[发明专利]一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种波导转换器结构，尤其涉及一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器结构。

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SPP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。自1998年T.W.Ebbesen研究了二维周期性金属圆孔结构的透过增强现象以来，SPPs的物理机理及应用研究不断取得突破。随着对其新现象、新机理的研究日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步，逐渐形成了表面等离子体激元光学(Plasmonics)这一新兴学科。

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。

一直以来，空间传播波到SPPs的转换被广泛地研究，如通过棱镜耦合或衍射光栅来实现，但对于导波到SSPPs的转换却研究甚少。为了能够在微型集成电路中实现信号在等离子超材料器件中的高效传输，东南大学崔铁军教授课题组提出了一种在微波频段实现导波到SSPPs的高效转换结构，由传统的非接地共面波导(Coplanar Waveguide,简称CPW)和“牙齿型”等离子波导(超薄的周期性结构金属条带)杂交而成，为了实现信号高效的输入和输出，在两者之间设计了一段匹配过渡带，该匹配过渡部分实现了CPW和等离子波导之间的波矢匹配和阻抗匹配，从而在微波段实现了从导波到SSPPs的高效率和宽频段转换，为等离子功能器件在微波段电路中的高度集成开创了广阔的应用前景。然而，考虑到“牙齿型”等离子波导中传输的电磁场形式，对于其他的传统波导，如矩形波导，上述方案将不再适用。

发明内容

技术问题：本发明的所要解决的技术问题是针对背景技术中涉及的“牙齿型”等离子波导结构不能实现和矩形波导之间的高效转化功能的缺陷，提供一种结构简单对称、尺寸紧凑、易于在大规模平面或集成电路中集成、性能好的矩形波导到多米诺等离子波导转换器，以实现空间导波到SSPPs的高效和宽频带转化。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种矩形波导到多米诺等离子波导转换器，其特征在于：包括两端对称的矩形波导和矩形波导到多米诺等离子波导的过渡波导，以及中间的多米诺等离子波导；

其中，过渡波导包括含横向、纵向渐变的多米诺阵列，多米诺阵列的横向渐变由宽度递减的周期性多米诺方柱实现，纵向渐变由高度递增的周期性多米诺方柱实现；过渡波导的上壁按曲线渐变；多米诺等离子波导由恒定周期的多米诺阵列组成。

本发明在深入研究空间导波到SSPPs的转化机理的基础上，借鉴共面波导到等离子波导转化的思想，根据矩形波导(主模TE10波)中传输的空间导波的类型，选用“多米诺型”等离子波导与其构成杂交结构，最终实现矩形波导到“多米诺型”等离子波导的高效转化。

本发明可以根据矩形波导的类型和尺寸来调节过渡波导和多米诺等离子波导的结构尺寸，进而实现微波段或太赫兹波段空间导波到SSPPs的转化，进一步丰富空间导波到SSPPs转化的波导类型和方式，实现等离子超材料在高端平面或集成电路中更为广泛的应用。

本发明具有如下有益效果：