微波频段人工表面等离子体的研究现状与前景

浙江省计量科学研究院 顾夏珍

中国计量大学 肖丙刚 卢敏然

杭州市质监督检测院 顾国锋

表面等离子体激元（surfaceplasmonpolaritons，SPPs）是频率在可见光或者紫外光区域的二维表面波，由光和金属表面的自由电子相互作用引发的一种电磁波模式，或者说在局域金属表面的电子和光子相互作用的混合激发态。

由于光子与电子的相互作用，表面等离子体激元（SPPs）自然存在于金属空气/介质界面的光学区域。它们在特殊领域的限制和增强方面具有独特的优势。然而，当频率下降时，如远红外线、太赫兹和微波波段SPPs不再被支持，因为金属更像是完美的电导体（PECs），而不是负介电常数的等离子体。为了在低频率下实现类似的SPPs，Deco从2004年开始提出了spoof表面等离子激元（spoof surface plasmon polariton，spoof SPPs）的概念，并对金属表面上的一系列三维周期性人工结构进行了评定。

西班牙学者A.1.Fernadez-Dominguez等研究员引入了周期性人工结构的三角棱和V型槽表面波模式，使得spoof SPPs在低频段的应用打开了广阔的道路。2010年，D.Martin-Cano等人提出了新型的人工表面等离子体波导结构并命名为多米诺等离子体，可以实现spoof SPPs长传输距离以及横向亚波长的约束。国内研究人员沈林放教授在2011年提出了一维周期排列的孔和在V形槽内刻周期性分布的U形槽的新型表面波导结构，尤其是U形槽的结构，可以实现电磁波传输的90°弯曲的100%的传输。并且为了克服三维结构的复杂性，2013年还提出了一种超薄波纹金属条，以支持和引导高约束的spoof SPPs，即使它被任意弯曲、扭曲或缠绕。而且为了将单导体spoof SPPs传输线与传统的双导体微波传输线有效地集成在一起，还提出了一些匹配过渡，以实现spoof SPPs模式与传统导波模式的平滑转换。此后，许多基于spoof SPPs的相关工作被报道，他们具有低传输损耗、高局域化场、低串扰等优点。

与传统三维结构相比，二维结构的spoof SPPs的一个巨大的优越性在于结构简单，易于集成，且其性质完全取决于金属表面的结构的尺寸。结合spoof SPPs的特性和激发方式，分析平面结构spoof SPPs在不同金属表面结构的表现的不同特性，可以介绍spoof SPPs在微波段的新应用。并且，随着近年来活性超材料和超表面朝着动态功能方向发展，如切换和调制电磁波。

为了获得动态功能，人们提出了一系列方法（例如，微电子机械技术，相变介质，超导体，半导体衬底中的载流子注入或耗尽等），以及许多可调谐金属材料器件也相应地被创造出来，编码和可编程元表面的概念已经被提出，以使用“0”和“1”元元素来控制空间电磁波的散射/辐射性能。

1 Spoof SPPs的特性和激发方式

Spoof SPPs的特性完全取决于金属表面的特定形状，上节中介绍，在金属表面刻周期结构的槽和孔可以增强电磁波在金属表面的透射能力。Spoof SPPs是通过表面的电荷和电磁波相互作用得到的，因此在金属表面的电荷密度和电磁波的相互作用导致spoof SPPs的动量EkSPPs大于在同一频率下的自用空间的动量Ek0，k0为自由空间波矢，（k0=ω/c），kSPPs为spoof SPPs的空间波矢，因此，spoof SPPs表现“慢波”的特性。Garcia-Vidal F J等分析了在金属表面刻周期结构的槽和孔时，kSPPs与k0在频率和传播距离下的色散曲线图，进一步验证了spoof SPPs的“慢波”特性如图1所示。因此，由于spoof SPPs的动量与入射电磁波的动量不匹配，所以不能直接用光波激发出spoof SPPs。

图1 Spoof SPPs色散曲线图

为了激发spoof SPPs，研究人员引入了特殊的结构，以达到spoof SPPs与入射电磁波的动量匹配，常用的结构主要有：（1）棱镜耦合法；（2）采用波导结构；（3）采用衍射光栅结构；（4）采用近场激发等。但是，上述的四种方法，大多数针对三维结构的spoof SPPs，对于在平面结构下激发spoof SPPs，研究人员崔铁军和沈晓鹏研究了利用共面波导（CPW）的方式，实现共面波导与spoof SPPs的动量匹配，激发了spoof SPPs，使得spoof SPPs可以在超薄金属膜上传播较长距离，如图2所示。

图2 共面波导方式实现spoof SPPs的动量匹配结构示意图和电场能量分布图

2 代表性新应用

通过改变金属表面的结构，spoof SPPs的特性可以得到不断的提升，这为发展各种新型的微波器件提供了更多的理论基础。并且在改变金属表面结构的基础上，可以加载有源器件来实现动态控制，达到不被物理尺寸束缚的理想通信器件的设计。

2019年，崔铁军研究团队研究了多种模式下的spoof表面等离子体激元的可编程控制以达到可重构的等离子体器件的实现。分析，在spoof SPPs上加载变容二极管实现以通过对偏置电压的加载实现动态控制抑制带的产生与合并，进而实现独立双通道SSPP的逻辑门设计。实验证明了，在spoof SPPs在平面结构中加载二极管，通过对偏置电压的编程，可以实时自由重构抑制带的中心频率，数目和带宽。如图3所示。

图3 提出的等离子体波导原理图，其中白色部分是金属，黑色部分是介质衬底；（a）为俯视图，（b）为底部视图

设计的多种模式下的spoof表面等离子体激元的可编程控制以达到可重构的等离子体器件，验证了spoof SPPs可以将很好的将电磁波限制在金属槽中，并沿着金属槽表面传播。通过通孔将直流偏置电压加载到SRR环，每条线路上使用四个级联电感器隔离了直流信号和射频信号，实现用16个SSPP单元等离子体波导。

不同偏置电压可以对表面的电磁波进行调控，为信号控制器的设计提供了理论与实验依据。由于设计器件较小，有尺寸方面的优势，实际应用用途更广证明了spoof SPPs的优良特性。

2020年，崔铁军团队等人研究了基于可编程多功能器件的spoof表面等离子体激元。通过加载变容二极管在SPP波导相邻的金属齿之间。通过动态编程电容二极管的偏置电压，可以自由控制耦合波在两个SPP波导上的传播。如图4。该可编程SPP器件具有四种传输形式，可通过传输，不等耦合，3dB方向耦合和交叉传输实现高效的SPP。并且具有较好的隔离效果。不同的功能和操作频率范围可以实现重新配置。该方法为在大规模微波集成电路和数字通信系统中的应用奠定了基础。

图4 变容二极管的spoof SPP装置的示意图，上波导和下波导分别称为输入波导#1和耦合波导#2

2020年，东南大学崔铁军等人研究了基于重构SPP和空间波导模式的可编程混合电路。提出的一种可编程的混合电路，该电路由两个加载变容二极管的可重构spoof表面等离子体极化激元SPP和一个衬底集成波导SIW组成。通过控制他们的色散行为，在混合电路中实现通带效应。上下截止频率分别由SPP波导和SIW决定。当两个SPP波导的截止频率相同且高于SIW截止频率时，该电路可实现功率分割；当一个SPP波导被重新配置以抑制SIW的波导时，这个电路将成为一个通带滤波器。作为一个典型的应用，一个2位编码的逻辑或门是通过编程施加在SPP波导单元结构上的变容二极管的偏置电压来设计的。由示意图如图5所示。

图5 提出的等离子体波导原理图，其中深色部分是金属，浅色部分是介质衬底；（a）为俯视图，（b）为底部视图，（c）为侧视图

结语：Spoof SPPs的优异性能越来越多的受到国内外学者的关注，也有了越来越多激动人心的成果，随着研究的深入，纳米以及集成电路技术的发展，将来会有更多的spoof SPPs器件进入市场。本文结合spoof SPPs的特性以及激发方式，重点介绍了平面结构的spoof SPPs在微波频段各种器件以及动态调节研究方面的成果。总之，平面结构的spoof SPPs为微波器件的集成与研究提供了难得的机遇。