一种基于超表面的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器制造技术

本发明专利技术属于电磁超表面技术领域，具体为一种基于超表面的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器。本发明专利技术耦合器由电磁几何相位超表面和表面波本征区域拼接组成；超表面区域由“H”型金属微结构

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器


[0001]本专利技术属于电磁超表面
，具体涉及一种定向辐射耦合器。

技术介绍

[0002]电磁波可以分为自由空间中的传输波(Propagating Waves,PW)和介质表界面处的表面波(Surface Waves,SW)。传输波涵盖了太阳光、激光、雷达波等不同频域的电磁波信号，它们在远场自由传输而且具有可以任意调控的偏振模式。表面波，是一种存在两种介质(介质
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金属或者介质
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人工结构)界面的电磁波模式，包括在近红外波段以上的表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)和低频波段的人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs)，表面波通常是横磁(transverse magnetic,TM)模式，另外表面波的电场沿着垂直于界面的方向随着距离指数衰减，因此表面波垂直于界面方向(法向)的波矢是虚数，导致其沿着界面传输方向(切向)的波矢大于传输波的波矢。由于波矢不匹配，传输波和表面波无法直接发生耦合，传统的方法是借助光栅或棱镜耦合，但是它们存在多模式、效率低、体积大、不易集成等问题。最近，人们发现梯度超表面(Gradient Meta
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surface)可以解决这些挑战，它是指某个特定的人工电磁表面对电磁波的相位响应随着位置成梯度分布，可以对电磁波的波前分布进行任意调控。由于其厚度远小于工作波长，因此可以将其视为表面结构，如果超表面提供一个线性分布的梯度相位，它可以为入射波提供额外波矢，将入射波转化为表面波。再通过与之匹配的本征结构将表面波引导到本征板，而将传输波最终转化为表面波的转置称之为PW
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SW耦合器。
[0003]对于集成光学应用来说，如何将近场表面波高效的耦合到远场传输波也是直观重要的问题。一些研究者提出用光栅结构实现从近场表面波到远场传输波的辐射调控。然而，这类器件是在波长量级实现辐射远场的调控，因此难以实现非常复杂的波前分布；另外，若是光栅周期大于波长，会导致出现高阶的衍射模式，影响工作效率；最后，利用光栅解耦合很难实现对辐射远场偏振的调控。因此，本专利技术利用PB相位电磁超表面，来实现对近场表面波到远场传输波的高效率定向辐射调控，辐射到远场的传输电磁波偏振态是特定的圆偏振，而且其圆偏振状态可以被我们的结构灵活调控。该SW
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PW耦合器件具有亚波长、高集成、效率高等优势。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在设计一种TM模式表面波入射下的高效率远场定向辐射耦合器。
[0005]本专利技术设计的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器，简称SW
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PW耦合器。通过设计超表面相位梯度，可以实现高效率近场
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远场辐射调控，包括：(1)辐射方向调控；(2)辐射偏振态调控。本专利技术采用电磁超表面(Meta
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surface)的物理思想，通过人工超构单元(Meta
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atom)的几何设计，构造出具有特殊功能的Pancharatnam
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Berry相位梯度超表面，这种超表面能实现近场表面波(包括表面等离激元、人工表面等离激元、波导表面波等)以圆偏振传输波模式辐射到远场特定方向。
[0006]为了实现SW
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PW辐射调控，本专利技术首先根据费马原理推导出根据广义Snell定律的逆过程。为了验证广义Snell定律的逆向过程，需要设计合适的物理体系，并且结合数值仿真和实验验证。其中物理体系由电磁几何相位超表面区域和表面波本征区域拼接组成；其中，所述超表面区域由一系列超表面原胞(也称人工超构单元)周期延拓排列组成；其延拓方式为：六个超表面原胞依次逆时针旋转30度、并沿x方向周期性延拓，即六个超表面原胞逆时针旋转角度分别为：0度、30度、60度、90度、120度、150度，形成一行；然后，将该行超表面原胞沿着y方向进行周期性平移延拓，形成由超表面原胞组成子阵列；最后，将该子阵列沿x方向周期性平移延拓；所述表面波本征区域是由本征原胞沿x方向和y方向周期性平移延拓得到；这里，所述超表面原胞为“H”型金属微结构
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介质薄膜
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金属薄层的三层结构，即上层是“H”型金属微结构，中间是介质薄膜，底部是金属薄层；所述本征原胞为超表面原胞中掉上层“H”型金属微结构，即为由介质薄膜、金属薄膜组成的双层结构；本征区域用于支持表面波无损耗传输；超表面原胞与本征原胞的尺寸相同，均为正方形；所述超表面原胞旋转角度，是指“H”型金属微结构中的中间横杠方向(亦称轴向)与Y方向的夹角；
[0007]本征区域在y方向与超表面区域y方向尺寸相同，x方向不作太大限制。
[0008]本专利技术中，优选超表面区域的大小为N
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N，N为超表面原胞数，例如，N为32、36、42、48、54、60等；可根据实际需要选定。
[0009]所述人工超构单元中，金属微结构为金属铜，介质薄膜为各向同性的均匀介质，金属薄层未完整的金属层；
[0010]表面波沿着x轴传播，从表面波本征区域入射到电磁几何相位超表面区域。
[0011]本专利技术中，TM模式的表面波包括：表面等离激元，人工表面等离激元；
[0012]本专利技术中，通过改变超表面梯度大小可以调控远场辐射方向；通过改变所有超表面单元的旋转序，比如从逆时针序转变为顺时针序，可以调控远场圆偏振态；通过改变表面波入射方向可以调控远场偏振态。
[0013]本专利技术中，首先，从数值仿真和微波实验上表征物理体系的性质，包括：(1)人工超构单元的反射相位；(2)本征结构的表面波色散曲线。接着，对SW
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PW这一物理过程进行全波模拟获得电场分布信息和远场偏振信息，验证SW
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PW耦合器为圆偏振波的定向辐射，并且从数值模拟上验证如何调控传输波远场偏振。最后，为了验证全波模拟的结果，同时也进行实验验证微波的模拟结果，模拟和实验结果吻合。
[0014]本专利技术设计的基于超表面的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器，具有如下特点：
[0015](1)能够实现TM模式的表面波转换成圆偏振传输波定向辐射到远场，且辐射方向和远场偏振态可调控；
[0016](2)工作带宽为11
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14GHz，忽略微波频段下的损耗，工作效率接近100％。
[0017](3)在工作带宽范围外，低于11GHz，器件依然能保持定向辐射和圆偏振转换的性质，但是解耦合辐射场强度很弱；在工作带宽范围外，高于14GHz，器件能保持部分的性质，随着频率增高，定向辐射性变差，远场偏振模式不再纯净。
[0018]本专利技术提出的设计是广义的，该圆偏振SW
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PW定向辐射耦合器，可以推广到其他工作频段。
附图说明
[0019]图1为费马原理示意图。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的近场表面波高效率远场定向辐射耦合器，简称SW
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PW耦合器，其特征在于，由电磁几何相位超表面区域和表面波本征区域拼接组成；其中，所述超表面区域由一系列超表面原胞周期延拓排列组成；其延拓方式为：六个超表面原胞依次逆时针旋转30度、并沿x方向周期性延拓，即六个超表面原胞逆时针旋转角度分别为：0度、30度、60度、90度、120度、150度，形成一行；然后，将该行超表面原胞沿着y方向进行周期性平移延拓，形成由超表面原胞组成子阵列；最后，将该子阵列沿x方向周期性平移延拓；所述表面波本征区域是由本征原胞沿x方向和y方向周期性平移延拓得到；这里，所述超表面原胞为“H”型金属微结构
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介质薄膜
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金属薄层的三层结构，即上层是“H”型金属微结构，中间是介质薄膜，底部是金属薄层；所述本征原胞为超表面原胞中掉上层“H”型金属微结构，即为由介质薄膜、金属薄膜组成的双层结构；本征区域用于支持表面波无损耗传输；超表面原胞与本征原胞的尺寸相同，均为正方形；所述超表面原胞旋转角度，是指“H”型金属微结构中的中间横杠方向与Y...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ七四专利代理机构，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：