CN107315222A - 表面波光子晶体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面波光子晶体。由金属平面上二维周期性排列的金属柱状结构构成，金属柱与柱之间的距离相等，且该距离小于表面波工作波长的二分之一。在所述的表面光子晶体上通过降低柱高引入缺陷使得缺陷处谐振频率正好处在周围光子晶体的禁带内可以构造表面波光子晶体功能器件。当引入的缺陷为线缺陷时，表面电磁波会被约束在线缺陷内并沿着线缺陷传播。当引入的缺陷为无弯曲半径的90度折角时，表面电磁波在通过该弯曲波导时可以实现无散射且无反射的高效率传输。在宽频及亚波长约束范围内，本发明能够实现表面电磁波在通过无弯曲半径的弯曲波导时既无反射也无散射的完美传输。此特性是传统人工表面等离子体波导及传统光子晶体波导所不具备的。本发明为未来大规模、亚波长太赫兹和光学集成电路的设计和应用提供了一种有效可行的解决方案。
Description
技术领域
本发明属于光子晶体领域，具体涉及一种新型表面波光子晶体。
背景技术
表面等离子体激元(surface plasmonpolaritons，简称SPPs)是一种存在于光学波段沿金属与介质交界面的光子与电子的混合激发态。表面等离子体激元不仅拥有突破衍射极限的亚波长自约束，而且可以像电磁波一样在金属表面传播，非常有希望作为未来高集成度、超小型化太赫兹和光学集成电路系统的信息载体，是现在最前沿的热点研究课题。
自然的金属表面等离子体一般存在于光学波段，在低频波段，例如远红外、太赫兹和微波波段，金属的介电常数非常大，电磁波难以渗透(趋肤深度远小于波长)，因此表面等离子体在金属表面的约束很差，不能直接作为一种信息的载体应用在低频亚波长集成器件和系统中。
为了解决这一难题，英国帝国理工大学的Pendry教授提出了人工表面等离子体的概念，即通过在金属表面增加亚波长尺寸的孔洞来增强电磁波的渗透，这样的人工金属表面不仅可以将人工表面等离子体约束在亚波长范围内，而且可以通过改变金属表面结构的几何参数来控制表面电磁波的特性。由于人工表面等离子体具有亚波长自约束、高度可调性以及易于在金属表面大规模集成等卓越性能，其在低频集成电路系统中有重要应用前景。
但是，传统的人工表面等离子体波导在传输表面波通过弯曲半径为零的弯曲波导时会产生严重的散射和反射，这不仅会极大的降低信息的传输效率，而且会在集成电路系统中造成信号间的串扰，对于大规模、高密度、亚波长集成电路来说是一个极大的瓶颈。另一方面我们知道传统光子晶体由于光子禁带的约束，在通过无弯曲半径的弯曲波导时能够通过谐振在某些单一频率实现几乎无散射的完美传输。但是由于传统光子晶体的光子禁带是基于布拉格散射形成的，所以传统光子晶体的周期一般是波长量级，这样就造成光子晶体的尺寸很大，不利于大规模、高密度光学电路集成。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，本发明首先提供了一种新型表面波光子晶体。
本发明的表面波光子晶体由金属平面上二维周期性排列的金属柱状结构构成，金属柱与柱之间的距离相等，且该距离小于表面波工作波长的二分之一。
所述的表面波被约束在金属平面的表面传播。
所述金属柱与柱之间的距离小于表面波工作波长的二分之一，可选的，所述金属柱与柱之间的距离小于表面波工作波长的十分之一。另选的，所述金属柱与柱之间的距离小于表面波工作波长的二十分之一。
本发明还公开了几种能控制表面波传输的表面波光子晶体功能器件，其为在本发明所述的表面光子晶体上通过引入缺陷得到；引入缺陷的方式为降低部分金属柱子高度，使得较短的金属柱子的谐振频率正好处在周围较长金属柱子组成的光子晶体的禁带内。因此，当引入的缺陷为线缺陷时，电磁波会被约束在线缺陷内并沿着线缺陷传播。
所述的引入缺陷的方式为降低部分金属柱柱高，所述缺陷处的谐振频率处在周围较高金属柱组成的表面波光子晶体的禁带之内，所述降低高度后的金属柱高度相同。
基于所述表面波光子晶体的直波导，通过在金属平面上周期性金属柱状结构构成的表面波光子晶体中引入线缺陷构成；所述线缺陷处的谐振频率处在周围较高金属柱组成的表面波光子晶体的禁带之内，所述引入线缺陷的方式为降低一条直线上的金属柱状结构的高度，所述降低高度后的金属柱高度相同。
更进一步的，当引入的缺陷为无弯曲半径的90度弯曲波导时，只要较短的金属柱子(缺陷)的谐振频率处在周围较长金属柱子组成的光子晶体的禁带内，表面电磁波即可以实现在通过无弯曲半径的90度弯曲波导时无散射且无反射的高效传输。
更进一步的，在所述表面波光子晶体通过引入U型缺陷构造两个无弯曲半径的90度弯曲波导，表面电磁波仍可以在U型缺陷弯曲波导内实现无散射且无反射的高效传输。
本发明提出的新型表面光子晶体，该新型表面光子晶体和传统的基于布拉格散射的光子晶体很不相同。因为该表面光子晶体是基于局部谐振产生的表面波光子禁带，所以该新型表面光子晶体的周期远远小于波长，对于微波及太赫兹器件小型化有重要应用。
本发明能够在很宽的频率范围内实现表面电磁波在通过无弯曲半径的弯曲波导时既无反射也无散射的完美传输。这是传统人工表面等离子体波导及传统光子晶体所不具备的。为未来大规模、亚波长太赫兹和光学集成电路的设计和应用提供了一种有效可行的解决方案。
附图说明
图1(a)表面波光子晶体示意图，金属柱子的高度为h，周期为d。图1(b)表面波光子晶体的能带图；图1(c)表面波光子晶体的近场传输谱；
图2(a)表面波光子晶体线缺陷波导示意图；图2(b)线缺陷波导的色散曲线；图2(c)线缺陷波导的近场传输谱；图2(d)线缺陷波导的近场分布图；
图3(a)U型线缺陷弯曲波导示意图；图3(b)U型线缺陷弯曲波导近场传输谱；图3(c)U型线缺陷弯曲波导的近场分布图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
本发明的表面波光子晶体是由金属表面周期性分布的金属柱构成的，如图1(a)所示，金属柱子的高度是H＝5mm,半径是r＝1.25mm，周期是d＝5mm.采用有限元本征模式分析法可以得到该周期金属结构的能带图，如图1(b)所示，该金属结构在12.6GHZ到27GHz之间存在一个表面波光子晶体禁带，在该表面波光子晶体禁带内不支持任何的表面波模式。实验测试了该金属结构的近场传输谱。如图1(c)所示，近场传输谱中从12.6GHz到27GHz出现了一个传输陷带，正好对应能带图中的表面波光子晶体禁带，证明了该金属表面结构是一种表面波光子晶体。
实施例2
在实施例1的表面波光子晶体中可以通过引入缺陷(降低金属柱子高度)的方法来控制表面波的传输。如图2(a)所示，把其中一列的金属柱从高度H＝5mm降低到h＝4.3mm，这样较短的金属柱子的谐振频率正好处在周围较长金属柱子组成的光子晶体的禁带内，所以电磁波会被约束在线缺陷内并沿着线缺陷传播。用同样的方法算出了该线缺陷的色散曲线，如图2(b)所示，该色散曲线正好位于周围光子晶体的禁带内。实验测试了该线缺陷波导的传输谱，在12.6GHz到14.2GHz之内表面波可以通过该线缺陷波导完美传输。为了对比，同时测试了没有缺陷存在时的近场传输谱，如图2(c)所示，表面波光子晶体禁带从12.6GHz开始。利用微波近场成像平台测出了线缺陷波导的电场分布图，如图2(d)所示，表面波被紧紧约束在线缺陷内并沿着线缺陷传播。
实施例3
90度弯曲波导在微波及太赫兹集成电路中是一种基本的元器件。在该表面波光子晶体通过引入U型缺陷构造了两个无弯曲半径的90度弯曲波导，如图3(a)所示。利用两个单极子天线作为激发源和探针测试了该U型弯曲波导的传输率，如图3(b)所示，在12.8GHz到14.1GHz的频段内表面电磁波可以实现无散射无反射的高效传输。这和传统的人工表面等离子体波导很不相同。传统的人工表面等离子体波导在通过90无弯曲半径的弯曲波导时会产生严重的散射和反射。
Claims (9)
1.一种表面波光子晶体，其特征在于由金属平面上二维周期性排列的金属柱状结构构成，金属柱与柱之间的距离相等，且该距离小于表面波工作波长的二分之一。
2.根据权利要求1所述的表面波光子晶体，其特征在于所述的表面波自约束在金属平面的表面传播。
3.根据权利要求1所述的表面波光子晶体，其特征在于所述金属柱与柱之间的距离小于表面波工作波长的二分之一。
4.一种基于权利要求1所述表面波光子晶体的器件，其特征在于通过在金属平面上周期性金属柱状结构构成的表面波光子晶体中引入缺陷的方式构成，所述缺陷处的谐振频率处在周围表面波光子晶体的禁带之内。
5.根据权利要求4所述的基于表面波光子晶体的器件，其特征在于所述的引入缺陷的方式为降低部分金属柱柱高，所述缺陷处的谐振频率处在周围较高金属柱组成的表面波光子晶体的禁带之内。
6.一种基于权利要求1所述表面波光子晶体的直波导，其特征在于通过在金属平面上周期性金属柱状结构构成的表面波光子晶体中引入线缺陷构成；所述线缺陷处的谐振频率处在周围较高金属柱组成的表面波光子晶体的禁带之内，所述引入线缺陷的方式为降低一条直线上的金属柱状结构的高度，所述降低高度后的缺陷金属柱高度相同。
7.一种基于权利要求1所述表面波光子晶体的弯曲波导，其特征在于通过在金属平面上周期性金属柱状结构构成的表面波光子晶体中引入弯曲缺陷构成；所述弯曲缺陷处的谐振频率处在周围较高金属柱组成的表面波光子晶体的禁带之内，所述引入弯曲缺陷的方式为降低弯曲线上的金属柱结构的高度，所述降低高度后的金属柱高度相同。
8.根据权利要求7所述的基于表面波光子晶体的弯曲波导，其特征在于所述的弯曲线为无弯曲半径的90度折线。
9.根据权利要求7所述的基于表面波光子晶体的弯曲波导，其特征在于所述的弯曲线为包含若干个无弯曲半径的90度折角的折线。
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