[发明专利]人工表面等离子激元的隧穿效应及其工作方法

说明书

技术领域

本发明属于导波结构技术领域，具体指代一种基于零等效介电常数材料的人工表面等离子激元的隧穿效应及工作方法。

背景技术

表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons,简称SPPs)是金属表面自由电子和入射光子相互耦合形成的一种非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质界面传播的一种电磁波。金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相干振荡，入射光的电磁场和表面电荷的共振相互作用产生了SPPs并赋予它独特的性质。SPPs可以将光学控制的维度从三维降为二维，实现纳米尺度超衍射极限光传输的有效调控，同时可在纳米尺度上实现电磁能量的局域汇聚放大。

为了在低频段(微波或太赫兹波段)实现光波段的SPPs现象并利用其优越性能实现低频段的等离子超材料器件，2004年，Pendry等人首次提出一种金属人工表面和人工表面等离子激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,简称SSPPs)的全新概念。在微波或太赫兹波段，金属被假设成理想导体，光滑的金属表面是完全不能传输SPPs的，然而，在金属表面刻蚀周期性分布的孔洞后(孔洞的尺寸和深度均处于亚波长状态)，其表面不仅可以传播类似光波段SPPs现象，还可以实现场的亚波长约束，增强电磁波的渗透作用，从而等效地降低了金属表层的等离子频率，并且周期性结构表层的等效等离子频率可以通过改变周期性结构的几何参数来任意调控，首次解决了低频段SPPs无法产生的关键性难题。2005年，Hibbins等人在微波段用实验证实了SSPPs现象，为人工表面等离子激元技术在低频段的广泛应用提供了可能，也激发了全世界学者对SSPPs的重要应用前景的高度关注和广泛研究。

隧穿效应一般存在于光波段，在填满零介电常数材料的通道里，电磁波能被挤压进通道，且在通道里电磁波的波长无限长，因此可以实现远距离的高效传输。2006年至今，Engheta等人提出可以利用超材料或者等效媒质的概念，使得一些材料等效介电常数接近零，实现微波段电磁波的隧穿效应。为了解决SSPPs的远距离传输及弯道传输面临的高损耗问题，可以将SSPPs与隧穿结合，实现了SSPPs的隧穿。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种人工表面等离子激元的隧穿效应及其工作方法，以解决现有技术中人工表面等离子激元远距离传输及弯道传输面临的高损耗问题，本发明可以显著降低人工表面等离子激元传输过程中损耗，实现人工表面等离子激元的远距离传输及弯道传输。

为达到上述目的，本发明的一种人工表面等离子激元的隧穿效应，包括：矩形波导、过渡波导、支持人工表面等离子激元的等离子波导，以及中间填满零等效介电常数的材料的隧穿通道，其中，矩形波导，过渡波导以及等离子波导依序连接，且分别沿隧穿通道对称设置；及

矩形波导的金属上壁被部分抠除，并在金属上壁被抠除的部分沿z方向周期排列金属条，形成过渡波导与等离子波导。

优选地，所述的矩形波导内填充介电常数为ε_r的介质，任意一端的矩形波导作为导波信号的输入端，另一端的矩形波导作为输出端。

优选地，所述的过渡波导上的金属条宽度由0连续变化到w。

优选地，所述的等离子波导上的金属条宽度为w。

优选地，分别用长度为l₄、宽度为w_c的倒U型、H型、U型隧穿通道连接等离子波导，矩形波导、过渡波导及等离子波导中填充了介电常数为ε_r1的介质，隧穿通道填充了相对介电常数为ε_r2的介质，其等效介电常数为零，并且在两种介质的交界面处中周期排列了金属条。

一种人工表面等离子激元的隧穿效应的工作方法，包括步骤如下：

矩形波导内的TE₁₀模式转换成人工表面等离子激元，在隧穿通道的作用下，产生的人工表面等离子激元从隧穿通道一端隧穿到另一端，并在对称的等离子波导的作用下，再转换成人工表面等离子激元的传输；隧穿的效果不受形状的影响，在90度弯折的隧穿通道内进行高效的传输。

本发明的有益效果：

1.本发明的人工表面等离子波导，可以在宽带内支持人工表面等离子激元的高效传输。

2.本发明具有尺寸小，方便集成，应用广泛的特点，等离子波导通过周期性的孔缝，实现TE₁₀模式到人工表面等离子激元的转化，可以广泛的应用于基片集成波导、圆波导，椭圆波导。