太赫兹表面等离激元激发-介质波导应用

本小节我们引入由低损耗、高介电常数的材料制成的带状介质波导,并介绍介质波导耦合SSPPs的方法。我们利用带状介质波导的优良传输性使其作为耦合结构并和THz等离子波导结合构成复合波导结构。介质波导激发的关键是实现介质波导的波矢与等离子波导匹配。

介质波导耦合双通道等离子波导的整体结构如图2-9所示。该波导的基本几何参数如下:深槽深度h 1为350μm,浅槽深度h 2为150μm。等离子波导的双通道光栅两边分别紧贴两片氧化铝薄片(εr≈9.6),用于THz波的入射与出射。氧化铝薄片的长度为5 mm,宽度为2 mm,厚度为20μm。此时,其高阶模式的截止频率高于两种槽深对应的SSPPs模式的截止频率,故介质波导仅有基模可耦合至等离子波导中的SSPPs模式。氧化铝上方的材料为聚丙烯(εr≈2.28),厚度为1 mm。THz波从介质波导一端入射,在介质波导与等离子波导的相交区域经过一段距离的传播,大部分能量耦合进了等离子波导中,形成SSPPs。SSPPs传播一段距离后,再度通过相交区域耦合进另一端的介质波导中,并通过介质波导出射,到达探测点。图2-10为带状介质波导和双通道SSPPs波导的俯视图。

图2-9　介质波导耦合双通道等离子波导的整体结构,蓝色部分表示氧化铝材料,橙色部分表示聚丙烯材料,灰色部分表示金属铝材料

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图2-10　带状介质波导和双通道SSPPs波导的俯视图(双通道光栅均匀设置,深度分别为350μm与150μm)

图2-11(a)(b)显示了x-z平面上两个频点0.255 THz和0.41 THz的THz近场传播图。在带状介质波导与等离子波导的相交区域,THz波经过一段距离的传输,成功耦合到了等离子波导中。此时,带状介质波导中的大部分能量转移至等离子波导中传输。在尾部的相交区域,SSPPs耦合至带状介质波导传输。在THz集成回路芯片中,带状介质波导耦合将有重要的应用价值。

图2-11　x-z平面上0.255 THz(a)和0.41 THz(b)对应的归一化电场