[發明專利]混合型的金屬?介質SSP周期光柵系統及其用途和方法

有效

• 申請號: 201610428936.3
• 申請日: 2016-06-16
• 公開（公告）號: CN106054291B
• 公開（公告）日: 2018-03-30
• 發明（設計）人: 劉永強;杜朝海;劉濮鯤
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00;G02B6/124;G02B6/122
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙)11360
• 代理人: 王巖

技術領域

本發明涉及納米光學，具體涉及一種混合型的金屬-介質SSP周期光柵及其用途和方法。

背景技術

太赫茲波是一種頻率量級為THz(1THz＝10¹²Hz)的電磁輻射，其在電磁波譜中處于微波與紅外光學之間，因此也被稱為由傳統電子學向微觀光子學過渡的太赫茲間隙(THz Gap)。近年來，由于太赫茲波的一系列獨特優勢而受到國內外學術界以及工業界的廣泛關注，形成了一門針對太赫茲波的產生、傳輸、操控以及應用相關的新學科，即太赫茲科學與技術。由于其在電磁波譜中的獨特位置，太赫茲波展現出了微波及紅外所不具有的一系列優越性。比如，相對于低頻段的微波，由于其波長更短，具有更強的穿透性和更好的方向性，在成像及跟蹤領域具有一定的優勢。

發展太赫茲科學與技術離不開對以波導為基礎的功能器件的研究，波導作為傳輸太赫茲波的結構，其結構特性往往也決定了其傳導的太赫茲波的傳輸特性。因此，太赫茲波導不僅起著傳輸太赫茲波的作用，而且在一定層度上還能夠起到操控太赫茲波的目的。研究太赫茲波導與傳統微波波段的金屬波導一樣，也是對其傳播常數的研究，包括實部和虛部的兩部分，即分別表征色散特性和傳輸損耗。由于太赫茲波在大氣中傳輸的衰減很大(除了THz大氣窗口如350μm、450μm、620μm、735μm波長附近)，因此太赫茲波導對發展太赫茲科學技術顯得尤為重要。針對不同的應用場合，選取易于與現有太赫茲系統集成的波導器件成為了關鍵。除了以上提到的低色散、衰減小以及便于集成等優點外，一般還要求波導具有單模傳輸、寬帶寬及結構簡單等特點。根據目前常見的太赫茲波導，大體可分為兩類：一種是從低頻率的較為成熟的微波波導向高頻率發展，如金屬波導；另一種是從光學波段往低頻率發展，比如光子晶體光纖，除此之外還出現了一些新型的太赫茲波導，如石墨烯波導、金屬介質混合波導、光子晶體波導等等。

下面對太赫茲波導的研究現狀作一簡單回顧：

(1)金屬波導。太赫茲金屬波導是一種常見的而且非常成熟的波導技術，如各種形狀(圓形、矩形等)的金屬腔波導、平行板金屬波導等。這一類波導一般存在一個低頻截止頻率，為多模傳輸。不足之處是太赫茲波的群速度色散較大，在某些應用場合存在缺陷。通過研究發現，采用平行板金屬波導能有效地抑制群速度色散的影響。相比于以上金屬波導，金屬絲波導能夠大大地減小傳輸損耗，較低的傳輸色散，是一種結構較為簡單的太赫茲波導。2004年有文獻報道，不銹鋼單金屬線能夠實現幾乎無色散、平均損耗系數很小的太赫茲波傳輸，實驗表明太赫茲波在該波導中傳輸4厘米和24厘米后幾乎無變形(Kanglin Wang and D.M.Mittleman,Nature 432,376,2004)。但是該種金屬波導能夠局促太赫茲波的能力有限，因為金屬在太赫茲以及更低的波段的電導率有限，因此這一波段的太赫茲波也被稱為Sommerfeld Wave或Zenneck Wave。

(2)介質波導。另一種常見類型的太赫茲波導是介質波導，其原理類似于光纖傳輸的原理。利用一些在太赫茲波段衰減較低的材料組成全介質的實心或空心的波導，能夠得到各種形狀和不同結構的波導。與金屬波導相比，介質波導最大的特點是能夠有效的局促太赫茲波，能夠實現單模傳輸，易產生線偏振模，但是最大的缺點是損耗較大。比如，常用的單晶藍寶石、塑料、布料以及聚合物等等。根據不同的應用需求，選取介電常數合適的材料作為介質波導傳輸太赫茲波。在介質波導中，有一種特殊的周期性結構的波導，即太赫茲光子晶體波導，現在已經出現了用于太赫茲波傳播的一維、二維及三維光子晶體波導。

(3)新型波導。除了以上兩種常見的金屬波導和介質波導外，在太赫茲波段還出現了一些新型波導。這里面最常見的就是本發明涉及的基于表面等離子體激元(Surface Plasmon Polaritons,SPP)的波導。