CN107645063B - 基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，基于平行双线波导结构，包括介质基板、覆盖在所述介质基板上的两条沿延伸方向成镜像平行排列的金属凹槽条带和一条双边开对称凹槽的金属条带；还包括作为嵌入共振单元的V型结构单元，所述V型结构单元置于平行凹槽金属条带间。

Description

基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置

技术领域

本发明涉及一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，属于新型人工电磁材料领域。

背景技术

基于表面等离激元的传输机制中，波导是一种基本的元件，它能够突破光学衍射极限操控能量在纳米尺度的传播。目前，已有多种基于不同结构的表面等离激元波导被提出，例如光子晶体波导、金属波导、金属-绝缘体-金属波导和金属纳米线波导等，它们能够实现表面等离激元在其表面的有效传输。两条沿延伸方向成镜像对称的金属凹槽条带，当导行电磁波沿着该波导结构传输时，电磁能量被局域在平行金属凹槽条带间传输。这种波导结构较单导体波导而言，传输具有更高的束缚性。它的传输特性非常类似于常见的MIM(金属-绝缘体-金属)等离激元波导。

当两个金属凹槽条带间距离与传输波长可比拟时，两个平行条带将会在法布里-珀罗(Fabry-Pérot,FP)腔模式的辅助下发生相互远场耦合，当电磁波被局域在两条带间传输时，两平行波导及其间隔结构的传输特性可近似地看作一个光学微腔。通过调整表面等离激元微腔的结构参数和周围介质折射率，可以有效地调节腔内表面等离激元共振模式和FP腔模式的色散特性。表面等离激元微腔的电磁场传播模式可以分为对称模式和反对称模式。对称模式，其主磁场分量关于金属平面是对称分布的。反对称模式则恰好相反，即其主磁场分量关于金属平面是反对称分布的。其中，电场Ex和磁场Hy两个场分量对应的分布是一致的，并且和Ey方向的场分布反向。通过在平行金属条带上场分量间引入光程差，在微腔内能够激励起对称模式和反对称模式两种模式。对称模式的电场主要分布在金属平面两侧，介质两侧的电场分布没有相位差且具有较低的传输损耗，因此适合远距离的传输，为平行传输波导结构内电磁场传播的主要模式。对于反对称模式，介质两侧的电场相位相差π，电场主要集中在两条金属线中间并被增强，它常被用以驱动辐射场。

当局域共振单元位于FP微腔形成的复合结构中，如纳米线、纳米线对放置在金属平板构成的FP腔中，局域共振模式与FP腔模式间发生强耦合相互作用。反对称模式的色散曲线逐渐逼近表面等离激元的截止频率，并且随频率陡峭上升，部分曲线位于光线的左侧。2011年Park等建立了一个T型连接的MIM波导耦合系统，揭示了不对称透射光谱的存在，解释了不对称光谱是由准连续的局域模式和谐振腔产生的离散本征模式相互耦合的共振所导致。

表面等离激元是一种束缚于金属-介质表面传输的模式，其波动量大于自由光子的动量，因此很难直接用表面等离激元直接转化成空间电磁波。尤其在设计表面等离激元功能器件时，空间波与表面等离激元波的高效转换是一个非常关键的技术难点；由于目前较低的转化效率，这在很大程度上限制了表面等离激元器件的开发和应用。因此，迫切需要找到一种途径，能够实现传输模式与辐射模式间的高效转换。反对称表面等离激元模式在某些特定频段内呈现非局域的辐射模式，这一特性能够对表面等离激元的模式转换及实现表面等离激元模式的辐射。因此，反对称模式的有效激励能带来一些新的耦合机制，在很大程度上有助于新型导波结构装置及功能器件的发展。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的不足，提出一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，V型单元因其对称破缺结构特性，当微腔结构的平行金属凹槽条带间的间隔与波长可比拟时，置于平行金属凹槽条带间的V型单元会在微腔FP腔模式的辅助下发生相互作用，对微腔内场间分布形成明显的相位差以形成反对称模式激励，该波导结构能够有效地将人工表面等离激元模式转换成辐射模式。

本发明提供了一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，基于平行双线波导结构，包括介质基板、覆盖在所述介质基板上的两条沿延伸方向成镜像平行排列的平行金属凹槽条带和一条双边开对称凹槽的金属条带；还包括作为嵌入共振单元的V型结构单元，所述V型结构单元置于平行金属凹槽条带间。

进一步的，镜像平行排列的平行金属凹槽条带间的间隔距离与波长相比拟。

进一步的，在平行金属凹槽条带结构处增加过渡结构，凹槽深度从2.85mm沿着x方向逐渐加深直至3.426mm。

进一步的，V型结构单元为轴对称结构，该V型结构单元的尺寸满足使共振频率在辐射频段区域内。

本发明的有益效果是：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的激励装置结构基于二维平面结构，制作简单，便于集成，结构的共面设计，在器件和集成电路的设计中具有较大的灵活性。

2.本发明的激励装置能够实现反对称模式的有效激励，并且能在一段较宽的频率范围内实现反对称模式的激励。

3.本发明通过平行条带间的耦合能够有效减小装置尺寸，使其亚波长和场局域效应显著增强，进一步减小了整体尺寸。

4.本发明通过在表面等离激元微腔结构中有效地激励起反对称模式，成功地将表面等离激元模式转换成辐射模式，实现表面等离激元模式与空间波间的转换。

5.本发明可以在较宽的工作频带内实现反对称模式的高效激励，并且反对称模式会形成以电偶极矩阵的形式形成辐射，整个装置能合成一高定向的波束向空间辐射。

附图说明

图1为本发明中反对称模式激励装置的三维结构示意图，其中：1为介质基板，2 为左边单边开凹槽金属条带，3为双边开对称凹槽金属条带，4为右边单边开凹槽金属条带，5为V型单元；

图2为本发明激励装置中V型单元的结构示意图；

图3为本发明激励装置中凹槽的结构示意图，其中：a为凹槽宽度，h为凹槽深度， d为凹槽单元的周期宽度，g为图1中左边单边开凹槽金属条带和右边单边开凹槽金属条带之间的距离；

图4为本发明中色散特性理论曲线图；

图5为本发明的激励装置在频率为f＝10.68GHz条件下在x-y平面上的近场仿真图，其中：

左栏对应对称模式(波导微腔中未嵌入V型单元)时Hy、Ex和Ey分量的场分布；

右栏对应反对称模式(波导微腔中嵌入V型单元)时Hy、Ex和Ey分量的场分布；

图6为本发明装置中激励起对称模式时在剖面处的电场矢量分布图；

图7为本发明装置中激励起反对称模式时在剖面处的电场矢量分布图；

图8为本发明的激励装置在频率为10.2GHz，10.44GHz，10.68GHz时场分量Ex和 Ey的实测近场分布图；

图9为本发明的激励装置当在结构中激励起反对称模式后，平行条带上的电流形成一个等效的电偶极矩阵列示意图；

图10为仿真得到双层条带上对应的归一化电场值；

图11为本发明装置对应波导微腔中未嵌入V型单元时实测端口的传输系数及反射系数；

图12为本发明装置对应反对称模式(波导微腔中嵌入V型单元)时实测端口的传输系数及反射系数；

图13为在工作频带范围内反对称模式的激励效率；

图14为本发明的激励装置对应于频带内选取的5个频点的测试归一化远场方向图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的反对称模式激励装置包括介质基板1和设置在介质基板1上的左边单边开凹槽金属条带2、双边开对称凹槽金属条带3和右边单边开凹槽金属条带4，该左边单边开凹槽金属条带2、和右边单边开凹槽金属条带4沿着双边开对称凹槽金属条带3延伸方向镜像平行排列在双边开对称凹槽金属条带3的两侧，本实施例还包括作为嵌入共振单元的V型结构单元。

本实施例的V型结构单元具有轴对称性，且具有两种独立正交的共振模式，散射光的相位延迟可以从0到2π变化。当电磁波传输通过V型结构单元时，它的相位、振幅、极化等信息都会对电磁波产生响应并发生变化。当将V型结构单元如图1所示放置时，所形成的单元场能够分解成分别沿x轴和y轴的场极化分量，V型结构单元的对称破缺结构会在微腔结构间的场分布形成相位差，改变V型单元的臂长和张角以及旋转角度，可以有效地调节单元的共振频率。

本实施例的激励装置基于平行双线波导结构，金属条带即两条单边开凹槽金属条带沿着传播方向呈镜像对称排列，并在沿y方向上间隔距离g。该平行结构可以近似等效成一个微腔结构，并由双边开对称凹槽金属条带中心对称耦合馈入。

如图1所示，整个激励装置由30个周期结构凹槽结构组成，包括过渡结构及连接线，整个结构的总长度为200mm，其中介质板的厚度t＝1mm，介电常数为3.5，设置本实施例的凹槽的宽度均为a＝1.5mm，凹槽单元的周期宽度d＝4.68mm，平行单边开凹槽金属条带间的宽度g＝8mm。

通过调节金属条带的开槽深度和宽度，可以方便的调节其色散特性。采用CST软件的本征模求解器在周期性边界条件下仿真双边开对称凹槽金属条带，凹槽深度 h＝2.85mm，该双边开对称凹槽金属条带具有趋于某一频率截止的慢波色散特性，对应的传输截止频率为11.6GHz。当单边开凹槽金属条带与双边开对称凹槽金属条带上开凹槽的尺寸一致时，单边开凹槽金属条带与双边开对称凹槽金属条带所对应的色散曲线几乎重合。

图4中，平行双线的单边开凹槽金属条带(h＝3.426mm)对应的反对称模式曲线有部分频段位于光线(黑色直线)以左，这部分频率能够产生辐射。图中的阴影区域对应着平行双线的辐射区域，从图中看位于10.2GHz—11.4GHz附近，因此，本实施例的 V型结构单元的尺寸满足共振频率在该辐射频段。

反对称模式在位于光线以左的辐射区域的工作频率会略高于对称模式。为得到相同的色散系数，以实现高效地传输过渡，本实施例中平行的单边开凹槽金属条带与双边开对称凹槽金属条带的凹槽尺寸一致，这也就是说，两种传输波导的截止频率是一致的。当工作频率高于截止频率，波在SPPs波导中呈现截止状态，将无法传输。平行双线结构的反对称模式所对应的辐射频段在双边开对称凹槽波导段中就已经截止，这使得在平行双线波导中是无法观察到反对称模式的激励现象。为克服这个限制，本实施例通过改变平行双线单元的凹槽深度来降低截止频率，使得平行双线结构的反对称模式的频率有部分频带小于单条带的截止频率，它所对应的反对称模式能够被有效地激励。本实施例在平行双线波导的过渡段后，再增加一个渐变段，凹槽的深度h从h＝2.85mm逐渐增加，直至凹槽深度h＝3.426mm。此时，反对称模式的辐射区域介于两条色散曲线对应的截止频率间，整个激励装置就能够保证在微腔内可以激励起反对称模式。

在图5左栏为未嵌入V型结构单元时波导的近场仿真图。该结构由于形成对称的激励，在双线平行结构中只能激励出对称模式。从图中可以看出，场主要集中在双线波导两侧，能量被完全局域在金属条带附近呈现高效地传输；对称模式的能量局限于波纹金属表面，并且传输损耗较小。因此，对称模式适用于远距离传输。

图5右栏为嵌入V型结构单元后的波导近场仿真图。从图中可以看到三个场分量图中均有部分能量被扩散到波导结构以外的空间中去，电磁波不再约束在波导微腔周围，呈辐射特性。并且，图5右栏中，Hy分量和Ex分量在单边开凹槽金属条带上的场成反相排列。因此，V型元的嵌入使得平行双线微腔结构中反对称模式被有效地激励。并且，反对称模由于单边开凹槽金属条带上的电荷符号相反，场主要集中在单边开凹槽金属条带之间。

反对称模式的工作频带主要是由构成微腔结构的平行金属凹槽条带的各项参数所决定，V型单元的尺寸和位置仅与模式的激励强度有关。因此，当改变V型单元的位置、大小或极化，仅改变了激励起的反对称模式的强度。我们通过优化单元参数可以在较宽的频带范围内得到较高的激励效率，选择V型结构单元的臂长H＝7.5mm，两臂间的夹角为37°，如图2所示。

图8为实测在频率为10.2GHz，10.44GHz，10.68GHz的近场电场分布。从测试结果来看，近场的电场分布基本与理论仿真的结果吻合，在10.2GHz-10.78GHz频段内的三个频率都有效地激励起了反对称模式。

当本实施例结构中激励起反对称模式后，单边开凹槽金属条带上的电流形成一个反向对称排列，这种正负电荷排列类似于电偶极矩，如图9所示。方向相反的电偶极矩可以近似看作电流相位相差180°，并且等间距排列，通过表面近场仿真求出平行双线条带上的电场分布，如图9所示。

本实施例采用电偶极矩阵来建模反对称模式激励起的辐射场，通过电偶极矩的单元辐射场合成来求得远场辐射。假设每个偶极子上的电场幅度如图10所示，排列周期为d，每个相邻单元间的相移为k_xd，由电偶极矩P产生的辐射场的磁感应强度B为：

其中：μ₀为真空中的磁导率，ω为角频率，k为真空中的相位常数，c为光速，R和 e_R为球坐标系下的坐标原点到场点的距离和坐标矢量。

电偶极矩的空间辐射场可以认为在远场区几乎是各项同性的，因此通过单元电偶极矩辐射场的叠加，可以求得整个结构的辐射场。因此总的辐射场为电偶极子辐射场之和，考虑到间距s≤λ，则有：

其中：s为相邻两个电偶极矩间的距离，p₁，p₂，...分别为电偶极矩的幅值，并且相位差为α_i，当相邻两个单元间的场是同相的，α＝0，相邻两个单元间的场是反相的，α＝π。

并且，电场强度E和B满足：

E＝cB×n＝cB×e_R (3)

图12所示为装置激励起反对称模式的端口反射系数和传输系数。在一个相对较宽的频段10.2-10.7GHz，输入端口的反射系数小于-10dB，传输系数小于-18dB。入射端口能得到较好的匹配，并且端口的传输系数比较低，大部分能量被转换为反对称模式而辐射到空间中，该频段也与本实施例分析色散曲线所得到的激励频带相吻合。

图13给出了为反对称模式的激励效率，在10.2-10.7GHz范围内60％以上的能量被转化为反对称模式，具有较高的激励效率。在这个频段上传输的电磁波是以一种混合的模式传输，并且主要以反对称模式为主，大部分能量从对称模式转化为反对称模式辐射到自由空间中。

图14给出了实测的归一化远场方向图，在微腔平面的两侧形成对称的辐射波束，并且波束角度的指向在30°附近。

Claims (4)

1.一种基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，基于平行双线波导结构，其特征在于：包括介质基板、覆盖在所述介质基板上的两条沿延伸方向成镜像平行排列的平行金属凹槽条带和一条双边开对称凹槽的金属条带；所述平行金属凹槽条带包括左边单边开凹槽金属条带、右边单边开凹槽金属条带和过渡结构，所述左边单边开凹槽金属条带和右边单边开凹槽金属条带沿着双边开对称凹槽的金属条带延伸方向镜像平行排列在双边开对称凹槽的金属条带的两侧；所述过渡结构设置在平行金属凹槽条带结构处；还包括作为嵌入共振单元的V型结构单元，所述V型结构单元置于平行金属凹槽条带间。

2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，其特征在于：所述镜像平行排列的平行金属凹槽条带间的间隔距离与波长相比拟。

3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，其特征在于：所述过渡结构的凹槽深度h从h＝2.85mm逐渐增加，直至凹槽深度h＝3.426mm。

4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元微腔的反对称模式有效激励装置，其特征在于：所述V型结构单元为轴对称结构，该V型结构单元的尺寸满足使共振频率在辐射频段区域内。

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