非线性人工表面等离激元特性与应用研究

The spoof surface plasmon polaritons (SSPPs) based on sub-wavelength metallic periodic structures are surface confined electromagnetic (EM) modes in the microwave and terahertz bands, which resemble the merits of the EM characteristics of the real surface plasmon polaritons (SPPs) in the optical regime. SSPPs can not only make up the loss limitation of SPPs in the optical bands, but also can realize ultra-sensitive ultra-resolution sensing and imaging at microwave and terahertz frequencies. Nonlinear SSPPs has more abundant EM properties, which will expand the space on the design and development of new microwave, terahertz and optical components. And it may bring breakthrough in metamaterial applications. Here, modified SSPP structures loaded with varactor diodes will be used to implement nonlinear SSPP waveguide, and we are going to explore the characteristics of the nonlinear SSPPs，especially for the theories and experiments in forward and backward phase matched harmonic generations and intelligent EM regulations. Firstly, full wave simulations will be performed based on planar SSPP waveguides. Then, After performing above works, we will further explore the applications of nonlinear SSPPs on EM wave high-efficiency harmonic conversion, sensing and EM characteristic regulation. This project is based on the applicant's recent reaearch work on the theory and application of the SSPPs. We hope to take on further study on the relevent theories, experiments and applications, and try our best to acquire originality products.

人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)是微波和太赫兹波段基于亚波长金属周期结构的一种表面束缚电磁模式，与光波段SPPs具有极其相似的电磁特性。非线性SSPPs进一步拓展了SSPPs的概念，它所具备的电磁性质更为丰富，将大大拓展微波、太赫兹及光学器件的设计与开发空间，有可能在应用方面带来突破性进展。本项目通过在SSPPs波导中加载变容二极管实现非线性SSPPs导波结构，并主要围绕非线性SSPPs波导中前向与背向相位匹配二次谐波的产生与传播、智能电磁调控等方面开展理论与实验研究。实际制备基于非线性SSPPs的新型功能器件，探索其在电磁波高效率谐波转化、传感以及电磁波特征信息调控等方面的应用。本项目结合申请人近年来在SSPPs方面的研究工作，希望通过对非线性SSPPs理论、实验和应用的研究，争取在这一领域获得一系列原创性成果。

人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)是微波和太赫兹波段基于亚波长金属周期结构的一种表面束缚电磁模式，与光波段SPPs具有极其相似的电磁特性，在微波到太赫兹波段具有广泛的应用前景。本项目主要针对非线性SSPPs的产生与传播、智能调控等方面开展理论与实验研究，实际制备非线性SSPPs器件，探索其在电磁波高效谐波转化、传感以及电磁特征信息调控等方面的应用，取得了一系列原创性成果，主要包括. （1）提出了一种基于“共形SSPPs”的柔性亚波长SSPPs负折射波导平台，可在无磁谐振的情况下实现宽频带负折射功能，在120度低损耗超薄柔性波导表面实现了背向相位匹配二次谐波的高效激发与传播。在此基础上，开发了一种可重构SSPP波导平台实现前向和背向相位匹配二次谐波间的实时高效切换。该工作对实现非线性人工电磁超材料的广泛应用具有重要的科学意义和工程价值。. （2）研究了多层杂交系统中波导色散诱导等效SSPPs传播机理，并从麦克斯韦方程出发严格推导了其色散方程，提出了一种具有横向可调特性的双层等效SSPPs结构。结果表明：通过改变波导横向尺寸，可实现带宽可调的超低损耗等离子滤波器，在7GHz到12GHz范围内S11均小于-20dB，在6.7GHz到12.5GHz范围内S21均在-0.5dB以上。同时，利用波导色散机制在两种正介电常数介质界面处实现了等效LSPs的多极谐振。这些工作为等效SSPPs和LSPs的可调提供了更多自由度，为设计微波和太赫兹波段深亚波长低损耗和小型化传输线、滤波器、谐振器、传感器、功分器等提供了新的思路和方案。.（3）提出了一种基于SSPPs的低串扰驱动线，分别在时域和频域测试中得到了该复杂波导的低串扰分布。利用SSPPs的强局域特性可显著降低复杂驱动线的串扰电平，为提高大规模集成电路中信号完整性提供了新的方法。