[发明专利]一种基于特异界面的表面等离激元的耦合器

说明书

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种表面等离基元耦合器。

背景技术

表面等离激元（Surface plasmon polariton）简称SPP，有别于直接在空气中传播的平面电磁波，SPP是一种束缚在空气与介质表面的一种电磁波传播模式。SPP在传播过程中，束缚在界面的电磁场来源于界面的电荷周期振荡，电荷振荡的速度和范围决定了SPP的传播动量（切向波矢）和频率，而且SPP的切向波矢永远大于同频率下空气中的传播波矢。另外SPP的电磁场强度在离开界面后，无论在空气还是介质中都是以指数形式衰减，所以远场是无法探知到SPP，一般都是通过近场，即贴近界面来测量SPP的传播性质。正是因为SPP的这个属性，使得它能在许多不同的领域得到广泛的应用，例如超衍射极限成像，等离基元激光，局域场增强，半开放波导，信息储存，非线性光学等领域。

可是由于SPP的波矢与空气中传播波矢的不匹配，因此利用平面波直接在介质表面耦合生成SPP的效率一直不是很高。常规的方法一般分为两大类，第一类是利用棱镜耦合的方式，不过因为棱镜是双向的耦合器，它在把平面波偶合成SPP的同时，也可以把SPP反向耦合成平面波，所以无法根本解决效率低下的问题；另一种是利用光栅衍射耦合方式，不过由于光栅能够支持多种模式的相互转化，因此其中成功转化为SPP的能量只占入射波的一小部分，其整体耦合效率也不高。

因此，想要根本解决耦合效率的难题，必须探索出新的方法，而能够自由的调控透射波的“特异界面”（Meta-surface）是一种不错的理念。特异界面是由不同的电磁共振单元按特定形式，二维排列而成的体系，且厚度远小于工作波长。特异界面中的每个共振单元可以独立的控制此坐标下入射电磁波的透反射信息，包括幅值和相位。那么每个电磁共振结构可以视作为一个次波源，而根据惠更斯原理，辐射源上的每一个次波源辐射出的球面波的等相位面生成一个整体的波前，从而决定此辐射源传播波的方向。所以如果可以合理的调节每个次波源的初始相位，即可调控整体的透射波或反射波的方向。特异界面本质上类似于相控阵天线，不过两者区别在于，相控天线通过使用功率分配器和移相器等设备主动调控每个辐射天线的功率和相位，而特异界面是通过电磁共振结构，从材料本身预先设置好透射率和透射相位，当有平面波照射在特异界面上时，每一块特定设计的电磁结构立即体现其对入射波的调控能力，从而控制整体的透射波的行为，是一个被动行为。不过由于特异界面没有各种附属设备，其空间体积是非常小的，这是其最大优势。

如何高效的操控透过特异界面的透射波，使之能够高效的转化为表面波，涉及到许多具体的设计理念与方法，将在发明内容中详细阐述。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于“特异界面”的表面等离激元（SPP）的高效耦合器，此器件可以把9.2GHz的平面波高效的转化为表面等离激元。

我们知道平面波到SPP的耦合难度主要是因为波矢切向分量不匹配，所以需要通过特异界面来补偿平面波所不足的波矢切向分量。例如特异界面可以把正入射平面波（电场在x轴，磁场在y轴，入射方向在z轴）转化为透射率为100%的P波偏振斜出射（电场在xz平面，磁场仍然在y轴，斜出射方向在xz平面），这需要平行于x轴的电磁共振结构，能够使各自的透射相位沿着空间坐标线性变化，并且每一个独立的共振结构都有100%的透射率。所以显然，这个线性变化的斜率值越大，即表示特异界面给透射波提供越大的波矢切向分量，即斜出射角度越大。根据Snell定律，当斜率超过某个临界值之后，斜出射角已经大于90度，透射波便不再以传播波的形式出射到空气中，而是以表面波的形式暂时存在于特异界面表面。

因为这些由透射相位耦合出的表面波并不是特异界面的本征传播形式，所以表面波不能在特异界面上传播，而是会受到特异界面中的电磁共振结构的散射，使其能量散射回空气中。但是这些表面波的平行波矢已经大于空气中的传播波，可以与SPP的波矢相匹配，所以我们只需在特异界面感应出表面波的一面，贴近一块支持SPP传播的介质板，这些由平面波耦合得到的表面波通过近场耦合，成为传播板上的SPP。

本发明设计的“特异界面”（Meta-surface）要求能够把入射的平面波先转化为透射表面波，再用一块特定的SPP本征材料，使表面波耦合成SPP，实现平面波到SPP的高效转化。

基于上述思想，本发明设计的基于“特异界面”的表面等离激元（SPP）的高效耦合器，其结构包括：一“特异界面”，一传播板；