[发明专利]一种类表面等离子体复合型狭缝波导及其应用

说明书

技术领域

本发明属于人工微结构电磁学与电磁超材料领域，是基于类表面等离子体激元微波器件的研究。

背景技术

随着信息科技的高速发展，信息量需求成指数型增长，基于传统金属互连技术的电子器件已经不再满足超大容量、超高速、超长距离和高存储密度的信息传输需求。而光子作为信息载体，相对于电子来说具有频率高，传输带宽高，损耗小、成本低等诸多优势。例如，光纤通信在信息时代已经占据重要的位置，光子器件正在逐渐取代电子器件。然而光子器件由于衍射极限尺寸都比较大，难以满足高密度的集成光子回路的发展趋势。而基于表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)的光波导由于可以突破衍射极限实现亚波长尺度的光传输，成为最有希望的纳米集成光子器件的信息载体。

由于表面等离子体亚波长场局域化主要依赖于电磁场渗透进金属的程度，它直接取决于金属表面自由电子的被激发程度，所以工作频率一般只能在可见光或近红外波段。在这个波段里，通常采用的材料(如金，银，透明的导电氧化物等)都能支持很强的表面等离子激元共振，但是对应的吸收损耗也非常大。而在低频(如太赫兹或者微波波段)情况下，由于自由电子不再发生共振，电磁波无法穿透进入金属表面，从而让其表现出接近完美电导体的性质，表面等离子体激元共振不再存在。为了克服这一问题，2004年Pendry等人(参考非专利文献1：J.B.Pendry,L.Martin-Moreno,F.J.Garcia-Vidal.Mimicking surface plasmons with structured surfaces.Science 2004,305,847)提出了一种新的物理概念—类表面等离子共振激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)。文中指出在低频波段可以利用在贵金属表面刻蚀人工微结构，例如挖槽或者挖孔，使原本表现为完美电导体的金属具有与在光频波段相似的表面等离子激元特性。这一新的物理概念引起了对类表面等离子体激元的研究热潮。2012年Pors等人(参考非专利文献2：A.Pors,E.Moreno,L.Martin-Moreno,J.B.Pendry,and F.J.Garcia-Vidal.Localized spoof plasmonsarise while texturing closed surfaces.Phys.Rev.Lett.2012,108,223905.,)利用具有亚波长微结构的完美电导体圆盘实现了类局域表面等离子共振(Spoof Localized Surface Plasmon Resonance,SLSPR)。之后利用类表面等离子体激元，许多最初在真实表面等离子体激元系统中研究的现象和器件被不断拓展到太赫兹及微波波段。2011年Kats等人(参考非专利文献3：M.A.Kats,D.Woolf,R.Blanchard,N.Yu,and F.Capasso.Spoof plasmon analogue of metal-insulator-metal waveguides.Opt.Express 2011,19,14860.)利用类表面等离子体激元实现了微波频段的亚波长金属-介电-金属狭缝波导，文中称这种结构为“Spoof-Insulator-Spoof(SIS)”波导。电磁波在这种SIS波导中以SSPPs的模式传播,因此其等效波长比真空波长还要小，使得SIS波导成为一种亚波长狭缝波导器件。因此SIS波导可能应用在集成电磁回路系统中用来缩小设备的体积.本发明正是基于SIS波导的微波器件,通过多尺度的周期性结构设计实现对狭缝中SSPPs的传输特性的控制，使其具有带阻及带通滤波能力，实现微波的亚波长束缚可调控传输。

发明内容

本发明提出了一种具有多尺度周期性人工微结构的类表面等离子体复合型狭缝波导。提出在已经具有亚波长精细人工微结构的类表面等离子体狭缝波导中引入波长尺度的周期性结构调制，构成复合型类表面等离子体狭缝波导。这种复合型狭缝波导具有微波带隙，处在带隙区间内的类表面等离子体波不能传输从而使该波导具备了带阻滤波的特性。此外在复合型狭缝波导中引入结构缺陷还可以产生缺陷态模式。缺陷态模式的存在能够使某较窄频率范围内的类表面等离子体波通过狭缝波导，因此又使得改波导具备了带通滤波的能力。结合单一尺度类表面等离子体狭缝波导的色散关系和能带理论给出了复合型狭缝波导的“带隙图”。根据“带隙图”可以灵活设计复合型波导的几何参数来调节微波带隙的宽度及位置。