表面等离激元波导，其特征在于所述介质基板选自PCB板、硅基板、石英基板、聚酰亚胺中的一种。
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