本文關(guān)鍵詞：人工表面等離子體及其亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的特性研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

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【摘要】：表面等離體子激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一種可以在金屬/介質(zhì)界面上局域地傳播的表面電磁波,存在于紫外、可見(jiàn)光和近紅外頻段。由于SPPs有望突破衍射極限,為光子器件的小型化和集成化帶來(lái)了希望,因此受到廣泛關(guān)注。人工表面等離子體激元(spoof SPPs,SSPPs)是SPPs在太赫茲和微波波段的一個(gè)重要拓展,它本質(zhì)上是一種被金屬表面周期性的幾何結(jié)構(gòu)(凹槽,孔,金屬粒子等)約束著傳播的表面電磁波。它的色散關(guān)系主要由結(jié)構(gòu)參數(shù)控制,在應(yīng)用中具有很大的靈活性。近年來(lái)的研究表明,SSPPs可與太赫茲技術(shù)、微波技術(shù)、超材料以及光子晶體等領(lǐng)域的知識(shí)對(duì)接,具有很廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)SSPPs及其亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的特性進(jìn)行了理論分析,并設(shè)計(jì)了具有特殊性能的亞波長(zhǎng)器件。具體內(nèi)容如下:提出和研究L形槽陣列光柵波導(dǎo)。首先利用模式展開(kāi)法和電磁場(chǎng)的連續(xù)性條件推導(dǎo)L形槽陣列光柵波導(dǎo)中的SSPPs的色散關(guān)系式,并利用電磁仿真軟件進(jìn)行模擬驗(yàn)證。然后解析討論SSPPs的色散關(guān)系對(duì)橫向槽深度的敏感性。以此為基礎(chǔ),討論L槽陣列光柵波導(dǎo)在彩虹捕獲效應(yīng)中的應(yīng)用。最后,分析具有多個(gè)橫向槽的組合槽陣列光柵波導(dǎo),以解決L形槽的橫向槽受周期大小限制的問(wèn)題。研究結(jié)果表明,L形槽可以等效為深度更大的矩形槽,給矩形槽添加橫向槽等同于增加它的深度。提出和分析非矩形槽陣列光柵波導(dǎo)中的SSPPs的色散關(guān)系的解析算法。首先利用模式展開(kāi)法和電磁場(chǎng)的連續(xù)性條件,推導(dǎo)T形槽陣列光柵波導(dǎo)中的SSPPs的色散關(guān)系式,解析分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)SSPPs性質(zhì)的影響。然后基于矩形槽和T形槽陣列光柵波導(dǎo)的色散關(guān)系式,利用類(lèi)推法推出多層的組合槽陣列光柵波導(dǎo)的色散關(guān)系式。由于槽寬度連續(xù)變化的槽可以等效為多層的組合槽,所以我們提出的解析算法對(duì)其也是適用的。以梯形槽和斜矩形槽陣列光柵波導(dǎo)為例,展示色散關(guān)系的解析求解過(guò)程。提出的解析算法表明組合槽可以等效為一個(gè)矩形槽,等效槽的深度和寬度由各層矩形槽的深度和寬度決定,解釋了為什么凹槽形狀會(huì)影響SSPPs的色散關(guān)系。提出和分析非矩形槽的雙光柵陣列波導(dǎo)中耦合模的色散關(guān)系的解析算法。雙光柵陣列波導(dǎo)是由兩個(gè)面對(duì)面放置的凹槽陣列光柵波導(dǎo)構(gòu)成的,對(duì)稱(chēng)的雙光柵陣列波導(dǎo)支持對(duì)稱(chēng)模和反對(duì)稱(chēng)模兩種耦合模,凹槽的形狀會(huì)影響耦合模的性質(zhì)。首先,利用模式展開(kāi)法和電磁場(chǎng)的連續(xù)性條件分別推導(dǎo)矩形槽的雙光柵陣列波導(dǎo)中對(duì)稱(chēng)模和反對(duì)稱(chēng)模的色散關(guān)系式。然后,利用多層組合槽和矩形槽之間的等效代換關(guān)系,得到多層組合槽的雙光柵陣列波導(dǎo)中耦合模的色散關(guān)系式,并給予模擬驗(yàn)證。最后,將梯形槽看作多層的組合槽,解析討論梯形槽的雙光柵陣列波導(dǎo)中耦合模的性質(zhì)隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。研究表明,雙光柵陣列波導(dǎo)的性質(zhì)由兩方面控制,一是構(gòu)成其的凹槽陣列光柵波導(dǎo),二是自身的介質(zhì)間隙寬度。研究由兩個(gè)超薄矩形槽陣列光柵波導(dǎo)構(gòu)成的雙光柵陣列波導(dǎo),提出可以激發(fā)對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)的耦合模的系統(tǒng)。采用間接激發(fā)的思路,利用兩對(duì)稱(chēng)或反對(duì)稱(chēng)的SSPPs的耦合作用,設(shè)計(jì)出包括共面波導(dǎo)、模式轉(zhuǎn)換器、耦合器和雙光柵陣列波導(dǎo)四部分的激發(fā)系統(tǒng)。模擬該激發(fā)系統(tǒng)的S參數(shù)及電磁場(chǎng)分布,證明該系統(tǒng)激發(fā)對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模的有效性。研究由兩個(gè)超薄平行四邊形槽陣列光柵波導(dǎo)構(gòu)成的雙光柵陣列波導(dǎo)。兩個(gè)超薄平行四邊形槽陣列光柵波導(dǎo)可以構(gòu)成對(duì)稱(chēng)或者非對(duì)稱(chēng)的雙光柵陣列波導(dǎo)。分別討論兩種雙光柵陣列波導(dǎo)的耦合模的色散關(guān)系隨槽的傾斜度的變化,研究結(jié)果表明,非對(duì)稱(chēng)的雙光柵陣列波導(dǎo)對(duì)傾斜度的變化更敏感。在某些傾斜度下,耦合模的群速度出現(xiàn)負(fù)值,證明該波導(dǎo)可以支持反向波的傳輸。當(dāng)傾斜度取特殊值時(shí),第一布里淵區(qū)邊界出現(xiàn)偶然簡(jiǎn)并,簡(jiǎn)并點(diǎn)受波導(dǎo)參數(shù)的影響。借助于微帶線和槽線之間的能量轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱(chēng)的雙光柵陣列波導(dǎo)中的耦合模的激發(fā)和傳輸。
[Abstract]:Surface plasmon polaritons (surface plasmon, polaritons, SPPs) is a kind of metal / dielectric interface in the local spread of the surface electromagnetic waves exist in the ultraviolet, visible and near-infrared bands. Because the SPPs is expected to break the diffraction limit for the miniaturization of photonic devices and integration brings hope therefore, attracted widespread attention. The artificial surface plasmon (spoof SPPs, SSPPs SPPs) is an important development in the microwave and terahertz band, it is essentially a geometric structure of metal periodic (the groove, hole, metal particle) bound surface electromagnetic wave propagation. The dispersion relation of it mainly controlled by the structural parameters, has great flexibility in application. The recent research shows that SSPPs can be used with terahertz technology, microwave technology, knowledge docking metamaterials and photonic crystals, which has broad application prospects. This paper analyses the theory of SSPPs and its characteristics of sub wavelength waveguide, and the design of sub wavelength devices with special properties. The specific contents are as follows: the introduction and research of L slot array waveguide grating. The dispersion relation of the mode expansion method and electromagnetic field continuity conditions are deduced L slot array waveguide grating in SSPPs, and was simulated using the electromagnetic simulation software. Then analysis and discuss the sensitivity of the SSPPs dispersion relation of transverse groove depth. On this basis, discussed the L grating waveguide slot array in the application effect of the rainbow capture. Finally, analysis is provided with a plurality of transverse slot combination grating waveguide slot array, to solve the transverse groove L groove the cycle size limit. The results show that the L slot can be rectangular slot is equivalent to a greater depth, add to the transverse groove rectangular groove is equal to increase the depth of it. Put forward and analysis Analytical method of dispersion relation of rectangular groove waveguide array grating SSPPs. The continuity condition of first using the mode expansion method and electromagnetic field, the dispersion relation is derived T slot array waveguide grating in SSPPs, analysis the influence of structure parameters on the properties of SSPPs. Then the dispersion relation of rectangular slot and T slot array grating waveguide based on the dispersion relation of multilayered waveguide slot array grating combination launched by analogy. Due to the continuous changes of the width of the groove groove can be equivalent to the combination of slot layers, so we proposed the analytic algorithm is also applicable. By the trapezoidal groove and inclined rectangular slot array waveguide grating as an example to show the dispersion relation the analytical solution process. Analytical algorithm show that the combination of slots can be equivalent to a rectangular groove, the groove depth and width by equivalent depth and width of each layer determines the rectangular groove, explains why It will affect the dispersion relation of SSPPs groove shape. Analytic algorithm is proposed and analyzed the dispersion relation coupling mode of double grating waveguide array non rectangular groove. The double grating waveguide array is composed of two face placed groove waveguide array grating, symmetrical double grating array wave guide support symmetric mode and the antisymmetric mode two kinds of coupled mode, the shape of the grooves will affect the properties of coupled mode. First, a double grating array waveguide mode expansion method using the continuity conditions and electromagnetic field are derived in rectangular groove symmetric mode and the antisymmetric dispersion relation model. Then, using the equivalent substitution relationship between multi-layer groove and rectangular groove, dispersion the relationship between coupling mode double grating array waveguide multilayer slot in, and give the simulation. Finally, the trapezoidal groove groove as a combination of multiple layers, analytical discussion guide double grating array wave trapezoidal grooves The change in properties of coupled mode with the structure parameters. The results show that the properties of the double grating waveguide array is controlled by two aspects, one is the waveguide array grating groove, two medium gap width itself. The double optical grid array waveguide consists of two thin rectangular slot array waveguide grating, this system can excitation of symmetric and anti coupled mode known. By indirect excitation of ideas, using two symmetric or antisymmetric coupling of SSPPs, including the design of coplanar waveguide, mode converter, double coupler and grating array waveguide excitation system. The four part of the simulation of the S parameters and the distribution of electromagnetic field excitation system, proves that the system excitation of symmetric and anti symmetric mode. The effectiveness of the double grating array waveguide consists of two thin parallelogram slot array grating waveguide structure. Two thin parallelogram slot array waveguide grating can be To form a double grating waveguide array is symmetric or asymmetric. Discuss the dispersion relation coupling mode of two kinds of double grating array waveguide changes with groove inclination, the results show that the double grating waveguide array is more sensitive to the change of asymmetric tilt. In some inclination, group velocity coupled mode negative, the waveguide can support backward wave propagation. When the inclination of the special value, the boundary of the first Brillouin zone appeared accidental degenerate, effects of degeneracy by waveguide parameters. With the help of energy conversion between microstrip line and slot line, realize the coupling mode of double grating array waveguide asymmetric in the the excitation and transmission.

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN25;O53

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本文編號(hào)：1427937