CN105703048B - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

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。

Description

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
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。
本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器包括：TEM模式压缩器、模式匹配器和表面模式辐射器，三者沿横电磁波TEM的传播方向依次连接为一体，外层为中空金属套筒；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三部分：第一通孔、第二通孔和第三通孔；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芯，构成TEM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TEM模式经TEM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褶内芯，槽深渐变金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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TEM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；第三通孔的直径沿传播方向逐渐变大，呈开口喇叭状，内部设置有槽深均匀金属皱褶内芯，槽深均匀金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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，构成表面模式辐射器，类表面等离子体激元模式经表面模式辐射器后高效地耦合入下一级的类表面等离子体激元波导中。
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以确定。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褶内芯的凹槽的深度，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褶内芯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。
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，还会有较严重的辐射损耗存在(TEM模式没有耦合成类表面等离子体激元模式而是辐射到自由空间中)。通过引入一段具有通孔直径渐变的TEM模式压缩器，可以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。TEM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，所以能降低辐射损耗。为了避免引入较严重的能量反射，应当合理选择TEM模式压缩器的参数，参数包括TEM模式压缩器的长度和渐变倾角，以提高模式转换的效率。
TEM模式压缩器的长度L1应控制在3mm以下。第一通孔的渐变倾角θ1≤12°。金属内芯和中空金属套筒采用无氧铜。
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，所以为了进一步提高效率，本发明在耦合器中设置表面模式辐射器，用于释放耦合而成的类表面等离子体激元模式。合理选择表面模式辐射器的参数，参数包括表面模式辐射器的长度和渐变倾角，进一步提高模式转换的效率。
表面模式辐射器的长度L2在1mm～2.5mm之间，第三通孔的渐变倾角θ2在25°～40°之间。
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耦合方法。
本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合方法，包括以下步骤：
1)同轴线波导传递过来的TEM模式进入TEM模式压缩，TEM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，以及设置在第一通孔内部的圆柱状的金属内芯；
2)能量压缩后的TEM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，以及设置在第二通孔内部的槽深渐变金属皱褶内芯，槽深渐变金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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；
3)类表面等离子体激元模式经表面模式辐射器后高效地耦合入下一级的类表面等离子体激元波导中，其中，表面模式辐射器包括直径沿传播方向逐渐变大，呈开口喇叭状的第三通孔，以及设置在第三通孔内部的槽深均匀金属皱褶内芯，槽深均匀金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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。
其中，在步骤1)中，通过调整TEM模式压缩器的参数，以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。
在步骤2)中，通过控制模式匹配器中的槽深渐变金属皱褶内芯的凹槽的深度，调节类表面等离子体激元模式。
在步骤3)中，通过调整表面模式辐射器的参数，进一步提高模式转换的效率，参数包括表面模式辐射器的长度和渐变倾角。
本发明的优点：
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。
附图说明
图1为本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器的结构示意图，其中，(a)为立体图，(b)为剖面图；
图2为下一级的类表面等离子体激元波导的示意图；
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；
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；
图5为本发明的超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器的传输及反射特性随频率的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器包括：TEM模式压缩器1、模式匹配器2和表面模式辐射器3，三者沿横电磁波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；通孔包括沿传播方向连接为一体的三部分：第一通孔11、第二通孔21和第三通孔31；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芯12，构成TEM模式压缩器1；第二通孔21的直径沿传播方向不变，内部设置有槽深渐变金属皱褶内芯22，槽深渐变金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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2；第三通孔31的直径沿传播方向逐渐变大，呈开口喇叭状，内部设置有槽深均匀金属皱褶内芯32，槽深均匀金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯的外表面具有周期性的圆环状的同轴凹槽3。
下一级的类表面等离子体激元波导的结构如图2所示，类表面等离子体激元波导是在圆柱状的金属内芯的外表面刻有周期性的圆环状的同轴凹槽，凹槽的深度相同，两个相邻的凹槽中间形成金属圆盘。其中a、d及h分别为凹槽的宽度、周期及深度，rs及r分别为金属圆盘的内半径和外半径，h＝r-rs。在金属褶皱线波导上传输的类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量可以通过该结构的色散得到。使用模式匹配法来推导该色散关系表达式，推导结果如下所示
其中
kzn＝kz+2nπ/d， (3)
kz为类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量，Ji和Ni分别为第i阶Bessel和Neuman函数，Ki为i阶***Neumann函数，i＝0或1。由于这里所考虑的是亚波长类表面等离子体激元波导，凹槽的周期和宽度远小于自由空间中的波长，所以式(1)中的高阶项(|n|>3)非常小，可以忽略不计。图3给出了类表面等离子体激元波导上类表面等离子体激元模式的色散曲线，相对应的类表面等离子体激元波导的参数为a＝0.03mm，d＝0.06mm，rs＝0.02mm，r＝0.1mm。从中可以看出类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量kz大于k0，其横向波矢分量当kz大于k0时，kθ为虚数，这也就解释了为什么类表面等离子体激元模式在垂直于金属表面的方向上指数衰减，其场分布如图3中的插图所示。另一方面，kz大于k0也说明了类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量与TEM模式的纵向波矢分量不匹配，因此如果没有模式匹配器2，TEM模式压缩器1内的TEM模式不可能高效地耦合成类表面等离子体激元模式。
当类表面等离子体激元波导内凹槽的深度h逐渐变小时，类表面等离子体激元模式的截止频率逐渐变大，且同一频率类表面等离子体激元模式的纵向波矢分量kz逐渐趋向于k0，如图4所示，金属褶皱线波导的参数为a＝0.03mm，d＝0.06mm，r＝0.1mm，rs＝(0.02+0.008n)mm，n＝0,1,2,…,9。所以，只要按照这一参数线性连续改变凹槽的深度h时，就可以实现TEM模式与类表面等离子体激元模式之间的平滑过渡。
在调节TEM模式压缩器1的结构参数时需要注意的是，当TEM模式压缩器1的渐变倾角θ1较小(典型值为小于10度)时，由该TEM模式压缩器1引起的电磁能量反射不会超过3％，因此几乎可以忽略不计。并且随着TEM模式压缩器1的长度L1的增加，在一定的长度范围内(典型值为1cm)反射大小的改变也几乎可以忽略不计。这为灵活地调整耦合器的结构参数以便与标准的同轴线波导进行平滑连接提供了可能性。绝热压缩时，TEM模式压缩器1里传输的模式为TEM基模，其纵向波矢分量为k0，k0＝2π/λ，λ为自由空间波长。
图1(b)中，L1、θ1分别为TEM模式压缩器1的长度和渐变倾角，L2、θ2分别为表面模式辐射器3的长度和渐变倾角，dg为TEM模式压缩器1末端间隙，ds为模式匹配器2的渐变步长，各拐角处的倒角半径均为0.5mm。针对具体实施案例，表1给出了各部分的参数值。
利用商业电磁仿真软件Comsol和CST对本实施例的耦合器的性能进行验证，为了方便评估耦合器的耦合性能，在仿真时建立了一个双端口模型，即分别在类表面等离子体激元波导两端连接该耦合器，这样通过仿真该双端口模型的S参数就可以知道耦合器的耦合性能。仿真结果如图5所示。从该图中首先能看到两种仿真软件的仿真结果吻合得非常好，因此证实了仿真结果的可靠性。其次，能看到在0.07THz～0.5THz频率范围内，该耦合器能实现高效率的类表面等离子体激元模式的耦合，其反射损耗低于-10dB。而且通带内的平坦度相当好，95％以上的能量能够从左端口以类表面等离子体激元模式传递到右端口。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合器，其特征在于，所述类表面等离子体激元耦合器包括：TEM模式压缩器、模式匹配器和表面模式辐射器，三者沿横电磁波TEM的传播方向依次连接为一体，外层为中空金属套筒；所述中空金属套筒的中间具有通孔；所述通孔包括沿传播方向连接为一体的三部分：第一通孔、第二通孔和第三通孔；所述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芯，构成TEM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TEM模式经TEM模式压缩器，能量压缩到亚波长尺度范围；所述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褶内芯，槽深渐变金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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TEM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；所述第三通孔的直径沿传播方向逐渐变大，呈开口喇叭状，内部设置有槽深均匀金属皱褶内芯，槽深均匀金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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，构成表面模式辐射器，类表面等离子体激元模式经表面模式辐射器后耦合入下一级的类表面等离子体激元波导中。
2.如权利要求1所述的类表面等离子体激元耦合器，其特征在于，所述TEM模式压缩器的长度L1≤3mm。
3.如权利要求1所述的类表面等离子体激元耦合器，其特征在于，所述第一通孔的渐变倾角θ1≤12°。
4.如权利要求1所述的类表面等离子体激元耦合器，其特征在于，所述金属内芯和中空金属套筒采用无氧铜。
5.如权利要求1所述的类表面等离子体激元耦合器，其特征在于，所述表面模式辐射器的长度L2在1mm～2.5mm之间。
6.如权利要求1所述的类表面等离子体激元耦合器，其特征在于，所述第三通孔的渐变倾角θ2在25°～40°之间。
7.一种超宽带太赫兹类表面等离子体激元耦合方法，其特征在于，所述类表面等离子体激元耦合方法包括以下步骤：
1)同轴线波导传递过来的TEM模式进入TEM模式压缩器，TEM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，以及设置在第一通孔内部的圆柱状的金属内芯；
2)能量压缩后的TEM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，以及设置在第二通孔内部的槽深渐变金属皱褶内芯，槽深渐变金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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；
3)类表面等离子体激元模式经表面模式辐射器后耦合入下一级的类表面等离子体激元波导中，其中，表面模式辐射器包括直径沿传播方向逐渐变大，呈开口喇叭状的第三通孔，以及设置在第三通孔内部的槽深均匀金属皱褶内芯，槽深均匀金属皱褶内芯为在圆柱状的金属内芯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。
8.如权利要求7所述的耦合方法，其特征在于，在步骤1)中，通过调整TEM模式压缩器的参数，以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。
9.如权利要求7所述的耦合方法，其特征在于，在步骤2)中，通过控制模式匹配器中的槽深渐变金属皱褶内芯的凹槽的深度，调节类表面等离子体激元模式。
10.如权利要求7所述的耦合方法，其特征在于，在步骤3)中，通过调整表面模式辐射器的参数，进一步提高模式转换的效率，参数包括表面模式辐射器的长度和渐变倾角。
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