人工表面等离子激元的隧穿效应及其工作方法与流程

本发明属于导波结构技术领域，具体指代一种基于零等效介电常数材料的人工表面等离子激元的隧穿效应及工作方法。

背景技术：

表面等离子激元(surfaceplasmonpolaritons,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spps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。

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(spoofsurfaceplasmonpolaritons,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。

隧穿效应一般存在于光波段，在填满零介电常数材料的通道里，电磁波能被挤压进通道，且在通道里电磁波的波长无限长，因此可以实现远距离的高效传输。2006年至今，engheta等人提出可以利用超材料或者等效媒质的概念，使得一些材料等效介电常数接近零，实现微波段电磁波的隧穿效应。为了解决sspps的远距离传输及弯道传输面临的高损耗问题，可以将sspps与隧穿结合，实现了sspps的隧穿。

技术实现要素：

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种人工表面等离子激元的隧穿效应及其工作方法，以解决现有技术中人工表面等离子激元远距离传输及弯道传输面临的高损耗问题，本发明可以显著降低人工表面等离子激元传输过程中损耗，实现人工表面等离子激元的远距离传输及弯道传输。

为达到上述目的，本发明的一种人工表面等离子激元的隧穿效应，包括：矩形波导、过渡波导、支持人工表面等离子激元的等离子波导，以及中间填满零等效介电常数的材料的隧穿通道，其中，矩形波导，过渡波导以及等离子波导依序连接，且分别沿隧穿通道对称设置；及

矩形波导的金属上壁被部分抠除，并在金属上壁被抠除的部分沿z方向周期排列金属条，形成过渡波导与等离子波导。

优选地，所述的矩形波导内填充介电常数为εr的介质，任意一端的矩形波导作为导波信号的输入端，另一端的矩形波导作为输出端。

优选地，所述的过渡波导上的金属条宽度由0连续变化到w。

优选地，所述的等离子波导上的金属条宽度为w。

优选地，分别用长度为l4、宽度为wc的倒u型、h型、u型隧穿通道连接等离子波导，矩形波导、过渡波导及等离子波导中填充了介电常数为εr1的介质，隧穿通道填充了相对介电常数为εr2的介质，其等效介电常数为零，并且在两种介质的交界面处中周期排列了金属条。

一种人工表面等离子激元的隧穿效应的工作方法，包括步骤如下：

矩形波导内的te10模式转换成人工表面等离子激元，在隧穿通道的作用下，产生的人工表面等离子激元从隧穿通道一端隧穿到另一端，并在对称的等离子波导的作用下，再转换成人工表面等离子激元的传输；隧穿的效果不受形状的影响，在90度弯折的隧穿通道内进行高效的传输。

本发明的有益效果：

1.本发明的人工表面等离子波导，可以在宽带内支持人工表面等离子激元的高效传输。

2.本发明具有尺寸小，方便集成，应用广泛的特点，等离子波导通过周期性的孔缝，实现te10模式到人工表面等离子激元的转化，可以广泛的应用于基片集成波导、圆波导，椭圆波导。

3.本发明的提出的人工表面等离子激元的隧穿效应，不仅支持了人工表面等离子激元的传输，同时也可以支持人工表面等离子激元的隧穿，解决人工表面等离子激元在远距离传输及弯道传输下高损耗的问题，为微波段的导波结构设计提供了一个新的思路。

4.本发明可以在隧穿通道的横向尺寸固定时，通过改变隧穿通道内的介质的介电常数，来调节人工表面等离子激元隧穿的频点；在矩形波导的几何尺寸及隧穿通道的介电常数固定时，隧穿的频率不受通道的长度及几何形状影响，可以在同样的频点下实现在人工表面等离子激元的弯道传输。

附图说明

图1为本发明等离子波导的整体模型结构示意图。

图2为图1的a部俯视放大图。

图3为等离子波导结构单元的示意图。

图4a为图2中w变化对其色散特性的影响曲线图。

图4b为图2中p变化对其色散特性的影响曲线图。

图4c为图2中b变化对其色散特性的影响曲线图。

图4d为图2中d/p变化对其色散特性影响曲线图。

图5为等离子波导的s参数效果图。

图6a为连接倒u型隧穿通道的等离子波导剖面侧视图。

图6b为连接h型隧穿通道的等离子波导剖面侧视图。

图6c为连接u型隧穿通道的等离子波导剖面侧视图。

图7为连接隧穿通道的等离子波导的s参数效果图。

图8为连接90度弯折的隧穿通道的等离子波导剖面侧视图。

图9为连接90度弯折的隧穿通道的等离子波导的s参数效果图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

本发明的一种人工表面等离子激元的隧穿效应，包括：矩形波导、过渡波导、支持人工表面等离子激元的等离子波导，以及中间填满零等效介电常数的材料的隧穿通道，其中，矩形波导，过渡波导以及等离子波导依序连接，且分别沿隧穿通道对称设置；及

矩形波导的金属上壁被部分抠除，并在金属上壁被抠除的部分沿z方向周期排列金属条，形成过渡波导与等离子波导。

其中，所述的矩形波导内填充介电常数为εr的介质，任意一端的矩形波导作为导波信号的输入端，另一端的矩形波导作为输出端。

其中，所述的过渡波导上的金属条宽度由0连续变化到w。

其中，所述的等离子波导上的金属条宽度为w。

其中，分别用长度为l4、宽度为wc的倒u型、h型、u型隧穿通道连接等离子波导，矩形波导、过渡波导、等离子波导中填充了介电常数为εr1的介质，隧穿通道填充了相对介电常数为εr2的介质，其有效介电常数为零，并且在两种介质的交界面处中周期排列了金属条。因此，等离子波导激励出的人工表面等离子激元从隧穿通道内隧穿过去，并在对称结构的作用下再次转换成人工表面等离子激元。

实施例一

对支持人工表面等离子激元隧穿的原始等离子波导进行分析，该等离子波导如图1、图2，端口尺寸为a*b＝22.86*10.16mm²，其主要由三个部分组成，分别是两端的矩形波导(区域i)，过渡波导波导(区域ii)，及等离子波导(区域iii)。矩形波导的长度为l1＝a，过渡波导长度为l2＝2a，等离子波导长度为l3＝3a。等离子波导的结构单元如图3，矩形波导的金属上壁被抠除，并通过一个金属条连接，其几何尺寸主要由几个参数决定，分别是横截面的尺寸a与b，缝的宽度w，周期p，以及金属条的宽度d。如图4a、图4b、图4c、图4d所示，改变不同参数对结构单元进行了色散仿真，结果显示决定色散渐近频率的主要是缝的宽度w，及周期p，厚度b及金属条的宽度d的变化对色散几乎没有影响。根据缝宽w对色散的影响，设计出过渡结构，金属条宽度从0连续变化到7a/9，实现矩形波导转换到等离子波导之间的波数匹配，从而使得te10模式高效地转换到人工表面等离子激元。这里将b固定为10.16mm，周期p固定为a/20，金属棒的宽度d固定为a/100，图5为上述参数下由电磁仿真软件计算出的该等离子波导的传输系数和反射系数，其截止频率与此参数下结构单元的色散关系相吻合。在3.32ghz到5.24ghz之间，s11均小于-15db的,证明了te10能够高效地转换到人工表面等离子激元，并且支持人工表面等离子激元在宽带内高效传输。

实施例二

如图6a-图6c所示，将填满零有效介电常数材料的隧穿通道与等离子波导连接，对倒u型通道、h型通道、u型通道进行分析，分别对应模型1(model1)、模型2(model2)、模型3(model3)，隧穿通道的长度为l4＝4a、宽度为wc＝a/4，此处等离子波导内填充的介质为εr1＝4，隧穿通道内填充相对介电常数为εr2＝2.4的介质，并在两种介质的交界面处周期排列了金属条。根据公式可计算出产生隧穿效应的频点约为4.24ghz。利用电磁仿真软件可得出如图7的传输系数(s21)及反射系数(s11)，图中曲线1-曲线3分别对应模型1-模型3。三条传输系数曲线中均出现了两个传输峰值，且第一个传输峰值都出现在4.24ghz，与理论计算吻合。为了验证第二个传输峰值与隧穿效应无关，将模型1中隧穿通道的长度l4增大到4a，其传输系数曲线及反射系数曲线对应图7中的曲线4，很明显第二个传输峰值向低频段进行了偏移，证明该传输峰值是fabry-perot效应导致的，与隧穿效应无关。

实施例三

为了进一步验证人工表面等离子激元的隧穿效应不受通道几何形状的影响，如图8所示，保持隧穿通道总长度l4与模型3一致，对实施例二中的倒u型隧穿通道进行了90度的弯折，此处隧穿通道内填充依旧是相对介电常数为2.4的介质，该模型的传输系数曲线及反射系数曲线如图9所示，出现了两个传输峰值，第一个传输峰值仍在4.24ghz，与实施例二中的前三个模型的结果是一致的，证明人工表面等离子激元是能够进行弯道隧穿的。

一种人工表面等离子激元的隧穿效应的工作方法，包括步骤如下：

矩形波导内的te10模式转换成人工表面等离子激元，在隧穿通道的作用下，产生的人工表面等离子激元从隧穿通道一端隧穿到另一端，并在对称的等离子波导的作用下，再转换成人工表面等离子激元的传输；隧穿的效果不受形状的影响，在90度弯折的隧穿通道内进行高效的传输。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。