一種超寬帶太赫茲類表面等離子體激元耦合器及耦合方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及太赫茲無源器件領(lǐng)域，尤其設(shè)及一種超寬帶太赫茲類表面等離子體激 元禪合器及禪合方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲(T化)頻譜范圍為0.1 T化~IOTHz，由于其豐富的可利用的頻譜資源W及太 赫茲波的獨(dú)有特性，近年來太赫茲技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展。其中，最典型的應(yīng)用包括太赫茲 通信W及太赫茲成像。而太赫茲波導(dǎo)器件在運(yùn)些應(yīng)用當(dāng)中有著不可或缺的地位。但是，傳統(tǒng) 的矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)W及同軸線的尺寸和頻率具有共度性，其性能參數(shù)極大地受到加工精 度的影響。最新的研究發(fā)現(xiàn)，基于類表面等離子體激元所產(chǎn)生的表面波也可W實(shí)現(xiàn)太赫茲 波段的能量傳導(dǎo)。所謂類表面等離子體激元指的是，當(dāng)電磁波在具有亞波長周期性刻蝕紋 路的良導(dǎo)體表面上傳播時(shí)，電磁波被調(diào)控W-種類似于載流子集體振蕩誘發(fā)的表面波形式 進(jìn)行傳輸。最常見的能夠激發(fā)類表面等離子體激元的器件包括平面型亞波長金屬光柵W及 亞波長金屬權(quán)皺線。電磁波在運(yùn)些新型波導(dǎo)上傳輸時(shí)能量極大程度地局附在波導(dǎo)表面。因 此運(yùn)種波導(dǎo)是一種開放型波導(dǎo)器件，和傳統(tǒng)波導(dǎo)器件相比，其能量傳輸?shù)男矢撸菀?加工，結(jié)構(gòu)更加緊湊，且其性能參數(shù)受結(jié)構(gòu)的變形的影響更小。
[0003] 但是，在運(yùn)種新型波導(dǎo)上傳輸?shù)谋砻娌úㄊ负蛯?dǎo)行波波矢不匹配，因此當(dāng)運(yùn)種新 型波導(dǎo)與傳統(tǒng)波導(dǎo)直接連接時(shí)，在接口處會有強(qiáng)烈的反射，從而造成導(dǎo)行波能量不能W很 高的效率禪合到表面波上去。為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)行波和表面波之間的波矢匹配，最常見的解決方案 是利用棱鏡禪合、光柵禪合、單縫禪合W及探針禪合。棱鏡禪合的基本原理是電磁波在介質(zhì) 與空氣界面發(fā)生全反射從而產(chǎn)生與類表面等離子體激元相匹配的表面波。光柵禪合的基本 原理是在導(dǎo)行波的波矢上疊加光柵的等效波矢實(shí)現(xiàn)波矢匹配。后兩種禪合方式是通過激發(fā) 高次空間波矢分量的空間諧波實(shí)現(xiàn)類表面等離子體激元的激發(fā)。問題是，運(yùn)些禪合方式的 禪合效率都比較低，且禪合帶寬比較受限。同時(shí)提高類表面等離子體激元的禪合效率及禪 合帶寬將會使得基于類表面等離子體激元的新型太赫茲波導(dǎo)能夠勝任更加復(fù)雜的應(yīng)用環(huán) 境。
[0004] 為此，設(shè)計(jì)一種超寬帶和高效率的類表面等離子體激元禪合器對基于類表面等離 子體激元的新型太赫茲波導(dǎo)（也就是類表面等離子體激元波導(dǎo))在實(shí)際中的應(yīng)用具有廣泛 而深遠(yuǎn)的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對目前現(xiàn)有的類表面等離子體激元禪合技術(shù)中存在的低效率及窄帶寬問題，本 發(fā)明提供了一種超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合器，能夠在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)類表面 等離子體激元波導(dǎo)與傳統(tǒng)同軸線波導(dǎo)的超寬帶平滑高效率連接，為類表面等離子體激元波 導(dǎo)在實(shí)際中的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。
[0006] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合器。
[0007] 本發(fā)明的超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合器包括:TCM模式壓縮器、模式匹 配器和表面模式福射器，立者沿橫電磁波TEM的傳播方向依次連接為一體，夕F層為中空金屬 套筒；中空金屬套筒的中間具有通孔;通孔包括沿傳播方向連接為一體的=部分:第一通 孔、第二通孔和第=通孔;第一通孔的直徑沿傳播方向逐漸變小，內(nèi)部設(shè)置有圓柱狀的金屬 內(nèi)忍，構(gòu)成TOM模式壓縮器，實(shí)現(xiàn)與上一級的同軸線波導(dǎo)的平滑對接，同時(shí)由上一級的同軸 線波導(dǎo)傳遞過來的TOM模式經(jīng)TCM模式壓縮器，能量壓縮到亞波長尺度范圍；第二通孔的直 徑沿傳播方向不變，內(nèi)部設(shè)置有槽深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍，槽深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍為在圓柱 狀的金屬內(nèi)忍的外表面具有周期性的圓環(huán)狀的同軸凹槽，凹槽的深度沿傳播方向逐漸變 深，構(gòu)成模式匹配器，能量壓縮后的TCM電磁波經(jīng)模式匹配器，轉(zhuǎn)換成特定的類表面等離子 體激元模式;第=通孔的直徑沿傳播方向逐漸變大，呈開口卿趴狀，內(nèi)部設(shè)置有槽深均勻金 屬皺權(quán)內(nèi)忍，槽深均勻金屬皺權(quán)內(nèi)忍為在圓柱狀的金屬內(nèi)忍的外表面具有周期性的圓環(huán)狀 的同軸凹槽，凹槽的深度沿傳播方向不變，構(gòu)成表面模式福射器，類表面等離子體激元模式 經(jīng)表面模式福射器后高效地禪合入下一級的類表面等離子體激元波導(dǎo)中。
[0008] 要想實(shí)現(xiàn)下一級的類表面等離子體激元波導(dǎo)與上一級的同軸線波導(dǎo)之間平滑連 接，關(guān)鍵是要解決橫電磁TEM模式與類表面等離子體激元模式之間的波矢匹配問題。當(dāng)下一 級的類表面等離子體激元波導(dǎo)內(nèi)的周期性的圓環(huán)狀的同軸凹槽的參數(shù)確定后，在其表面上 傳輸?shù)念惐砻娴入x子體激元模式的縱向波矢分量就可W確定。當(dāng)凹槽的槽深從大到小變化 時(shí)，類表面等離子體激元模式的縱向波矢分量就越趨近于TEM模式的縱向波矢分量（即自由 空間波矢）。通過控制模式匹配器中的槽深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍的凹槽的深度，調(diào)節(jié)類表面等 離子體激元模式?；诖耍景l(fā)明采用通過具有槽深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍的模式匹配器來實(shí) 現(xiàn)TEM模式與類表面等離子體激元模式的過渡匹配。
[0009] 如果直接將模式匹配器與上一級的同軸線波導(dǎo)對接，除了反射損耗之外，還會有 較嚴(yán)重的福射損耗存在(TB1模式?jīng)]有禪合成類表面等離子體激元模式而是福射到自由空 間中）。通過引入一段具有通孔直徑漸變的TOM模式壓縮器，可W實(shí)現(xiàn)與上一級的同軸線波 導(dǎo)之間的平滑對接，從而能夠降低反射損耗。TBl模式壓縮器還能夠?qū)崿F(xiàn)電磁能量的壓縮， 當(dāng)能量壓縮到亞波長尺度范圍內(nèi)時(shí)更利于模式的轉(zhuǎn)換，所W能降低福射損耗。為了避免引 入較嚴(yán)重的能量反射，應(yīng)當(dāng)合理選擇TOM模式壓縮器的參數(shù)，參數(shù)包括TCM模式壓縮器的長 度和漸變傾角，W提高模式轉(zhuǎn)換的效率。
[0010] TEM模式壓縮器的長度Li應(yīng)控審化3mmW下。第一通孔的漸變傾角目1。金屬內(nèi) 忍和中空金屬套筒采用無氧銅。
[0011]由于上一級的同軸線波導(dǎo)為封閉式結(jié)構(gòu)，而下一級的類表面等離子體激元波導(dǎo)為 開敞式結(jié)構(gòu)，所W為了進(jìn)一步提高效率，本發(fā)明在禪合器中設(shè)置表面模式福射器，用于釋放 禪合而成的類表面等離子體激元模式。合理選擇表面模式福射器的參數(shù)，參數(shù)包括表面模 式福射器的長度和漸變傾角，進(jìn)一步提高模式轉(zhuǎn)換的效率。
[001^ 表面模式福射器的長度L油Imm~2.5mm之間，第S通孔的漸變傾角目油25°~40° 之間。
[0013] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合方法。
[0014] 本發(fā)明的超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合方法，包括W下步驟：
[0015] 1)同軸線波導(dǎo)傳遞過來的TOM模式進(jìn)入TOM模式壓縮，TCM模式壓縮器實(shí)現(xiàn)與上一 級的同軸線波導(dǎo)的平滑對接，同時(shí)TEM模式經(jīng)TEM模式壓縮器，能量壓縮到亞波長尺度范圍， 其中，TEM模式壓縮器包括直徑沿傳播方向逐漸變小的第一通孔，W及設(shè)置在第一通孔內(nèi)部 的圓柱狀的金屬內(nèi)忍；
[0016] 2)能量壓縮后的TOM電磁波經(jīng)模式匹配器，轉(zhuǎn)換成特定的類表面等離子體激元模 式，其中，模式匹配器包括直徑沿傳播方向不變的第二通孔，W及設(shè)置在第二通孔內(nèi)部的槽 深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍，槽深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍為在圓柱狀的金屬內(nèi)忍的外表面具有周期性 的圓環(huán)狀的同軸凹槽，凹槽的深度沿傳播方向逐漸變深；
[0017] 3)類表面等離子體激元模式經(jīng)表面模式福射器后高效地禪合入下一級的類表面 等離子體激元波導(dǎo)中，其中，表面模式福射器包括直徑沿傳播方向逐漸變大，呈開口卿趴狀 的第=通孔，W及設(shè)置在第=通孔內(nèi)部的槽深均勻金屬皺權(quán)內(nèi)忍，槽深均勻金屬皺權(quán)內(nèi)忍 為在圓柱狀的金屬內(nèi)忍的外表面具有周期性的圓環(huán)狀的同軸凹槽，凹槽的深度沿傳播方向 不變。
[0018] 其中，在步驟1)中，通過調(diào)整TEM模式壓縮器的參數(shù)，W提高模式轉(zhuǎn)換的效率，參數(shù) 包括TEM模式壓縮器的長度和漸變傾角。
[0019] 在步驟2)中，通過控制模式匹配器中的槽深漸變金屬皺權(quán)內(nèi)忍的凹槽的深度，調(diào) 節(jié)類表面等離子體激元模式。
[0020] 在步驟3)中，通過調(diào)整表面模式福射器的參數(shù)，進(jìn)一步提高模式轉(zhuǎn)換的效率，參數(shù) 包括表面模式福射器的長度和漸變傾角。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：
[0022] 本發(fā)明采用TEM模式壓縮器、模式匹配器和表面模式福射器，并合理選擇運(yùn)S部分 結(jié)構(gòu)的參數(shù)，極大地提高了從TEM模式到類表面等離子體激元模式的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)拓寬了 類表面等離子體激元模式的激發(fā)帶寬，運(yùn)對類表面等離子體激元波導(dǎo)運(yùn)一新型波導(dǎo)在太赫 茲波段的實(shí)際應(yīng)用具有強(qiáng)有力的推動作用；由于本發(fā)明的禪合器為全金屬結(jié)構(gòu)，從而降低 了禪合器引入的電磁能量損耗;同時(shí)，本發(fā)明的禪合器加工方便且易于集成。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中， (a)為立體圖，（b)為剖面圖；
[0024] 圖2為下一級的類表面等離子體激元波導(dǎo)的示意圖；
[0025] 圖3為類表面等離子體激元波導(dǎo)上的類表面等離子體激元模式的色散曲線圖及場 分布示意圖；
[0026] 圖4為不同槽深的類表面等離子體激元模式的色散曲線圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明的超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合器的傳輸及反射特性隨頻 率的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0029] 如圖1所示，超寬帶太赫茲類表面等離子體激元禪合器包括模式壓縮器1、模 式匹配器2和表面模式福射器3，=者沿橫電磁波TEM的傳播方向依次連接為一體，外層為外 套筒;外套筒的中間具有通孔;通孔包