CN109904578A

CN109904578A - 一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法

Info

Publication number: CN109904578A
Application number: CN201910216049.3A
Authority: CN
Inventors: 黄铁军; 刘江雨; 殷立征; 刘濮鲲
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2019-06-18
Anticipated expiration: 2039-03-21
Also published as: CN109904578B

Abstract

本发明公开了一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法。本发明采用金属圆柱周期阵列与SSP波导耦合，透射金属圆柱周期阵列的太赫兹波产生频谱折叠效应，产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波失满足SSP波失匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出SSP模式；通过合理设计参数，提高了从自由空间波束到SSP模式的转换效率，能够自由调控等离激元的耦合方向和工作频带，这对于SSP模式在太赫兹波段的实际应用具有强有力的推动作用；由于本发明的耦合器为全金属结构，既能够降低耦合器的损耗；同时，本发明的耦合器为周期圆柱结构，对比于传统耦合器，从结构简单易加工、成本较低、集成度高，能够被广泛的应用于太赫兹通信息系统和成像系统中。

Description

一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法

技术领域

本发明涉及太赫兹无源器件领域，具体涉及一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法。

背景技术

太赫兹频段(0.1THz～10THz)处于毫米波与远红外之间，拥有极其丰富的频谱资源。太赫兹波存在穿透性、无损性、指纹谱特性、高分辨特性及瞬态性等诸多优点，在生物医疗、安防安检、无损检测、传感探测和通信等诸多领域有着重要应用前景。近些年，太赫兹科学技术已经被诸多国家和地区设为最重要的科研方向之一。对于太赫兹波的传输、辐射和操控等等的研究对于太赫兹科学和技术的发展至关重要。但是随着频率和尺寸的共渡性，传统的矩形波导、圆形波导和同轴波导在太赫兹频段面临加工困难、损耗大和串扰严重等问题。除此之外，传统波导的尺寸处于波长量级，很难实现高度集成化，影响未来太赫兹光子系统的发展。研究发现，类比于光学波段的表面等离极化激元(SPPs)，通过周期地在金属表面装饰结构，便可以在太赫兹波段激励人工表面等离激元(SSP)，从而实现对于太赫兹波的亚波长高精度操控。而SSP的传输特性主要由周期金属结构的参数控制。常见的SSP结构是周期性金属光栅和开槽阵列。很快便有基于SSP的太赫兹亚波长波导出现，电磁能量能以表面波形式被高度局附在金属表面进行传输。与传统波导器件相比，SSP波导结构紧凑，更易加工，传输效率更高，对加工精度的鲁棒性也更高。更重要的是，由于SSP的高局附性，此种波导可以实现更高精度的波束操控，比如低损耗的波导转弯、高效波导模式转换和高效三维能量传输等。除此之外，基于SSP波导的滤波器、聚焦探针、天线、超透镜、功分器和传感器等等也都被验证有重要的应用前景。

但是，SSP波导的波导模式和自由空间波束之间存在波矢失配的情况，很难直接用自由空间波束去高效激励SSP，同样也难以将SSP携带的电磁能量辐射出去。实现SSP波导和空间波束的高效耦合，对于基于SSP通信的发展具有重要意义。传统的激励SSP采用探针耦合、狭缝耦合、棱镜耦合、光栅耦合和高孔径透镜聚焦耦合等方式。这些方法能够将赋予入射波额外的切向波矢从而实现波矢匹配。但是这些方法都面临着无法控制耦合方向、效率低、频带窄和体积大等缺点，在实际应用中会带来很多问题。

发明内容

针对以上现有太赫兹SSP耦合技术中存在的问题，本发明提出了一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器及耦合方法，具有结构简单、高效率、SSP耦合方向和工作频带可调等诸多特点。

本发明的一个目的在于提出一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器。

本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器包括：金属圆柱周期阵列和SSP波导；其中，SSP波导具有周期结构；在SSP波导之上设置金属圆柱周期阵列，金属圆柱周期阵列包括多根互相平行的周期性排列的金属圆柱，多根金属圆柱的轴线所在平面平行于SSP波导的表面，金属圆柱的轴线平行于SSP波导的周期结构；金属圆柱周期阵列的周期为L，金属圆柱的半径为R，金属圆柱周期阵列与SSP波导之间的距离为a；太赫兹波为TM极化，太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角为θ，夹角θ为在与金属圆柱垂直的平面内太赫兹波与SSP波导表面的夹角；当太赫兹波入射到金属圆柱周期阵列上，太赫兹波在金属圆柱上发生透射和反射，反射的太赫兹波到自由空间消耗掉，对于透射的太赫兹波，由于金属圆柱的周期性排列，产生频谱折叠效应，透射的太赫兹波产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波矢满足SSP波失匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出在SSP波导表面传输的SSP模式；SSP沿夹角θ为锐角的方向定向传播，实现自由空间波束到SSP模式高效定向耦合；并且匹配的SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。

SSP波导采用金属光栅、多米诺结构、v型周期凹槽和一些谐振型超表面结构中的一种；均具有周期性的亚波长谐振结构，谐振结构的周期为小于入射的太赫兹波的工作波长，为平行的结构。

要想实现入射的太赫兹波到SSP模式之间的耦合，首先要解决两者之间的波矢失配问题。当SSP波导的参数确定之后，在其表面上传输的SSP模式的切向波矢k_s就被确定。由于SSP是高局附的表面波，则|k_s|>k₀，其中，k₀为太赫兹波的自由空间波失，k₀＝2πf/c，f为太赫兹波的工作频率，c代表光速。而太赫兹波的切向波矢|k_x0|＝|k₀cosθ|<k₀，即存在k_s≠k_x0的波矢失配。当太赫兹波入射到金属圆柱周期阵列，在金属圆柱上发生透射和反射，反射到自由空间的太赫兹波消耗掉，透射的太赫兹波，由于金属圆柱的周期性排列，产生频谱折叠效应，透射的太赫兹波产生丰富的空间谐波，n阶空间谐波的切向波矢表示为：k_xn＝k₀cosθ+2nπ/L，当波矢匹配条件满足时候，即k_xn＝k_s，得到：

k_s＝k₀ cosθ+2nπ/L (1)

从而n阶空间谐波完成波矢匹配，n为整数。

从另一个角度来看，每一个金属圆柱的散射作用使得其作为一个独立的太赫兹波与SSP的耦合源。各个太赫兹波耦合的SSP会相互干涉，当相邻圆柱之间的SSP的相位差k₀Lcosθ±k_sL＝2nπ，满足相长干涉，从而极大提升单个圆柱的耦合效率，其中‘-’和‘+’分别代表满足向左和向右SSP的波矢匹配。可以发现相长干涉条件完全等同于公式(1)。

为了进一步提升耦合效率，就必须增加定向耦合器的作用面积、减小定向耦合器对入射波束反射、提升满足波矢匹配谐波的产生效率和降低SSP模式的二次辐射。通过调控圆柱阵列的数目来增大定向耦合器作用面积。合理选择金属圆柱的半径的参数，能够减小圆柱阵列的对于入射波束的反射。但是，金属圆柱半径过小会使入射圆柱的散射效应太弱，使发空间谐波的激发效率过低，进而影响SSP的耦合效率。合理调控金属圆柱的半径，能够将绝大部分能量透过金属圆柱，并把电磁能量转化为满足波矢匹配的谐波。值得注意的是，根据电磁的互易定理，耦合的SSP模式在SSP波导上传输的时候，与金属圆柱周期阵列相互作用，会重新将电磁能量辐射出去，称之为二次辐射。金属圆柱的优点就在于其曲面结构，避免了结构突变，能减小对于SSP模式的影响，降低二次辐射。除此之外，金属圆柱周期阵列与SSP波导之间的距离a越大，对于SSP的辐射就越弱。但是，金属圆柱周期阵列激发的空间谐波到SSP模式之间的耦合效率也和a相关，a越小效率越高，因此需要合理设计参数a的大小，取得最佳耦合效率。SSP波导的上表面与金属圆柱周期阵列的中心的距离a为0.54π/k_s～0.63π/k_s，才能保持有较高耦合效率和较低二次辐射。

控制耦合SSP模式的耦合方向在实际应用中具有重要意义。常规方法所激发的SSP模式会沿对称的两个方向传输。当θ＝90°的时候，也就是垂直入射的时候，存在两个互为相反数的n满足相长干涉，耦合的SSP会流向两个相反方向。当θ<90°时，由于非对称入射，根据式(1)只会有k_s>0的切向波矢得到匹配，耦合的SSP模式流向夹角为锐角的一侧。从干涉的角度，各个金属圆柱耦合的SSP模式在夹角为锐角的一侧相长干涉，逐渐叠加。向夹角为钝角的一侧传播的SSP模式由于不满足相长干涉条件，有一部分被反射回夹角为锐角的一侧，一部分被重新辐射出去，从而实现了SSP模式的单向耦合。如果向夹角为钝角的一侧传播的SSP模式同时满足相消干涉条件k₀Lcosθ-k_sL＝(2n+1)π，则会得到单向性最好的SSP耦合。所以通过调整L和θ即可实现SSP模式的定向耦合。如果将L固定，只改变θ，则满足式(1)中干涉相长条件的k_s会减小，意味着入射太赫兹波的工作频率也需要改变，才能继续满足波矢匹配。因此调整角度θ，不仅能够实现定向耦合，还能够实现工作频率调谐。即通过角度扫描，可以满足不同频率的太赫兹波束到SSP模式的耦合，即实现了宽带工作。

综上所示，斜入射的太赫兹波的作用在于提供一个非对称的因素，使得耦合的SSP模式只往一个传播方向相长干涉，从而实现定向耦合。当金属圆柱周期阵列的周期L固定，通过调整夹角θ，不仅可以改变SSP模式的耦合方向，还可以实现工作频率调谐。金属圆柱周期阵列的作用是提升定向耦合器的作用面积，并将入射的太赫兹波转化为能够完成波矢匹配的空间谐波。首先，根据实际波束去调整周期的数目，如果入射波束为高斯波束(腰宽w)，则金属圆柱周期阵列中金属圆柱的数目为2(w/L-1)～2(w/L+1)。L和θ根据公式(1)和实际所需的工作频段、耦合方向共同确定。金属圆柱的半径R为0.25L～0.35L，具体尺寸要结合实施方式的理论优化。金属圆柱的材质采用电导率较高的金属，如镁、铝、无氧铜和紫铜一种或两种以上的合金。考虑到加工问题，采用在圆柱体介质的表面镀一层金属，充当金属圆柱，从而降低加工难度，降低成本。所镀金属厚度应大于微米级，才能避免趋肤深度的影响。SSP波导用于支撑耦合的SSP模式，形成有效干涉，并将SSP模式传输至下一级设备。

本发明的另一个目的在于提供一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的定向耦合方法。

本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的定向耦合方法，包括以下步骤：

1)提供SSP波导，SSP波导具有周期结构，根据SSP波导的参数，确定SSP模式的切向波矢；

2)在SSP波导之上设置金属圆柱周期阵列，金属圆柱周期阵列包括多根互相平行的周期性排列的金属圆柱，多根金属圆柱的轴线所在平面平行于SSP波导的表面，金属圆柱的轴线平行于SSP波导的周期结构；金属圆柱周期阵列的周期为L，金属圆柱的半径为R，金属圆柱周期阵列与SSP波导之间的距离为a；

3)太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角为θ，夹角θ为在与金属圆柱垂直的平面内太赫兹波与SSP波导的夹角；

4)当太赫兹波入射到金属圆柱周期阵列上，太赫兹波在金属圆柱上发生透射和反射，反射的太赫兹波到自由空间消耗掉，对于透射的太赫兹波，由于金属圆柱的周期性排列，产生频谱折叠效应，透射的太赫兹波产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波失满足SSP波失匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出在SSP波导表面传输的SSP模式；

5)SSP沿夹角θ为锐角的方向定向传播，实现自由空间波束到SSP模式高效定向耦合；

6)并且SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。

其中，在步骤1)中，SSP波导采用金属光栅、多米诺结构、v型周期凹槽和一些谐振型超表面结构中的一种；根据SSP波导的参数，确定SSP模式的切向波矢k_s。

在步骤2)中，根据波失匹配条件k_s＝k₀ cosθ+2nπ/L，确定金属圆柱周期阵列的周期L；金属圆柱的半径R为0.25L～0.35L；SSP波导的上表面与金属圆柱周期阵列的中心的距离a为0.54π/k_s～0.63π/k_s；金属圆柱周期阵列中金属圆柱的数目为2(w/L-1)～2(w/L+1)。

在步骤5)中，根据波失匹配公式k_s＝k₀ cosθ+2nπ/L，当θ＝90°的时候，也就是垂直入射的时候，存在两个互为相反数的n满足相长干涉，耦合的SSP会流向两个相反方向。当θ≠90°时，由于非对称入射，根据式(1)，耦合的SSP流向夹角为锐角的一侧。

在步骤6)中，根据波失匹配公式k_s＝k₀ cosθ+2nπ/L，SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。

如果定向耦合器本身被固定好，圆柱数目无法被调整，以高斯波束为例，当入射波束宽度大于圆柱阵列面积时候，可以让波束中心和圆柱阵列中心重合保证最大耦合效率。如果定向耦合器面积远大于波束面积，在步骤5)中的辐射损耗会增加，因为有一部分圆柱只辐射能量，不耦合能量，此时应根据定向耦合的方向去调整入射波束的中心。对于正入射的波束若想实现定向耦合，可先用反射镜去改变角度，或者调整旋转圆柱阵列和SSP波导的角度，让定向耦合器和入射波束的相对角度改变即可。

本发明的优点：

本发明采用金属圆柱周期阵列与SSP波导耦合，透射金属圆柱周期阵列的太赫兹波产生频谱折叠效应，产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波失满足SSP波失匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出能够传输的SSP模式；通过合理设计参数，极大地提高了从自由空间波束到SSP模式的转换效率，能够自由调控等离激元的耦合方向和工作频带，这对于SSP模式在太赫兹波段的实际应用具有强有力的推动作用；由于本发明的定向耦合器为全金属结构，既能够降低定向耦合器的损耗；同时，本发明的定向耦合器为周期圆柱结构，对比于传统定向耦合器，从结构简单易加工、成本较低、集成度高，能够被广泛的应用于太赫兹通信息系统和成像系统中。

附图说明

图1为本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的一个实施例的SSP模式的色散曲线图及场分布示意图；

图3为本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的一个实施例中正入射的结果图，其中，(a)为金属圆柱周期阵列的透射率和一阶空间谐波强度图，(b)为正入射太赫兹波到SSP模式的转化效率图，(c)正入射太赫兹波束耦合SSP模式场分布图；

图4为本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的一个实施例中斜入射的金属圆柱周期阵列的透射率和一阶空间谐波强度图，插图是SSP模式的功率流分布；

图5为本发明的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的一个实施例的耦合及反射特性随频率的曲线图，其中，(a)和(b)分别为夹角不同情况下的耦合及反射特性随频率的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器包括：金属圆柱周期阵列和SSP波导；其中，SSP波导采用金属光栅，金属光栅具有周期性的槽，周期为亚波长周期，即金属光栅的周期小于入射的太赫兹波的工作波长，金属光栅的周期为p，槽的深度为h，槽的宽度为d；在金属光栅之上设置金属圆柱周期阵列，金属圆柱周期阵列包括多根互相平行的周期性排列的金属圆柱，多根金属圆柱的轴线所在平面平行于金属光栅的表面，金属圆柱的轴线平行于金属光栅的槽；金属圆柱周期阵列的周期为L，金属圆柱的半径为R，金属圆柱周期阵列与金属光栅之间的距离为a；太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角为θ，夹角θ为在与金属光栅的槽垂直的平面内太赫兹波与金属光栅表面的夹角。

根据金属光栅的参数，即金属光栅的周期p、槽的深度h和槽的宽度d，得到金属光栅的色散方程如下：

其中

k_sn＝k_s±2nπ/p (3)

图2给出了金属光栅上SSP模式的色散曲线，相对应的参数为p＝0.06mm，d＝0.03mm，h＝255μm。从中可以看SSP模式具有强色散，会随频率而改变其模式特性，其切向波矢k_s大于k₀，其纵向波矢为虚数，所以SSP模式在垂直于其传播方向上呈数衰减，其场分布如图2中的插图所示。而自由空间波束的切向波矢永远小于k₀，因此SSP模式和自由空间波矢不匹配，如果没有定向耦合器，自由空间波束无法高效的耦合成为SSP模式。

下面讨论金属圆柱周期阵列和入射波的相互作用。当TM极化的电磁波以角度θ入射时候，其周围的磁场表示为：

其中，H_t(x，y)为(x，y)处的磁场，定义任意周期内的圆柱的圆心为坐标原点，H_t(x，y)也是以L为周期的周期函数；δ_n,0是狄拉克冲激函数，当n＝0时，δ_n,0＝1，n≠0时，δ_n,0＝0；k_xn＝k_x0±2nπ/L，k_x0＝k₀cosθ。其它量表示为

α_sc＝(I-T·D)^-1·T·A

其中，G_n为系数向量G中的元素；A代表了入射太赫兹波在柱坐标系下的表示，I是单位矩阵，T是对角矩阵，D是栅和矩阵，T和D的元素表示为：

其中J_n是n阶贝塞尔函数，其中是n阶第一类汉开尔函数。上文中的推导可以通过单个金属圆柱的散射，综合格拉夫(Graf)加法，然后利用矩阵求逆结合坐标系转化得到。而当k_xn＝k_s时，即可完成波矢匹配和相长干涉，得到k₀cosθ±2nπ/L＝k_s，如前文所述。各阶谐波的产生效率表示为：

根据实际需要调整参数，得到需要的透射率的总透过能量表示为各阶谐波的叠加。由于高阶谐波的耦合效率远远低于±1和0阶谐波，本实施例中利用±1谐波去耦合SSP，抑制0阶谐波。图3中展示正入射情况下的透射和耦合情况。其中金属光栅的参数和图2中一致，其他参数R＝7.8mm,a＝7.2mm,L＝24mm,θ＝90°。3(a)中是金属圆柱周期阵列的透射率，以及一阶和零阶空间谐波强度之比。可以看出接近在接近0.19THz的频率有接近100％的透射率，同时有较强的空间谐波去完成波矢匹配，电磁能量透过金属圆柱周期阵列之后将在金属圆柱周期阵列与金属光栅之间多次振荡耦合，得到效率提升。图3(b)中展示了太赫兹波到SSP模式的转化效率，在0.19THz有91％的峰值效率。图3(c)展示了耦合过程磁场分布，可以看出几乎所有入射太赫兹波无反射的转化为高局附性的SSP模式。

当保持其他参数不变，角度调整为80°的时候，图4(a)展示了透射率和+1阶空间谐波强度。可以看出传输率峰值发生了红移，同时耦合效率的峰值频率转移到了0.183THz。从插图中的功率流分布，可以发现定向耦合器实现了较好的右向耦合，其右向耦合效率为75％，单向性达到了-30dB。单向性η定义为η＝10log(P_左/P_右)，其中P_左和P_右代表流向左边和右边的SSP模式的功率。进一步的，以5度作为一个步长，计算了夹角90°～60°的耦合效率和单项性，并绘制在图5(a)中。类似的90°～120°结果放置在图5(b)中。所以，从此结果可以看出通过调整入射方向可以看出调控SSP模式的方向和定向耦合器的工作频率，可以在一个宽带中实现任意方向高效的SSP耦合。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器，其特征在于，所述定向耦合器包括：金属圆柱周期阵列和SSP波导；其中，所述SSP波导具有周期结构；在SSP波导之上设置金属圆柱周期阵列，所述金属圆柱周期阵列包括多根互相平行的周期性排列的金属圆柱，多根金属圆柱的轴线所在平面平行于SSP波导的表面，金属圆柱的轴线平行于SSP波导的周期结构；所述金属圆柱周期阵列的周期为L，金属圆柱的半径为R，金属圆柱周期阵列与SSP波导之间的距离为a；太赫兹波为TM极化，太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角为θ，夹角θ为在与金属圆柱垂直的平面内太赫兹波与SSP波导表面的夹角；当太赫兹波入射到金属圆柱周期阵列上，太赫兹波在金属圆柱上发生透射和反射，反射的太赫兹波到自由空间消耗掉，对于透射的太赫兹波，由于金属圆柱的周期性排列，产生频谱折叠效应，透射的太赫兹波产生丰富的空间谐波，当n阶空间谐波的切向波矢满足SSP波失匹配条件时，在SSP波导的表面耦合出在SSP波导表面传输的SSP模式；SSP沿夹角θ为锐角的方向定向传播，实现自由空间波束到SSP模式高效定向耦合；并且匹配的SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过太赫兹波与金属圆柱周期阵列的夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。

2.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述SSP波导采用金属光栅、多米诺结构、v型周期凹槽和谐振型超表面结构中的一种。

3.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述SSP波导的上表面与金属圆柱周期阵列的中心的距离a为0.54π/k_s～0.63π/k_s，k_s为SSP模式的切向波矢。

4.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，根据波失匹配条件k_s＝k₀cosθ+2nπ/L，确定金属圆柱周期阵列的周期L；金属圆柱的半径R为0.25L～0.35L，k_s为SSP模式的切向波矢，k₀为太赫兹波的自由空间波失。

5.如权利要求1所述的定向耦合器，其特征在于，所述金属圆柱周期阵列中金属圆柱的数目为2(w/L-1)～2(w/L+1)，入射的太赫兹波为高斯波束，w为高斯波束的腰宽。

6.一种如权利要求1所述的高效太赫兹人工表面等离激元定向耦合器的定向耦合方法，其特征在于，所述定向耦合方法：

7.如权利要求6所述的定向耦合方法，其特征在于，在步骤1)中，SSP波导采用金属光栅、多米诺结构、v型周期凹槽和谐振型超表面结构中的一种；根据SSP波导的参数，确定SSP模式的切向波矢k_s。

8.如权利要求6所述的定向耦合方法，其特征在于，在步骤2)中，根据波失匹配条件k_s＝k₀cosθ+2nπ/L，确定金属圆柱周期阵列的周期L；金属圆柱的半径R为0.25L～0.35L；SSP波导的上表面与金属圆柱周期阵列的中心的距离a为0.54π/k_s～0.63π/k_s；金属圆柱周期阵列中金属圆柱的数目为2(w/L-1)～2(w/L+1)，k_s为SSP模式的切向波矢，k₀为太赫兹波的自由空间波失，入射的太赫兹波为高斯波束，w为高斯波束的腰宽。

9.如权利要求6所述的定向耦合方法，其特征在于，在步骤5)中，根据波失匹配公式k_s＝k₀cosθ+2nπ/L，当θ＝90°的时候，也就是垂直入射的时候，存在两个互为相反数的n满足相长干涉，耦合的SSP会流向两个相反方向；当θ≠90°时，由于非对称入射，耦合的SSP流向夹角为锐角的一侧，k_s为SSP模式的切向波矢，k₀为太赫兹波的自由空间波失。

10.如权利要求6所述的定向耦合方法，其特征在于，在步骤6)中，根据波失匹配公式k_s＝k₀cosθ+2nπ/L，SSP模式的切向波矢随着夹角的改变而改变，通过调节夹角，调节工作频率，从而通过夹角扫描实现定向耦合器的宽带工作。