本發(fā)明屬于導(dǎo)波結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，具體指代一種基于零等效介電常數(shù)材料的人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)及工作方法。

背景技術(shù)：

表面等離子激元(surfaceplasmonpolaritons,簡(jiǎn)稱spps)是金屬表面自由電子和入射光子相互耦合形成的一種非輻射電磁模式，它是局域在金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波。金屬表面自由電子在入射光場(chǎng)的激勵(lì)下集體相干振蕩，入射光的電磁場(chǎng)和表面電荷的共振相互作用產(chǎn)生了spps并賦予它獨(dú)特的性質(zhì)。spps可以將光學(xué)控制的維度從三維降為二維，實(shí)現(xiàn)納米尺度超衍射極限光傳輸?shù)挠行д{(diào)控，同時(shí)可在納米尺度上實(shí)現(xiàn)電磁能量的局域匯聚放大。

為了在低頻段(微波或太赫茲波段)實(shí)現(xiàn)光波段的spps現(xiàn)象并利用其優(yōu)越性能實(shí)現(xiàn)低頻段的等離子超材料器件，2004年，pendry等人首次提出一種金屬人工表面和人工表面等離子激元(spoofsurfaceplasmonpolaritons,簡(jiǎn)稱sspps)的全新概念。在微波或太赫茲波段，金屬被假設(shè)成理想導(dǎo)體，光滑的金屬表面是完全不能傳輸spps的，然而，在金屬表面刻蝕周期性分布的孔洞后(孔洞的尺寸和深度均處于亞波長(zhǎng)狀態(tài))，其表面不僅可以傳播類似光波段spps現(xiàn)象，還可以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)的亞波長(zhǎng)約束，增強(qiáng)電磁波的滲透作用，從而等效地降低了金屬表層的等離子頻率，并且周期性結(jié)構(gòu)表層的等效等離子頻率可以通過(guò)改變周期性結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來(lái)任意調(diào)控，首次解決了低頻段spps無(wú)法產(chǎn)生的關(guān)鍵性難題。2005年，hibbins等人在微波段用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了sspps現(xiàn)象，為人工表面等離子激元技術(shù)在低頻段的廣泛應(yīng)用提供了可能，也激發(fā)了全世界學(xué)者對(duì)sspps的重要應(yīng)用前景的高度關(guān)注和廣泛研究。

隧穿效應(yīng)一般存在于光波段，在填滿零介電常數(shù)材料的通道里，電磁波能被擠壓進(jìn)通道，且在通道里電磁波的波長(zhǎng)無(wú)限長(zhǎng)，因此可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的高效傳輸。2006年至今，engheta等人提出可以利用超材料或者等效媒質(zhì)的概念，使得一些材料等效介電常數(shù)接近零，實(shí)現(xiàn)微波段電磁波的隧穿效應(yīng)。為了解決sspps的遠(yuǎn)距離傳輸及彎道傳輸面臨的高損耗問(wèn)題，可以將sspps與隧穿結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了sspps的隧穿。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)及其工作方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中人工表面等離子激元遠(yuǎn)距離傳輸及彎道傳輸面臨的高損耗問(wèn)題，本發(fā)明可以顯著降低人工表面等離子激元傳輸過(guò)程中損耗，實(shí)現(xiàn)人工表面等離子激元的遠(yuǎn)距離傳輸及彎道傳輸。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一種人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)，包括：矩形波導(dǎo)、過(guò)渡波導(dǎo)、支持人工表面等離子激元的等離子波導(dǎo)，以及中間填滿零等效介電常數(shù)的材料的隧穿通道，其中，矩形波導(dǎo)，過(guò)渡波導(dǎo)以及等離子波導(dǎo)依序連接，且分別沿隧穿通道對(duì)稱設(shè)置；及

矩形波導(dǎo)的金屬上壁被部分摳除，并在金屬上壁被摳除的部分沿z方向周期排列金屬條，形成過(guò)渡波導(dǎo)與等離子波導(dǎo)。

優(yōu)選地，所述的矩形波導(dǎo)內(nèi)填充介電常數(shù)為εr的介質(zhì)，任意一端的矩形波導(dǎo)作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入端，另一端的矩形波導(dǎo)作為輸出端。

優(yōu)選地，所述的過(guò)渡波導(dǎo)上的金屬條寬度由0連續(xù)變化到w。

優(yōu)選地，所述的等離子波導(dǎo)上的金屬條寬度為w。

優(yōu)選地，分別用長(zhǎng)度為l4、寬度為wc的倒u型、h型、u型隧穿通道連接等離子波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)、過(guò)渡波導(dǎo)及等離子波導(dǎo)中填充了介電常數(shù)為εr1的介質(zhì)，隧穿通道填充了相對(duì)介電常數(shù)為εr2的介質(zhì)，其等效介電常數(shù)為零，并且在兩種介質(zhì)的交界面處中周期排列了金屬條。

一種人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)的工作方法，包括步驟如下：

矩形波導(dǎo)內(nèi)的te10模式轉(zhuǎn)換成人工表面等離子激元，在隧穿通道的作用下，產(chǎn)生的人工表面等離子激元從隧穿通道一端隧穿到另一端，并在對(duì)稱的等離子波導(dǎo)的作用下，再轉(zhuǎn)換成人工表面等離子激元的傳輸；隧穿的效果不受形狀的影響，在90度彎折的隧穿通道內(nèi)進(jìn)行高效的傳輸。

本發(fā)明的有益效果：

1.本發(fā)明的人工表面等離子波導(dǎo)，可以在寬帶內(nèi)支持人工表面等離子激元的高效傳輸。

2.本發(fā)明具有尺寸小，方便集成，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)，等離子波導(dǎo)通過(guò)周期性的孔縫，實(shí)現(xiàn)te10模式到人工表面等離子激元的轉(zhuǎn)化，可以廣泛的應(yīng)用于基片集成波導(dǎo)、圓波導(dǎo)，橢圓波導(dǎo)。

3.本發(fā)明的提出的人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)，不僅支持了人工表面等離子激元的傳輸，同時(shí)也可以支持人工表面等離子激元的隧穿，解決人工表面等離子激元在遠(yuǎn)距離傳輸及彎道傳輸下高損耗的問(wèn)題，為微波段的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。

4.本發(fā)明可以在隧穿通道的橫向尺寸固定時(shí)，通過(guò)改變隧穿通道內(nèi)的介質(zhì)的介電常數(shù)，來(lái)調(diào)節(jié)人工表面等離子激元隧穿的頻點(diǎn)；在矩形波導(dǎo)的幾何尺寸及隧穿通道的介電常數(shù)固定時(shí)，隧穿的頻率不受通道的長(zhǎng)度及幾何形狀影響，可以在同樣的頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)在人工表面等離子激元的彎道傳輸。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明等離子波導(dǎo)的整體模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1的a部俯視放大圖。

圖3為等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)單元的示意圖。

圖4a為圖2中w變化對(duì)其色散特性的影響曲線圖。

圖4b為圖2中p變化對(duì)其色散特性的影響曲線圖。

圖4c為圖2中b變化對(duì)其色散特性的影響曲線圖。

圖4d為圖2中d/p變化對(duì)其色散特性影響曲線圖。

圖5為等離子波導(dǎo)的s參數(shù)效果圖。

圖6a為連接倒u型隧穿通道的等離子波導(dǎo)剖面?zhèn)纫晥D。

圖6b為連接h型隧穿通道的等離子波導(dǎo)剖面?zhèn)纫晥D。

圖6c為連接u型隧穿通道的等離子波導(dǎo)剖面?zhèn)纫晥D。

圖7為連接隧穿通道的等離子波導(dǎo)的s參數(shù)效果圖。

圖8為連接90度彎折的隧穿通道的等離子波導(dǎo)剖面?zhèn)纫晥D。

圖9為連接90度彎折的隧穿通道的等離子波導(dǎo)的s參數(shù)效果圖。

具體實(shí)施方式

為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。

本發(fā)明的一種人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)，包括：矩形波導(dǎo)、過(guò)渡波導(dǎo)、支持人工表面等離子激元的等離子波導(dǎo)，以及中間填滿零等效介電常數(shù)的材料的隧穿通道，其中，矩形波導(dǎo)，過(guò)渡波導(dǎo)以及等離子波導(dǎo)依序連接，且分別沿隧穿通道對(duì)稱設(shè)置；及

矩形波導(dǎo)的金屬上壁被部分摳除，并在金屬上壁被摳除的部分沿z方向周期排列金屬條，形成過(guò)渡波導(dǎo)與等離子波導(dǎo)。

其中，所述的矩形波導(dǎo)內(nèi)填充介電常數(shù)為εr的介質(zhì)，任意一端的矩形波導(dǎo)作為導(dǎo)波信號(hào)的輸入端，另一端的矩形波導(dǎo)作為輸出端。

其中，所述的過(guò)渡波導(dǎo)上的金屬條寬度由0連續(xù)變化到w。

其中，所述的等離子波導(dǎo)上的金屬條寬度為w。

其中，分別用長(zhǎng)度為l4、寬度為wc的倒u型、h型、u型隧穿通道連接等離子波導(dǎo)，矩形波導(dǎo)、過(guò)渡波導(dǎo)、等離子波導(dǎo)中填充了介電常數(shù)為εr1的介質(zhì)，隧穿通道填充了相對(duì)介電常數(shù)為εr2的介質(zhì)，其有效介電常數(shù)為零，并且在兩種介質(zhì)的交界面處中周期排列了金屬條。因此，等離子波導(dǎo)激勵(lì)出的人工表面等離子激元從隧穿通道內(nèi)隧穿過(guò)去，并在對(duì)稱結(jié)構(gòu)的作用下再次轉(zhuǎn)換成人工表面等離子激元。

實(shí)施例一

對(duì)支持人工表面等離子激元隧穿的原始等離子波導(dǎo)進(jìn)行分析，該等離子波導(dǎo)如圖1、圖2，端口尺寸為a*b＝22.86*10.16mm²，其主要由三個(gè)部分組成，分別是兩端的矩形波導(dǎo)(區(qū)域i)，過(guò)渡波導(dǎo)波導(dǎo)(區(qū)域ii)，及等離子波導(dǎo)(區(qū)域iii)。矩形波導(dǎo)的長(zhǎng)度為l1＝a，過(guò)渡波導(dǎo)長(zhǎng)度為l2＝2a，等離子波導(dǎo)長(zhǎng)度為l3＝3a。等離子波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)單元如圖3，矩形波導(dǎo)的金屬上壁被摳除，并通過(guò)一個(gè)金屬條連接，其幾何尺寸主要由幾個(gè)參數(shù)決定，分別是橫截面的尺寸a與b，縫的寬度w，周期p，以及金屬條的寬度d。如圖4a、圖4b、圖4c、圖4d所示，改變不同參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行了色散仿真，結(jié)果顯示決定色散漸近頻率的主要是縫的寬度w，及周期p，厚度b及金屬條的寬度d的變化對(duì)色散幾乎沒(méi)有影響。根據(jù)縫寬w對(duì)色散的影響，設(shè)計(jì)出過(guò)渡結(jié)構(gòu)，金屬條寬度從0連續(xù)變化到7a/9，實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換到等離子波導(dǎo)之間的波數(shù)匹配，從而使得te10模式高效地轉(zhuǎn)換到人工表面等離子激元。這里將b固定為10.16mm，周期p固定為a/20，金屬棒的寬度d固定為a/100，圖5為上述參數(shù)下由電磁仿真軟件計(jì)算出的該等離子波導(dǎo)的傳輸系數(shù)和反射系數(shù)，其截止頻率與此參數(shù)下結(jié)構(gòu)單元的色散關(guān)系相吻合。在3.32ghz到5.24ghz之間，s11均小于-15db的,證明了te10能夠高效地轉(zhuǎn)換到人工表面等離子激元，并且支持人工表面等離子激元在寬帶內(nèi)高效傳輸。

實(shí)施例二

如圖6a-圖6c所示，將填滿零有效介電常數(shù)材料的隧穿通道與等離子波導(dǎo)連接，對(duì)倒u型通道、h型通道、u型通道進(jìn)行分析，分別對(duì)應(yīng)模型1(model1)、模型2(model2)、模型3(model3)，隧穿通道的長(zhǎng)度為l4＝4a、寬度為wc＝a/4，此處等離子波導(dǎo)內(nèi)填充的介質(zhì)為εr1＝4，隧穿通道內(nèi)填充相對(duì)介電常數(shù)為εr2＝2.4的介質(zhì)，并在兩種介質(zhì)的交界面處周期排列了金屬條。根據(jù)公式可計(jì)算出產(chǎn)生隧穿效應(yīng)的頻點(diǎn)約為4.24ghz。利用電磁仿真軟件可得出如圖7的傳輸系數(shù)(s21)及反射系數(shù)(s11)，圖中曲線1-曲線3分別對(duì)應(yīng)模型1-模型3。三條傳輸系數(shù)曲線中均出現(xiàn)了兩個(gè)傳輸峰值，且第一個(gè)傳輸峰值都出現(xiàn)在4.24ghz，與理論計(jì)算吻合。為了驗(yàn)證第二個(gè)傳輸峰值與隧穿效應(yīng)無(wú)關(guān)，將模型1中隧穿通道的長(zhǎng)度l4增大到4a，其傳輸系數(shù)曲線及反射系數(shù)曲線對(duì)應(yīng)圖7中的曲線4，很明顯第二個(gè)傳輸峰值向低頻段進(jìn)行了偏移，證明該傳輸峰值是fabry-perot效應(yīng)導(dǎo)致的，與隧穿效應(yīng)無(wú)關(guān)。

實(shí)施例三

為了進(jìn)一步驗(yàn)證人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)不受通道幾何形狀的影響，如圖8所示，保持隧穿通道總長(zhǎng)度l4與模型3一致，對(duì)實(shí)施例二中的倒u型隧穿通道進(jìn)行了90度的彎折，此處隧穿通道內(nèi)填充依舊是相對(duì)介電常數(shù)為2.4的介質(zhì)，該模型的傳輸系數(shù)曲線及反射系數(shù)曲線如圖9所示，出現(xiàn)了兩個(gè)傳輸峰值，第一個(gè)傳輸峰值仍在4.24ghz，與實(shí)施例二中的前三個(gè)模型的結(jié)果是一致的，證明人工表面等離子激元是能夠進(jìn)行彎道隧穿的。

一種人工表面等離子激元的隧穿效應(yīng)的工作方法，包括步驟如下：

矩形波導(dǎo)內(nèi)的te10模式轉(zhuǎn)換成人工表面等離子激元，在隧穿通道的作用下，產(chǎn)生的人工表面等離子激元從隧穿通道一端隧穿到另一端，并在對(duì)稱的等離子波導(dǎo)的作用下，再轉(zhuǎn)換成人工表面等離子激元的傳輸；隧穿的效果不受形狀的影響，在90度彎折的隧穿通道內(nèi)進(jìn)行高效的傳輸。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。