基于立体金属微结构的太赫兹人工表面等离极化激元传输调控研究

Photonic circuits based on surface plasmon polaritons (SPPs) can overcome the bottleneck of the current development of microelectronics, which is expected to become a new generation of information technology. As the SPPs propagation loss and processing difficulties with sub-wavelength structure in the optical band have been affecting its development. In the terahertz range, Spoof SPPs(SSPPs) can achieve the similar characteristics of SPPs in the optical regime though patterning the metal surfaces, and their tunable performance, low propagation loss and easy processing enable them to attract more and more attentions. Therefore, on the basis of the current research status and some previous works of the applicant in this field, stereo metallic microstructures are proposed to control the THz SSPPs efficiently. The research content includes: investigation of dispersion characteristics and coupling mechanism on THz SSPPs with the proposed stereo metallic microstructures, based on numerical simulation, theoretical analyses, near-field THz-TDS, traditional photolithography technique, design and fabrication of splitting, switching and wavefront-controlling devices according to coupled mode theory and the principle of transformoptics, which will further promote the development of THz integration and interconnection technology.

基于表面等离极化激元(SPPs)的光子回路能够克服传统微电子技术的发展瓶颈有望成为新一代的信息技术，但光波段下SPPs传输损耗高且亚波长结构加工难度大等问题一直影响着它的发展。在太赫兹(THz)波段下，平面金属进行结构化设计后所支持的人工表面等离极化激元(Spoof SPPs,SSPPs)同样可以实现近似光波段SPPs的色散特性，而且具有性能可调谐、传输损耗低、结构易于加工等优势，使得该方向的研究备受关注。结合国内外研究现状和申请人已有的工作基础，提出利用立体金属微结构设计并实现THz SSPPs的传输调控及功能器件，研究内容包括：以数值模拟和理论分析为基础，THz近场时域光谱技术与传统光刻工艺为平台，揭示立体金属微结构对THz SSPPs色散特性及耦合的调控机理，辅助耦合模理论和变换光学原理设计并实现THz SSPPs分束、开关及波前控制器件，推动THz集成与互联技术的发展。

发展基于人工表面等离激元的太赫兹片上系统的功能器件，被认为是太赫兹技术实现紧凑化、小巧化以及功能可复用的重要途径。平面金属通过结构化的设计不但能够在太赫兹波段下实现类似光波段表面等离激元的色散和场局域特性，而且还具有强束缚、传输损耗小和样品易于加工等优势，有利于实现高性能、可调控和高集成度的片上链路器件，因此已成为当前太赫兹领域的研究前沿和热点。针对此前相关的研究工作局限于一维的功能波导或者缺乏有效的实验测量等问题，本项目主要围绕太赫兹人工表面等离激元在二维平面传输波前的操控机理和功能器件设计、加工及性能表征的技术方法，首先利用立体的金属方形柱子结构作为工作单元，研究其高度、占空比和各向异性等几何参数变化下，对太赫兹人工表面等离激元的色散关系、谐振模式以及电磁场分布的调控机理，并基于此，根据变换光学的等效折射率公式设计了二维平面望远镜、波束耦合器及合成器等功能器件，同时研究器件样品从加工制备到性能表征的技术方法；此外还开展了利用双曲特异结构在分界面处的拓扑相变实现对太赫兹人工表面等离激元的非互易性、多角度、多谐振模式的传输调控，并从理论上解释了其背后的作用机理和规律，在实验上也很好的验证了调控效果，从而形成性能高效、加工简便和表征完善的太赫兹平面光路系统的基础理论与关键技术。本项目的研究成果在《ACS Photonics》、《Advanced Optical Materials》、《Advanced Photonics》、《Nanophotonics》等国际高水平SCI学术期刊上发表论文8篇，申请国家发明专利2项，这些成果将会在太赫兹二维集成光电子技术领域中得到进一步的发展和应用。