微波頻段人工表面等離子體的研究現(xiàn)狀與前景

浙江省計量科學(xué)研究院 顧夏珍

中國計量大學(xué) 肖丙剛 盧敏然

杭州市質(zhì)監(jiān)督檢測院 顧國鋒

表面等離子體激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs）是頻率在可見光或者紫外光區(qū)域的二維表面波，由光和金屬表面的自由電子相互作用引發(fā)的一種電磁波模式，或者說在局域金屬表面的電子和光子相互作用的混合激發(fā)態(tài)。

由于光子與電子的相互作用，表面等離子體激元（SPPs）自然存在于金屬空氣/介質(zhì)界面的光學(xué)區(qū)域。它們在特殊領(lǐng)域的限制和增強方面具有獨特的優(yōu)勢。然而，當頻率下降時，如遠紅外線、太赫茲和微波波段SPPs不再被支持，因為金屬更像是完美的電導(dǎo)體（PECs），而不是負介電常數(shù)的等離子體。為了在低頻率下實現(xiàn)類似的SPPs，Deco從2004年開始提出了spoof表面等離子激元（spoof surface plasmon polariton，spoof SPPs）的概念，并對金屬表面上的一系列三維周期性人工結(jié)構(gòu)進行了評定。

西班牙學(xué)者A.1.Fernadez-Dominguez等研究員引入了周期性人工結(jié)構(gòu)的三角棱和V型槽表面波模式，使得spoof SPPs在低頻段的應(yīng)用打開了廣闊的道路。2010年，D.Martin-Cano等人提出了新型的人工表面等離子體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)并命名為多米諾等離子體，可以實現(xiàn)spoof SPPs長傳輸距離以及橫向亞波長的約束。國內(nèi)研究人員沈林放教授在2011年提出了一維周期排列的孔和在V形槽內(nèi)刻周期性分布的U形槽的新型表面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，尤其是U形槽的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)電磁波傳輸?shù)?0°彎曲的100%的傳輸。并且為了克服三維結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，2013年還提出了一種超薄波紋金屬條，以支持和引導(dǎo)高約束的spoof SPPs，即使它被任意彎曲、扭曲或纏繞。而且為了將單導(dǎo)體spoof SPPs傳輸線與傳統(tǒng)的雙導(dǎo)體微波傳輸線有效地集成在一起，還提出了一些匹配過渡，以實現(xiàn)spoof SPPs模式與傳統(tǒng)導(dǎo)波模式的平滑轉(zhuǎn)換。此后，許多基于spoof SPPs的相關(guān)工作被報道，他們具有低傳輸損耗、高局域化場、低串擾等優(yōu)點。

與傳統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)相比，二維結(jié)構(gòu)的spoof SPPs的一個巨大的優(yōu)越性在于結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，且其性質(zhì)完全取決于金屬表面的結(jié)構(gòu)的尺寸。結(jié)合spoof SPPs的特性和激發(fā)方式，分析平面結(jié)構(gòu)spoof SPPs在不同金屬表面結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)的不同特性，可以介紹spoof SPPs在微波段的新應(yīng)用。并且，隨著近年來活性超材料和超表面朝著動態(tài)功能方向發(fā)展，如切換和調(diào)制電磁波。

為了獲得動態(tài)功能，人們提出了一系列方法（例如，微電子機械技術(shù)，相變介質(zhì)，超導(dǎo)體，半導(dǎo)體襯底中的載流子注入或耗盡等），以及許多可調(diào)諧金屬材料器件也相應(yīng)地被創(chuàng)造出來，編碼和可編程元表面的概念已經(jīng)被提出，以使用“0”和“1”元元素來控制空間電磁波的散射/輻射性能。

1 Spoof SPPs的特性和激發(fā)方式

Spoof SPPs的特性完全取決于金屬表面的特定形狀，上節(jié)中介紹，在金屬表面刻周期結(jié)構(gòu)的槽和孔可以增強電磁波在金屬表面的透射能力。Spoof SPPs是通過表面的電荷和電磁波相互作用得到的，因此在金屬表面的電荷密度和電磁波的相互作用導(dǎo)致spoof SPPs的動量EkSPPs大于在同一頻率下的自用空間的動量Ek0，k0為自由空間波矢，（k0=ω/c），kSPPs為spoof SPPs的空間波矢，因此，spoof SPPs表現(xiàn)“慢波”的特性。Garcia-Vidal F J等分析了在金屬表面刻周期結(jié)構(gòu)的槽和孔時，kSPPs與k0在頻率和傳播距離下的色散曲線圖，進一步驗證了spoof SPPs的“慢波”特性如圖1所示。因此，由于spoof SPPs的動量與入射電磁波的動量不匹配，所以不能直接用光波激發(fā)出spoof SPPs。

圖1 Spoof SPPs色散曲線圖

為了激發(fā)spoof SPPs，研究人員引入了特殊的結(jié)構(gòu)，以達到spoof SPPs與入射電磁波的動量匹配，常用的結(jié)構(gòu)主要有：（1）棱鏡耦合法；（2）采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；（3）采用衍射光柵結(jié)構(gòu)；（4）采用近場激發(fā)等。但是，上述的四種方法，大多數(shù)針對三維結(jié)構(gòu)的spoof SPPs，對于在平面結(jié)構(gòu)下激發(fā)spoof SPPs，研究人員崔鐵軍和沈曉鵬研究了利用共面波導(dǎo)（CPW）的方式，實現(xiàn)共面波導(dǎo)與spoof SPPs的動量匹配，激發(fā)了spoof SPPs，使得spoof SPPs可以在超薄金屬膜上傳播較長距離，如圖2所示。

圖2 共面波導(dǎo)方式實現(xiàn)spoof SPPs的動量匹配結(jié)構(gòu)示意圖和電場能量分布圖

2 代表性新應(yīng)用

通過改變金屬表面的結(jié)構(gòu)，spoof SPPs的特性可以得到不斷的提升，這為發(fā)展各種新型的微波器件提供了更多的理論基礎(chǔ)。并且在改變金屬表面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以加載有源器件來實現(xiàn)動態(tài)控制，達到不被物理尺寸束縛的理想通信器件的設(shè)計。

2019年，崔鐵軍研究團隊研究了多種模式下的spoof表面等離子體激元的可編程控制以達到可重構(gòu)的等離子體器件的實現(xiàn)。分析，在spoof SPPs上加載變?nèi)荻O管實現(xiàn)以通過對偏置電壓的加載實現(xiàn)動態(tài)控制抑制帶的產(chǎn)生與合并，進而實現(xiàn)獨立雙通道SSPP的邏輯門設(shè)計。實驗證明了，在spoof SPPs在平面結(jié)構(gòu)中加載二極管，通過對偏置電壓的編程，可以實時自由重構(gòu)抑制帶的中心頻率，數(shù)目和帶寬。如圖3所示。

圖3 提出的等離子體波導(dǎo)原理圖，其中白色部分是金屬，黑色部分是介質(zhì)襯底；（a）為俯視圖，（b）為底部視圖

設(shè)計的多種模式下的spoof表面等離子體激元的可編程控制以達到可重構(gòu)的等離子體器件，驗證了spoof SPPs可以將很好的將電磁波限制在金屬槽中，并沿著金屬槽表面?zhèn)鞑ァＭㄟ^通孔將直流偏置電壓加載到SRR環(huán)，每條線路上使用四個級聯(lián)電感器隔離了直流信號和射頻信號，實現(xiàn)用16個SSPP單元等離子體波導(dǎo)。

不同偏置電壓可以對表面的電磁波進行調(diào)控，為信號控制器的設(shè)計提供了理論與實驗依據(jù)。由于設(shè)計器件較小，有尺寸方面的優(yōu)勢，實際應(yīng)用用途更廣證明了spoof SPPs的優(yōu)良特性。

2020年，崔鐵軍團隊等人研究了基于可編程多功能器件的spoof表面等離子體激元。通過加載變?nèi)荻O管在SPP波導(dǎo)相鄰的金屬齒之間。通過動態(tài)編程電容二極管的偏置電壓，可以自由控制耦合波在兩個SPP波導(dǎo)上的傳播。如圖4。該可編程SPP器件具有四種傳輸形式，可通過傳輸，不等耦合，3dB方向耦合和交叉?zhèn)鬏攲崿F(xiàn)高效的SPP。并且具有較好的隔離效果。不同的功能和操作頻率范圍可以實現(xiàn)重新配置。該方法為在大規(guī)模微波集成電路和數(shù)字通信系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖4 變?nèi)荻O管的spoof SPP裝置的示意圖，上波導(dǎo)和下波導(dǎo)分別稱為輸入波導(dǎo)#1和耦合波導(dǎo)#2

2020年，東南大學(xué)崔鐵軍等人研究了基于重構(gòu)SPP和空間波導(dǎo)模式的可編程混合電路。提出的一種可編程的混合電路，該電路由兩個加載變?nèi)荻O管的可重構(gòu)spoof表面等離子體極化激元SPP和一個襯底集成波導(dǎo)SIW組成。通過控制他們的色散行為，在混合電路中實現(xiàn)通帶效應(yīng)。上下截止頻率分別由SPP波導(dǎo)和SIW決定。當兩個SPP波導(dǎo)的截止頻率相同且高于SIW截止頻率時，該電路可實現(xiàn)功率分割；當一個SPP波導(dǎo)被重新配置以抑制SIW的波導(dǎo)時，這個電路將成為一個通帶濾波器。作為一個典型的應(yīng)用，一個2位編碼的邏輯或門是通過編程施加在SPP波導(dǎo)單元結(jié)構(gòu)上的變?nèi)荻O管的偏置電壓來設(shè)計的。由示意圖如圖5所示。

圖5 提出的等離子體波導(dǎo)原理圖，其中深色部分是金屬，淺色部分是介質(zhì)襯底；（a）為俯視圖，（b）為底部視圖，（c）為側(cè)視圖

結(jié)語：Spoof SPPs的優(yōu)異性能越來越多的受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，也有了越來越多激動人心的成果，隨著研究的深入，納米以及集成電路技術(shù)的發(fā)展，將來會有更多的spoof SPPs器件進入市場。本文結(jié)合spoof SPPs的特性以及激發(fā)方式，重點介紹了平面結(jié)構(gòu)的spoof SPPs在微波頻段各種器件以及動態(tài)調(diào)節(jié)研究方面的成果?？傊?，平面結(jié)構(gòu)的spoof SPPs為微波器件的集成與研究提供了難得的機遇。