CN107315204A - 超薄表面波光子晶体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超薄表面波光子晶体，由金属底板上二维周期性分布的金属片构成，金属片通过金属柱与所述金属底板连接在一起，所述金属片和所述金属底板之间填充介质。在所述的超薄表面波光子晶体上引入缺陷，使得所述缺陷处的谐振频率处在周围超薄表面波光子晶体的禁带之内可构成一系列功能器件。该表面光子晶体是基于局部谐振产生的表面波光子禁带，所以该新型表面光子晶体的周期远远小于波长，对于微波及太赫兹器件小型化有重要应用。

Description

超薄表面波光子晶体
技术领域
本发明属于光子晶体领域，具体涉及一种超薄表面波光子晶体。
背景技术
光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap,简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，即频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的。通过在光子晶体中引入缺陷，电磁波可以被约束在缺陷中传播，从而达到控制电磁波传播的目的。在大规模集成光电路中有重要的应用前景。
表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是一种沿着导体和介质交界面传输、沿界面垂直方向上快速衰减的表面电磁波,它在亚波长集成光学领域具有广泛的研究和应用。而人工表面等离子体激元(spoof SPP)是一种在低频波段(微波、太赫兹或远红外)拥有和SPP类似的色散曲线、在金属周期表面结构上传输的表面电磁波。人工表面等离子体能突破衍射极限，把电磁波约束在亚波长范围内传播，从而达到在亚波长尺寸范围内控制电磁波传输的目的。
传统光子晶体是基于布拉格散射的原理形成的，所以它的尺寸是波长量级的，这样就会造成光子晶体器件的尺寸太大，特别是在低频波段波长很长的时候。
传统人工表面等离子体波导和表面波光子晶体虽然可以把电磁波约束在亚波长范围内传播，但是在垂直方向上金属结构的厚度至少是波长的四分之一，虽然共面人工表面等离子体波导的厚度可以远远小于波长，但是由它构成的无弯曲半径的弯曲波导会产生很大的散射，不仅严重降低电磁波信号的传输率，而且在集成器件之间会造成信号之间的串扰。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种超薄表面波光子晶体。
本发明的超薄表面波光子晶体由金属底板上面二维周期性分布的金属片构成，金属片通过金属柱与所述金属底板连接在一起，所述金属片和所述金属底板之间填充介质。所述金属片之间的周期小于六分之一个工作波长，所述超薄表面光子晶体的厚度小于六百分之一个工作波长。优选的，所述金属片面积相等、形状相同。
所述的填充介质可以为Rogers，FR4，F4B或普通印刷电路板，金属片之间的周期是指相邻金属片中心之间的距离。金属片形状可以变化，六角形，圆形都可以，排列方式也可以变化。比如三角形阵列甚至准晶阵列，无序阵列等等。
本发明还公开了基于超薄表面波光子晶体的器件，通过在所述的超薄表面波光子晶体的金属片上引入缺陷，使得所述缺陷处的谐振频率处在周围超薄表面波光子晶体的禁带之内。
本发明还公开了一种能控制表面波传输的超薄表面波光子晶体，其为在本发明所述的超薄表面光子晶体上通过引入缺陷得到；所述引入缺陷的方式为减小金属片的面积，使得缺陷处的谐振频率正好处在周围光子晶体的禁带内。因此，当引入的缺陷为线缺陷时，电磁波会被约束在线缺陷内并沿着线缺陷传播。
更进一步的，当引入的缺陷为无弯曲半径的90度弯曲波导时，只要缺陷的谐振频率处在周围光子晶体的禁带内，电磁波即可以通过无弯曲半径的90度弯曲波导，且能实现无散射无反射的高效传输。
更进一步的，在所述的超薄表面波光子晶体内多个方向上通过引入线缺陷的方式引入直波导，直波导的一端互相相连，不同方向上的直波导的色散曲线相同，；所述引入缺陷的方式为减小金属片的面积，所述被减小面积的金属片的面积相等。如此，即构成了基于超薄表面波光子晶体的分波器。在分波器一端设置入射源，表面波就会沿着分波器不同的分支传播，把入射波平均的分成多束波传输从而达到分波的目的，被分开的平面波的频率也完全相同，只是能量被平均分成左右两部分，达到能量上分波的目的。
本发明提出的新型超薄表面波光子晶体，该新型超薄表面波光子晶体和传统的基于布拉格散射的光子晶体很不相同。因为该表面光子晶体是基于局部谐振产生的表面波光子禁带，所以该新型超薄表面波光子晶体的周期远远小于波长，对于微波及太赫兹器件小型化有重要应用。
附图说明
图1(a)超薄表面波光子晶体示意图。(b)该表面波光子晶体能带结构图。 (c)该表面波光子晶体的近场传输谱。
图2(a)由超薄表面波光子晶体构造的耦合缺陷直波导示意图。(b)该超薄表面波子晶体耦合直波导近场传输谱。(c)该直波导的电场分布图。
图3(a)由超薄表面波光子晶体构造的耦合缺陷弯曲波导示意图。图3(b) 该超薄表面波子晶体耦合弯曲波导的电场分布图。
图4(a)由超薄表面波光子晶体构造的耦合缺陷T型分波器示意图。(b) 该超薄表面波子晶体耦合T型分波器的电场分布图。
具体实施方式
本发明提出的超薄表面波光子晶体的结构如图1(a)所示，由金属底板上面二维周期性分布的正方形金属片构成，而且金属片通过金属柱和底板连接在一起。金属片和金属底板之间填充介质。在本发明的一个具体实施例中，所述的金属片呈正方形，正方形金属片的尺寸为边长a＝4mm，周期d＝5mm，金属片与金属底板之间的距离为h＝1.507mm。首先计算该超薄表面波光子晶体的能带图，如图1(b) 所示，在一阶模式和二阶模式之间存在一个光子晶体带隙。在该带隙内不支持任何表面波，所以称该光子晶体带隙为表面波带隙。
用印刷电路板工艺印刷了一个如图1(a)所示的超薄表面波光子晶体结构，并测量该结构在3-8GHz之间的的近场表面波传输谱，如图1(c)所示，可以看到在5.2GHz到6.3GHz之间存在一个传输陷波带，正好对应图1(b)中的表面波带隙。
通过引入缺陷的方法在该超薄表面波光子晶体禁带中引入波导模式，这样就可以利用该超薄光子晶体中来控制电磁波的传播。通过减小金属片的面积的方法来引入缺陷，如图2(a)所示，当把一列金属片的边长从a＝4mm减小的a＝3.5mm 时，就在该超薄表面波光子晶体中构造了一条直波导。测试该直波导的传输谱，如图2(b)黑线所示，在超薄表面波禁带中观测到了一条通带，该通带正好位于周围超薄表面波光子晶体的禁带之中，所以表面波被紧紧的约束在该直波导中传播。该直波导的电场分布图如图2(c)所示，可以看到，表面波沿着该直波导向前传播而不会渗透到周围光子晶体之中。
由于该超薄表面波光子晶体波导的本征模式具有四重旋转对称性，可以利用该特性来构造无散射亦无反射的弯曲半径为零的弯曲波导，如图3(a)所示，该弯曲波导是由一系列缺陷排列成90度，这样表面波就会沿着该90度弯曲波导传播。该弯曲波导的电场分布如图3(b)所示，可以看到在表面波通过该弯曲波导时几乎没有反射，也没有散射。
本实施例还构造了一个T型表面波***器，如图4(a)所示，三个分支直波导组成该T型分波器；三个分支通过减少金属片面积的方式形成，即将金属片的边长从a＝4mm减小的a＝3.5mm时。它的近场分布图如图4(b)所示，从图中可见入射的表面波被平均***为左右两个方向传播。

Claims (10)

1.一种超薄表面波光子晶体，其特征在于由金属底板上二维周期性分布的金属片构成，金属片通过金属柱与所述金属底板连接在一起，所述金属片和所述金属底板之间填充介质；所述金属片之间的周期小于六分之一个工作波长，所述超薄表面光子晶体的厚度小于六百分之一个工作波长。
2.根据权利要求1所述的超薄表面波光子晶体，其特征在于所述金属片面积相等、形状相同。
3.一种基于权利要求1所述超薄表面波光子晶体的器件，其特征在于在所述的超薄表面波光子晶体上引入缺陷，所述缺陷处的谐振频率处在周围超薄表面波光子晶体的禁带之内。
4.根据权利要求3所述的器件，其特征在于所述引入缺陷的方式为减小金属片的面积，并使得被减小面积的金属片处的谐振频率正好处在周围超薄表面波光子晶体的禁带内；所述被减小面积的金属片的面积相等。
5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于所述被减小面积的金属片的形状相同，未减小面积的金属片的面积相等、形状相同。
6.一种基于权利要求1所述超薄表面波光子晶体的直波导，其特征在于在所述的超薄表面波光子晶体上引入贯穿超薄表面波光子晶体的线缺陷，所述缺陷处的谐振频率处在周围超薄表面波光子晶体的禁带之内；所述引入线缺陷的方式为减小一条直线上的金属片的面积，使得缺陷处的谐振频率正好处在周围超薄表面波光子晶体的禁带内；所述被减小面积的金属片的面积相等。
7.一种基于权利要求1所述超薄表面波光子晶体的弯曲波导，其特征在于在所述的超薄表面波光子晶体上引入弯曲缺陷，所述弯曲缺陷的首尾两端位于超薄表面波光子晶体的边界上，所述缺陷处的谐振频率处在周围超薄表面波光子晶体的禁带之内；所述引入弯曲缺陷的方式为减小弯曲曲线上的金属片的面积，使得缺陷处的谐振频率正好处在周围超薄表面波光子晶体的禁带内；所述被减小面积的金属片的面积相等。
8.如权利要求7所述的弯曲波导，其特征在于所述的弯曲线为包含1个或多个无弯曲半径的90度折角的折线。
9.一种基于权利要求1所述超薄表面波光子晶体的谐振器，其特征在于在所述的超薄表面波光子晶体上引入线缺陷，线缺陷的两端均位于超薄表面波光子晶体的内部，所述缺陷处的谐振频率处在周围超薄表面波光子晶体的禁带之内；所述引入线缺陷的方式为减小一条直线上的金属片的面积，使得缺陷处的谐振频率正好处在周围超薄表面波光子晶体的禁带内；所述被减小面积的金属片的面积相等。
10.一种基于权利要求1所述超薄表面波光子晶体的分波器，其特征在于在所述的超薄表面波光子晶体内多个方向上通过引入线缺陷的方式引入直波导，直波导的一端互相相连，不同方向上的直波导的色散曲线相同，所述引入缺陷的方式为减小金属片的面积，所述被减小面积的金属片的面积相等。
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