[发明专利]一种人工表面等离子体耦合谐振腔波导

说明书

技术领域

本发明属于人工表面等离子体器件领域，具体涉及一种人工表面等离子体耦合谐振腔波导。

背景技术

表面等离子体(光波段存在于金属介质交界面的一种表面电磁波)被广泛认为是一种非常有希望作为未来亚波长太赫兹和光学全光集成电路的信息载体。但是在低频波段，例如微波、太赫兹以及远红外波段，金属的介电常数接近完美金属，所以电磁波在金属表面的约束很差，不能作为一种有效的信息载体来传导信号。2004年帝国理工大学的pendry教授提出了人工表面等离子体的概念，即在金属表面引入孔洞来增加电磁波的趋肤深度，从而增加电磁波在金属表面的约束。

传统的人工表面等离子体波导，例如多米诺人工表面等离子体波导(domino surface plasmon waveguide)和共面人工表面等离子体波导(conformal surface plasmon wavegudie)，都可以把电磁波约束在金属表面亚波长的范围内传输。然而对于传统的人工表面等离子体波导，由于表面电磁波在通过无弯曲半径的弯曲波导时通常会产生严重的散射，不仅会降低信号的传输效率，而且会在不同集成器件中产生严重的信号串扰，极大地限制了亚波长太赫兹和光学集成全光电路的发展。

发明内容

本发明中首次提出了一种人工表面等离子体耦合谐振腔波导的概念并成功实现了表面电磁波在通过无弯曲半径的波导时无反射、无散射的完美传输。我们的解决方案是利用一种支持多极谐振腔模式的表面等离子体谐振腔之间的弱耦合来传导表面电磁波。由于多极模式的旋转对称性，比如四阶和八阶模式的四重旋转对称性，表面电磁波在通过由该谐振腔构成的无弯曲半径的弯曲波导时不会产生反射和散射，从而实现信号在较宽的带宽内的完美传输。

本发明的人工表面等离子体耦合谐振腔波导由人工表面等离子体振腔排列组成，所述的人工表面等离子体振腔为印刷在介质底板上的铜片栅格或支持磁偶极子模式的金属螺旋结构。

优选的，所述的印刷在介质底板上的铜片栅格包括圆形铜片和环绕布置在铜片周围的栅格；该表面等离子体谐振腔各几何尺寸之间的关系为：2πR＝N*d, 其中R为谐振腔半径，N为栅格数目，d为栅格之间的周期。栅格与栅格之间的最大缝隙宽度a＝d/2。

优选的，所述的栅格之间的周期d＝1.256mm，栅格之间的缝隙宽度 a＝0.628mm，栅格的长度r＝9mm，整个铜盘的半径为R＝12mm，铜片厚度为 0.018mm，介质底板的厚度为0.254mm。

优选的，所述的支持磁偶极子模式的金属螺旋结构包含一个螺旋中心和多根金属螺旋臂；所述的多根金属螺旋臂旋向和结构相同，并均匀连接在螺旋中心上。

更进一步的，所述的多根金属螺旋臂遵循阿基米德螺旋线规律，其极坐标方程为:r＝aθ；相邻臂间的距离相等，为2πa，其中a为常数。

优选的，所述的相邻人工表面等离子体谐振腔边缘之间的间距为1‐10mm。

基于上述的人工表面等离子体耦合谐振腔波导结构，本发明公开了一种直波导，其特征在于所述的人工表面等离子体振腔排列在一条直线上。

一种弯曲波导，其特征在于所述的人工表面等离子体振腔排列在一条曲线上。

一种无弯曲半径的直角波导，其特征在于所述的人工表面等离子体振腔排列在一条无弯曲半径的直角折线上。

一种复合波导，其特征在于由任意数量的直波导、弯曲波导或无弯曲半径的直角波导按任意次序排列而成。

本发明提出了一种不同于传统人工表面等离子体波导的波导结构及多种实现方式，该波导是通过表面等离子体谐振腔之间的弱耦合来实现表面电磁波的传输的。由于该表面等离子体谐振腔支持具有四重旋转对称性的四阶谐振模式和八阶谐振模式，所以表面电磁波在通过由该谐振腔组成的无弯曲半径的弯曲波导时不会发生反射和散射，从而实现表面电磁波的完美传输，为未来高度集成的等离子体电路提供了一种新的集成平台。

附图说明

图1单个铜片栅格表面等离子体谐振腔示意图。

图2(a)人工表面等离子体耦合谐振腔直波导。

图2(b)正向激发和侧向激发时该人工表面等离子体耦合谐振腔直波导所支持的四阶模式，六阶模式，八阶模式的色散曲线。

图2(c)该人工表面等离子体耦合谐振腔波导所支持的四阶模式，六阶模式，八阶模式的近场传输谱曲线。

图2(d)-(g)为该耦合谐振腔直波导所支持的四阶模式，六阶模式，八阶模式的电场分布图。其中六阶模式有两种不同的激发方式，分别是正向激发和侧向激发。