[发明专利]一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器及耦合方法

说明书

本发明公开了一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器及耦合方法。本发明采用TEM模式压缩器、模式匹配器和表面模式辐射器，并合理选择这三部分结构的参数，极大地提高了从TEM模式到类表面等离子体激元模式的转换效率，同时拓宽了类表面等离子体激元模式的激发带宽，这对类表面等离子体激元波导这一新型波导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，从而降低了耦合器引入的电磁能量损耗；同时，本发明的耦合器加工方便且易于集成。

技术领域

本发明涉及太赫兹无源器件领域，尤其涉及一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器及耦合方法。

背景技术

太赫兹(THz)频谱范围为0.1THz～10THz，由于其丰富的可利用的频谱资源以及太赫兹波的独有特性，近年来太赫兹技术得到了迅猛的发展。其中，最典型的应用包括太赫兹通信以及太赫兹成像。而太赫兹波导器件在这些应用当中有着不可或缺的地位。但是，传统的矩形波导、圆波导以及同轴线的尺寸和频率具有共度性，其性能参数极大地受到加工精度的影响。最新的研究发现，基于类表面等离子体激元所产生的表面波也可以实现太赫兹波段的能量传导。所谓类表面等离子体激元指的是，当电磁波在具有亚波长周期性刻蚀纹路的良导体表面上传播时，电磁波被调控以一种类似于载流子集体振荡诱发的表面波形式进行传输。最常见的能够激发类表面等离子体激元的器件包括平面型亚波长金属光栅以及亚波长金属褶皱线。电磁波在这些新型波导上传输时能量极大程度地局附在波导表面。因此这种波导是一种开放型波导器件，和传统波导器件相比，其能量传输的效率更高，更容易加工，结构更加紧凑，且其性能参数受结构的变形的影响更小。

但是，在这种新型波导上传输的表面波波矢和导行波波矢不匹配，因此当这种新型波导与传统波导直接连接时，在接口处会有强烈的反射，从而造成导行波能量不能以很高的效率耦合到表面波上去。为实现导行波和表面波之间的波矢匹配，最常见的解决方案是利用棱镜耦合、光栅耦合、单缝耦合以及探针耦合。棱镜耦合的基本原理是电磁波在介质与空气界面发生全反射从而产生与类表面等离子体激元相匹配的表面波。光栅耦合的基本原理是在导行波的波矢上叠加光栅的等效波矢实现波矢匹配。后两种耦合方式是通过激发高次空间波矢分量的空间谐波实现类表面等离子体激元的激发。问题是，这些耦合方式的耦合效率都比较低，且耦合带宽比较受限。同时提高类表面等离子体激元的耦合效率及耦合带宽将会使得基于类表面等离子体激元的新型太赫兹波导能够胜任更加复杂的应用环境。

为此，设计一种超宽带和高效率的类表面等离子体激元耦合器对基于类表面等离子体激元的新型太赫兹波导(也就是类表面等离子体激元波导)在实际中的应用具有广泛而深远的意义。

发明内容

针对目前现有的类表面等离子体激元耦合技术中存在的低效率及窄带宽问题，本发明提供了一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器，能够在太赫兹波段实现类表面等离子体激元波导与传统同轴线波导的超宽带平滑高效率连接，为类表面等离子体激元波导在实际中的应用提供了技术支撑。

本发明的一个目的在于提供一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器。