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
【技术领域】
[0001] 本发明设及太赫兹无源器件领域，尤其设及一种超宽带太赫兹类表面等离子体激 元禪合器及禪合方法。
【背景技术】
[0002] 太赫兹(T化)频谱范围为0.1 T化~IOTHz，由于其丰富的可利用的频谱资源W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W及太赫兹成像。而太赫兹波导器件在运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W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W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W-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W及 亚波长金属權皱线。电磁波在运些新型波导上传输时能量极大程度地局附在波导表面。因 此运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。
[0003] 但是，在运种新型波导上传输的表面波波矢和导行波波矢不匹配，因此当运种新 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W很 高的效率禪合到表面波上去。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 是利用棱镜禪合、光栅禪合、单缝禪合W及探针禪合。棱镜禪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。光栅禪合的基本 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。后两种禪合方式是通过激发 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，运些禪合方式的 禪合效率都比较低，且禪合带宽比较受限。同时提高类表面等离子体激元的禪合效率及禪 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。
[0004] 为此，设计一种超宽带和高效率的类表面等离子体激元禪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】
[0005] 针对目前现有的类表面等离子体激元禪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禪合器，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。
[0006] 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禪合器。
[0007] 本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元禪合器包括:TCM模式压缩器、模式匹 配器和表面模式福射器，立者沿横电磁波TEM的传播方向依次连接为一体，夕F层为中空金属 套筒；中空金属套筒的中间具有通孔;通孔包括沿传播方向连接为一体的=部分:第一通 孔、第二通孔和第=通孔;第一通孔的直径沿传播方向逐渐变小，内部设置有圆柱状的金属 内忍，构成TOM模式压缩器，实现与上一级的同轴线波导的平滑对接，同时由上一级的同轴 线波导传递过来的TOM模式经TCM模式压缩器，能量压缩到亚波长尺度范围；第二通孔的直 径沿传播方向不变，内部设置有槽深渐变金属皱權内忍，槽深渐变金属皱權内忍为在圆柱 状的金属内忍的外表面具有周期性的圆环状的同轴凹槽，凹槽的深度沿传播方向逐渐变 深，构成模式匹配器，能量压缩后的TCM电磁波经模式匹配器，转换成特定的类表面等离子 体激元模式;第=通孔的直径沿传播方向逐渐变大，呈开口卿趴状，内部设置有槽深均匀金 属皱權内忍，槽深均匀金属皱權内忍为在圆柱状的金属内忍的外表面具有周期性的圆环状 的同轴凹槽，凹槽的深度沿传播方向不变，构成表面模式福射器，类表面等离子体激元模式 经表面模式福射器后高效地禪合入下一级的类表面等离子体激元波导中。
[0008] 要想实现下一级的类表面等离子体激元波导与上一级的同轴线波导之间平滑连 接，关键是要解决横电磁TEM模式与类表面等离子体激元模式之间的波矢匹配问题。当下一 级的类表面等离子体激元波导内的周期性的圆环状的同轴凹槽的参数确定后，在其表面上 传输的类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量就可W确定。当凹槽的槽深从大到小变化 时，类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量就越趋近于TEM模式的纵向波矢分量（即自由 空间波矢）。通过控制模式匹配器中的槽深渐变金属皱權内忍的凹槽的深度，调节类表面等 离子体激元模式。基于此，本发明采用通过具有槽深渐变金属皱權内忍的模式匹配器来实 现TEM模式与类表面等离子体激元模式的过渡匹配。
[0009] 如果直接将模式匹配器与上一级的同轴线波导对接，除了反射损耗之外，还会有 较严重的福射损耗存在(TB1模式没有禪合成类表面等离子体激元模式而是福射到自由空 间中）。通过引入一段具有通孔直径渐变的TOM模式压缩器，可W实现与上一级的同轴线波 导之间的平滑对接，从而能够降低反射损耗。TBl模式压缩器还能够实现电磁能量的压缩， 当能量压缩到亚波长尺度范围内时更利于模式的转换，所W能降低福射损耗。为了避免引 入较严重的能量反射，应当合理选择TOM模式压缩器的参数，参数包括TCM模式压缩器的长 度和渐变倾角，W提高模式转换的效率。
[0010] TEM模式压缩器的长度Li应控审化3mmW下。第一通孔的渐变倾角目1。金属内 忍和中空金属套筒采用无氧铜。
[0011]由于上一级的同轴线波导为封闭式结构，而下一级的类表面等离子体激元波导为 开敞式结构，所W为了进一步提高效率，本发明在禪合器中设置表面模式福射器，用于释放 禪合而成的类表面等离子体激元模式。合理选择表面模式福射器的参数，参数包括表面模 式福射器的长度和渐变倾角，进一步提高模式转换的效率。
[001^ 表面模式福射器的长度L油Imm~2.5mm之间，第S通孔的渐变倾角目油25°~40° 之间。
[0013] 本发明的另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禪合方法。
[0014] 本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元禪合方法，包括W下步骤：
[0015] 1)同轴线波导传递过来的TOM模式进入TOM模式压缩，TCM模式压缩器实现与上一 级的同轴线波导的平滑对接，同时TEM模式经TEM模式压缩器，能量压缩到亚波长尺度范围， 其中，TEM模式压缩器包括直径沿传播方向逐渐变小的第一通孔，W及设置在第一通孔内部 的圆柱状的金属内忍；
[0016] 2)能量压缩后的TOM电磁波经模式匹配器，转换成特定的类表面等离子体激元模 式，其中，模式匹配器包括直径沿传播方向不变的第二通孔，W及设置在第二通孔内部的槽 深渐变金属皱權内忍，槽深渐变金属皱權内忍为在圆柱状的金属内忍的外表面具有周期性 的圆环状的同轴凹槽，凹槽的深度沿传播方向逐渐变深；
[0017] 3)类表面等离子体激元模式经表面模式福射器后高效地禪合入下一级的类表面 等离子体激元波导中，其中，表面模式福射器包括直径沿传播方向逐渐变大，呈开口卿趴状 的第=通孔，W及设置在第=通孔内部的槽深均匀金属皱權内忍，槽深均匀金属皱權内忍 为在圆柱状的金属内忍的外表面具有周期性的圆环状的同轴凹槽，凹槽的深度沿传播方向 不变。
[0018] 其中，在步骤1)中，通过调整TEM模式压缩器的参数，W提高模式转换的效率，参数 包括TEM模式压缩器的长度和渐变倾角。
[0019] 在步骤2)中，通过控制模式匹配器中的槽深渐变金属皱權内忍的凹槽的深度，调 节类表面等离子体激元模式。
[0020] 在步骤3)中，通过调整表面模式福射器的参数，进一步提高模式转换的效率，参数 包括表面模式福射器的长度和渐变倾角。
[0021] 本发明的优点：
[0022] 本发明采用TEM模式压缩器、模式匹配器和表面模式福射器，并合理选择运S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，运对类表面等离子体激元波导运一新型波导在太赫 兹波段的实际应用具有强有力的推动作用；由于本发明的禪合器为全金属结构，从而降低 了禪合器引入的电磁能量损耗;同时，本发明的禪合器加工方便且易于集成。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元禪合器的结构示意图，其中， (a)为立体图，（b)为剖面图；
[0024] 图2为下一级的类表面等离子体激元波导的示意图；
[0025] 图3为类表面等离子体激元波导上的类表面等离子体激元模式的色散曲线图及场 分布示意图；
[0026] 图4为不同槽深的类表面等离子体激元模式的色散曲线图；
[0027] 图5为本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元禪合器的传输及反射特性随频 率的曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
[0029] 如图1所示，超宽带太赫兹类表面等离子体激元禪合器包括模式压缩器1、模 式匹配器2和表面模式福射器3，=者沿横电磁波TEM的传播方向依次连接为一体，外层为外 套筒;外套筒的中间具有通孔;通孔包