[发明专利]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

说明书

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。

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。