微波頻段人工表面等離子體的研究現狀與前景

浙江省計量科學研究院 顧夏珍

中國計量大學 肖丙剛 盧敏然

杭州市質監督檢測院 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態。

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/介質界面的光學區域。它們在特殊領域的限制和增強方面具有獨特的優勢。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體（PECs），而不是負介電常數的等離子體。為了在低頻率下實現類似的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構進行了評定。

西班牙學者A.1.Fernadez-Dominguez等研究員引入了周期性人工結構的三角棱和V型槽表面波模式，使得spoof SPPs在低頻段的應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結構并命名為多米諾等離子體，可以實現spoof SPPs長傳輸距離以及橫向亞波長的約束。國內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形槽內刻周期性分布的U形槽的新型表面波導結構，尤其是U形槽的結構，可以實現電磁波傳輸的90°彎曲的100%的傳輸。并且為了克服三維結構的復雜性，2013年還提出了一種超薄波紋金屬條，以支持和引導高約束的spoof SPPs，即使它被任意彎曲、扭曲或纏繞。而且為了將單導體spoof SPPs傳輸線與傳統的雙導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spoof SPPs模式與傳統導波模式的平滑轉換。此后，許多基于spoof SPPs的相關工作被報道，他們具有低傳輸損耗、高局域化場、低串擾等優點。

與傳統三維結構相比，二維結構的spoof SPPs的一個巨大的優越性在于結構簡單，易于集成，且其性質完全取決于金屬表面的結構的尺寸。結合spoof SPPs的特性和激發方式，分析平面結構spoof SPPs在不同金屬表面結構的表現的不同特性，可以介紹spoof SPPs在微波段的新應用。并且，隨著近年來活性超材料和超表面朝著動態功能方向發展，如切換和調制電磁波。

為了獲得動態功能，人們提出了一系列方法（例如，微電子機械技術，相變介質，超導體，半導體襯底中的載流子注入或耗盡等），以及許多可調諧金屬材料器件也相應地被創造出來，編碼和可編程元表面的概念已經被提出，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的特性和激發方式

Spoof SPPs的特性完全取決于金屬表面的特定形狀，上節中介紹，在金屬表面刻周期結構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“慢波”的特性。Garcia-Vidal F J等分析了在金屬表面刻周期結構的槽和孔時，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出spoof SPPs。

圖1 Spoof SPPs色散曲線圖

為了激發spoof SPPs，研究人員引入了特殊的結構，以達到spoof SPPs與入射電磁波的動量匹配，常用的結構主要有：（1）棱鏡耦合法；（2）采用波導結構；（3）采用衍射光柵結構；（4）采用近場激發等。但是，上述的四種方法，大多數針對三維結構的spoof SPPs，對于在平面結構下激發spoof SPPs，研究人員崔鐵軍和沈曉鵬研究了利用共面波導（CPW）的方式，實現共面波導與spoof SPPs的動量匹配，激發了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 共面波導方式實現spoof SPPs的動量匹配結構示意圖和電場能量分布圖

2 代表性新應用

通過改變金屬表面的結構，spoof SPPs的特性可以得到不斷的提升，這為發展各種新型的微波器件提供了更多的理論基礎。并且在改變金屬表面結構的基礎上，可以加載有源器件來實現動態控制，達到不被物理尺寸束縛的理想通信器件的設計。

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的等離子體器件的實現。分析，在spoof SPPs上加載變容二極管實現以通過對偏置電壓的加載實現動態控制抑制帶的產生與合并，進而實現獨立雙通道SSPP的邏輯門設計。實驗證明了，在spoof SPPs在平面結構中加載二極管，通過對偏置電壓的編程，可以實時自由重構抑制帶的中心頻率，數目和帶寬。如圖3所示。

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

設計的多種模式下的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，并沿著金屬槽表面傳播。通過通孔將直流偏置電壓加載到SRR環，每條線路上使用四個級聯電感器隔離了直流信號和射頻信號，實現用16個SSPP單元等離子體波導。

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

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。通過加載變容二極管在SPP波導相鄰的金屬齒之間。通過動態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方向耦合和交叉傳輸實現高效的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重新配置。該方法為在大規模微波集成電路和數字通信系統中的應用奠定了基礎。

圖4 變容二極管的spoof SPP裝置的示意圖，上波導和下波導分別稱為輸入波導#1和耦合波導#2

2020年，東南大學崔鐵軍等人研究了基于重構SPP和空間波導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容二極管的可重構spoof表面等離子體極化激元SPP和一個襯底集成波導SIW組成。通過控制他們的色散行為，在混合電路中實現通帶效應。上下截止頻率分別由SPP波導和SIW決定。當兩個SPP波導的截止頻率相同且高于SIW截止頻率時，該電路可實現功率分割；當一個SPP波導被重新配置以抑制SIW的波導時，這個電路將成為一個通帶濾波器。作為一個典型的應用，一個2位編碼的邏輯或門是通過編程施加在SPP波導單元結構上的變容二極管的偏置電壓來設計的。由示意圖如圖5所示。

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

結語：Spoof SPPs的優異性能越來越多的受到國內外學者的關注，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的發展，將來會有更多的spoof SPPs器件進入市場。本文結合spoof SPPs的特性以及激發方式，重點介紹了平面結構的spoof SPPs在微波頻段各種器件以及動態調節研究方面的成果。總之，平面結構的spoof SPPs為微波器件的集成與研究提供了難得的機遇。