仿金属-介质-金属结构平面集成THz等离激元器件研究

Compared with rapid developments in miniaturization and integration of Terahertz(THz) source and detecting technologies, study on planar integrated THz functional components is slow.Planar integrated THz plasmonic functional componets can be achieved based on surface plasmons(SPs). However, there are still some limitations to those proposed components: their electrical lateral sizes are large, complex functional componets with high performance are lacking and experimental verifications are insufficient. Planar integrated THz plasmonic components based on spoof metal-dielectric-metal(MDM) structures with finite thickness will be studied to break above limitations.Firstly, the underground mechanisms for these structures will be discussed by combining full-wave electromagnetic simulations, numerical fitting and experimental verifications and their electromagnetic characteristics, varing with frequencies and their geometry parameters, will be given. Then novel THz plasmonic components with smaller electrical lateral sizes will be designed based on above studies and achievements in optical and microwave fields, including power splitters and directional couplers.Next, filters will be studied and wavelength splitters with high performance will be proposed by combing power splitters and filters.Simultaneously, experiments will be conducted to verify these proposed componets and parallel plate waveguides (PPWG) with finite thickness are to be employed as a coupling method with high coupling efficiency. The project lays foundations for the development of THz integrated circuits and it will promote the applications of THz science and technologies.

与太赫兹(THz)源和探测技术在小型化、集成化方面的快速发展相比，平面集成THz功能器件研究相对缓慢。基于表面等离激元能够实现平面集成THz等离激元（plasmonic）器件,但目前提出的器件存在以下问题：横向电尺寸较大；高性能复杂功能器件较少；耦合效率较低。本项目拟通过研究有限厚度仿金属-介质-金属（MDM）结构平面集成THz等离激元器件来突破以上局限。首先采用全波仿真、数值拟合和实验验证相结合的方法研究有限厚度仿MDM结构的工作机理，给出其电磁特性随频率和结构几何参数变化的基本规律；接着基于上述研究并结合光波段和微波段已有研究成果设计横向电尺寸更小的THz等离激元器件，包括分束器和定向耦合器；然后设计高性能的滤波器，并通过组合分束器和滤波器实现高性能的分波器；同时采用有限厚度平行板波导作为高效激励进行实验验证。本项目为THz集成电路的发展奠定基础，从而促进THz科技应用的发展。

与太赫兹(THz)源和探测技术在小型化、集成化方面的快速发展相比，平面集成THz功能器件研究相对缓慢。基于表面等离激元能够实现平面集成THz等离激元（plasmonic）器件,但目前提出的器件存在以下问题：横向电尺寸较大；高性能复杂功能器件较少；耦合效率较低。本项目拟通过研究有限厚度仿金属-介质-金属（MDM）结构平面集成THz等离激元器件来突破以上局限。.首先采用全波仿真、数值拟合和实验验证相结合的方法研究有限厚度仿MDM结构电磁特性的基本规律和通用分析方法，相关分析（包括色散特性、衰减系数、耦合距离等）在已发表的9篇SCI论文中均有涉及；.接着基于上述研究设计实现了多种横向电尺寸更小的THz等离激元器件，包括集成带阻滤波器的多路分波器，基于宽带慢波系统的四路分波器，基于不同凹槽形状（哑铃形、弯折形、T形）的横向电尺寸更小、更加紧凑的超宽带滤波器、宽带慢波器、带通滤波器和四路分波器，共面波导激励的紧凑型平面四路分波器，基于刻槽MDM结构的分支线型定向耦合器；同时提出了渐变槽线、集成微带线等高效激励方式进行实验验证；此外，本项目还研究了刻槽金属圆环仿局域表面等离激元（spoof LSP）谐振器，并实现了一种多通带滤波器和一种介电常数传感器，研究了刻槽MDM环结构上spoof LSP谐振模式，并实现了一种spoof LSP传感器，研究了渐变槽线激励的刻槽金属圆盘及双圆盘上spoof LSP谐振模式及Fano谐振。上述研究成果在仿表面等离激元器件原理和应用方面取得显著进展，在高水平国际期刊《Scientific Reports》、《Optics Express》、《Journal of Applied Physics》、《Applied Optics》等发表标注受本项目资助SCI论文9篇，发表EI收录国际会议论文9篇，国内核心期刊论文1篇，就仿表面等离激元器件及系统申请国家发明专利15项，其中已授权发明专利1项，已授权实用新型专利2项，培养硕士研究生8名，其中2名已毕业，首届研究生杨保佳获得上海大学校长奖学金、国家奖学金、中国电子学会优秀硕士学位论文评选提名奖。本项目为THz和微波表面等离激元集成电路的发展奠定基础。