本發(fā)明屬于光子晶體領(lǐng)域，具體涉及一種新型表面波光子晶體。

背景技術(shù)：

表面等離子體激元(surfaceplasmonpolaritons，簡(jiǎn)稱spps)是一種存在于光學(xué)波段沿金屬與介質(zhì)交界面的光子與電子的混合激發(fā)態(tài)。表面等離子體激元不僅擁有突破衍射極限的亞波長(zhǎng)自約束，而且可以像電磁波一樣在金屬表面?zhèn)鞑?，非常有希望作為未來高集成度、超小型化太赫茲和光學(xué)集成電路系統(tǒng)的信息載體，是現(xiàn)在最前沿的熱點(diǎn)研究課題。

自然的金屬表面等離子體一般存在于光學(xué)波段，在低頻波段，例如遠(yuǎn)紅外、太赫茲和微波波段，金屬的介電常數(shù)非常大，電磁波難以滲透(趨膚深度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng))，因此表面等離子體在金屬表面的約束很差，不能直接作為一種信息的載體應(yīng)用在低頻亞波長(zhǎng)集成器件和系統(tǒng)中。

為了解決這一難題，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的pendry教授提出了人工表面等離子體的概念，即通過在金屬表面增加亞波長(zhǎng)尺寸的孔洞來增強(qiáng)電磁波的滲透，這樣的人工金屬表面不僅可以將人工表面等離子體約束在亞波長(zhǎng)范圍內(nèi)，而且可以通過改變金屬表面結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)來控制表面電磁波的特性。由于人工表面等離子體具有亞波長(zhǎng)自約束、高度可調(diào)性以及易于在金屬表面大規(guī)模集成等卓越性能，其在低頻集成電路系統(tǒng)中有重要應(yīng)用前景。

但是，傳統(tǒng)的人工表面等離子體波導(dǎo)在傳輸表面波通過彎曲半徑為零的彎曲波導(dǎo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射和反射，這不僅會(huì)極大的降低信息的傳輸效率，而且會(huì)在集成電路系統(tǒng)中造成信號(hào)間的串?dāng)_，對(duì)于大規(guī)模、高密度、亞波長(zhǎng)集成電路來說是一個(gè)極大的瓶頸。另一方面我們知道傳統(tǒng)光子晶體由于光子禁帶的約束，在通過無彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)時(shí)能夠通過諧振在某些單一頻率實(shí)現(xiàn)幾乎無散射的完美傳輸。但是由于傳統(tǒng)光子晶體的光子禁帶是基于布拉格散射形成的，所以傳統(tǒng)光子晶體的周期一般是波長(zhǎng)量級(jí)，這樣就造成光子晶體的尺寸很大，不利于大規(guī)模、高密度光學(xué)電路集成。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明首先提供了一種新型表面波光子晶體。

本發(fā)明的表面波光子晶體由金屬平面上二維周期性排列的金屬柱狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成，金屬柱與柱之間的距離相等，且該距離小于表面波工作波長(zhǎng)的二分之一。

所述的表面波被約束在金屬平面的表面?zhèn)鞑ァ?/p>

所述金屬柱與柱之間的距離小于表面波工作波長(zhǎng)的二分之一，可選的，所述金屬柱與柱之間的距離小于表面波工作波長(zhǎng)的十分之一。另選的，所述金屬柱與柱之間的距離小于表面波工作波長(zhǎng)的二十分之一。

本發(fā)明還公開了幾種能控制表面波傳輸?shù)谋砻娌ü庾泳w功能器件，其為在本發(fā)明所述的表面光子晶體上通過引入缺陷得到；引入缺陷的方式為降低部分金屬柱子高度，使得較短的金屬柱子的諧振頻率正好處在周圍較長(zhǎng)金屬柱子組成的光子晶體的禁帶內(nèi)。因此，當(dāng)引入的缺陷為線缺陷時(shí)，電磁波會(huì)被約束在線缺陷內(nèi)并沿著線缺陷傳播。

所述的引入缺陷的方式為降低部分金屬柱柱高，所述缺陷處的諧振頻率處在周圍較高金屬柱組成的表面波光子晶體的禁帶之內(nèi)，所述降低高度后的金屬柱高度相同。

基于所述表面波光子晶體的直波導(dǎo)，通過在金屬平面上周期性金屬柱狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的表面波光子晶體中引入線缺陷構(gòu)成；所述線缺陷處的諧振頻率處在周圍較高金屬柱組成的表面波光子晶體的禁帶之內(nèi)，所述引入線缺陷的方式為降低一條直線上的金屬柱狀結(jié)構(gòu)的高度，所述降低高度后的金屬柱高度相同。

更進(jìn)一步的，當(dāng)引入的缺陷為無彎曲半徑的90度彎曲波導(dǎo)時(shí)，只要較短的金屬柱子(缺陷)的諧振頻率處在周圍較長(zhǎng)金屬柱子組成的光子晶體的禁帶內(nèi)，表面電磁波即可以實(shí)現(xiàn)在通過無彎曲半徑的90度彎曲波導(dǎo)時(shí)無散射且無反射的高效傳輸。

更進(jìn)一步的，在所述表面波光子晶體通過引入u型缺陷構(gòu)造兩個(gè)無彎曲半徑的90度彎曲波導(dǎo)，表面電磁波仍可以在u型缺陷彎曲波導(dǎo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)無散射且無反射的高效傳輸。

本發(fā)明提出的新型表面光子晶體，該新型表面光子晶體和傳統(tǒng)的基于布拉格散射的光子晶體很不相同。因?yàn)樵摫砻婀庾泳w是基于局部諧振產(chǎn)生的表面波光子禁帶，所以該新型表面光子晶體的周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)，對(duì)于微波及太赫茲器件小型化有重要應(yīng)用。

本發(fā)明能夠在很寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)表面電磁波在通過無彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)時(shí)既無反射也無散射的完美傳輸。這是傳統(tǒng)人工表面等離子體波導(dǎo)及傳統(tǒng)光子晶體所不具備的。為未來大規(guī)模、亞波長(zhǎng)太赫茲和光學(xué)集成電路的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了一種有效可行的解決方案。

附圖說明

圖1(a)表面波光子晶體示意圖，金屬柱子的高度為h，周期為d。圖1(b)表面波光子晶體的能帶圖；圖1(c)表面波光子晶體的近場(chǎng)傳輸譜；

圖2(a)表面波光子晶體線缺陷波導(dǎo)示意圖；圖2(b)線缺陷波導(dǎo)的色散曲線；圖2(c)線缺陷波導(dǎo)的近場(chǎng)傳輸譜；圖2(d)線缺陷波導(dǎo)的近場(chǎng)分布圖；

圖3(a)u型線缺陷彎曲波導(dǎo)示意圖；圖3(b)u型線缺陷彎曲波導(dǎo)近場(chǎng)傳輸譜；圖3(c)u型線缺陷彎曲波導(dǎo)的近場(chǎng)分布圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。

實(shí)施例1

本發(fā)明的表面波光子晶體是由金屬表面周期性分布的金屬柱構(gòu)成的，如圖1(a)所示，金屬柱子的高度是h＝5mm,半徑是r＝1.25mm，周期是d＝5mm.采用有限元本征模式分析法可以得到該周期金屬結(jié)構(gòu)的能帶圖，如圖1(b)所示，該金屬結(jié)構(gòu)在12.6ghz到27ghz之間存在一個(gè)表面波光子晶體禁帶，在該表面波光子晶體禁帶內(nèi)不支持任何的表面波模式。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該金屬結(jié)構(gòu)的近場(chǎng)傳輸譜。如圖1(c)所示，近場(chǎng)傳輸譜中從12.6ghz到27ghz出現(xiàn)了一個(gè)傳輸陷帶，正好對(duì)應(yīng)能帶圖中的表面波光子晶體禁帶，證明了該金屬表面結(jié)構(gòu)是一種表面波光子晶體。

實(shí)施例2

在實(shí)施例1的表面波光子晶體中可以通過引入缺陷(降低金屬柱子高度)的方法來控制表面波的傳輸。如圖2(a)所示，把其中一列的金屬柱從高度h＝5mm降低到h＝4.3mm，這樣較短的金屬柱子的諧振頻率正好處在周圍較長(zhǎng)金屬柱子組成的光子晶體的禁帶內(nèi)，所以電磁波會(huì)被約束在線缺陷內(nèi)并沿著線缺陷傳播。用同樣的方法算出了該線缺陷的色散曲線，如圖2(b)所示，該色散曲線正好位于周圍光子晶體的禁帶內(nèi)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了該線缺陷波導(dǎo)的傳輸譜，在12.6ghz到14.2ghz之內(nèi)表面波可以通過該線缺陷波導(dǎo)完美傳輸。為了對(duì)比，同時(shí)測(cè)試了沒有缺陷存在時(shí)的近場(chǎng)傳輸譜，如圖2(c)所示，表面波光子晶體禁帶從12.6ghz開始。利用微波近場(chǎng)成像平臺(tái)測(cè)出了線缺陷波導(dǎo)的電場(chǎng)分布圖，如圖2(d)所示，表面波被緊緊約束在線缺陷內(nèi)并沿著線缺陷傳播。

實(shí)施例3

90度彎曲波導(dǎo)在微波及太赫茲集成電路中是一種基本的元器件。在該表面波光子晶體通過引入u型缺陷構(gòu)造了兩個(gè)無彎曲半徑的90度彎曲波導(dǎo)，如圖3(a)所示。利用兩個(gè)單極子天線作為激發(fā)源和探針測(cè)試了該u型彎曲波導(dǎo)的傳輸率，如圖3(b)所示，在12.8ghz到14.1ghz的頻段內(nèi)表面電磁波可以實(shí)現(xiàn)無散射無反射的高效傳輸。這和傳統(tǒng)的人工表面等離子體波導(dǎo)很不相同。傳統(tǒng)的人工表面等離子體波導(dǎo)在通過90無彎曲半徑的彎曲波導(dǎo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的散射和反射。