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Rückwärts-Spoof-Oberflächenwelle in plasmonischem Metamaterial mit ultradünner Metallstruktur

Jun 22, 2024

Scientific Reports Band 6, Artikelnummer: 20448 (2016) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Rückwärtswelle mit antiparallelen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten ist eine der Grundeigenschaften im Zusammenhang mit negativer Brechung und Subbeugungsbildern, die im Zusammenhang mit photonischen Metamaterialien großes Interesse geweckt haben. Es wurde theoretisch vorhergesagt, dass einige plasmonische Strukturen auch die Rückwärtswellenausbreitung von Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs) unterstützen können, allerdings wurde nach unserem besten Wissen kein direkter experimenteller Nachweis gemeldet. In diesem Artikel wurde ein speziell entwickeltes plasmonisches Metamaterial aus gewellten Metallstreifen vorgeschlagen, das die Ausbreitung von SPP-Wellen nach hinten unterstützen kann. Die Dispersionsanalyse, die vollständige elektromagnetische Feldsimulation und die Transmissionsmessung des plasmonischen Metamaterial-Wellenleiters haben die Ausbreitung der Rückwärtswelle mit einer Dispersionsbeziehung mit negativer Steigung und entgegengesetzten Richtungen der Gruppen- und Phasengeschwindigkeiten eindeutig bestätigt. Als weitere Verifizierung und Anwendung wird ein kontradirektionaler Koppler entworfen und getestet, der das Mikrowellensignal bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen zu gegenüberliegenden Anschlüssen leiten kann, was auf neue Anwendungsmöglichkeiten von plasmonischem Metamaterial in integrierten Funktionsgeräten und Schaltkreisen für Mikrowellen- und Terahertz-Strahlung hinweist.

Eine rückwärtsgerichtete elektromagnetische Welle (EM) wird üblicherweise als Welle definiert, die sich mit entgegengesetzten Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten ausbreitet1. Es hat im letzten Jahrzehnt im Zusammenhang mit Metamaterialien, insbesondere den linkshändigen oder doppelt negativen Metamaterialien mit gleichzeitig negativer Permittivität und Permeabilität, große Aufmerksamkeit erregt2,3. Die Rückwärtswelle ist eine der wichtigen besonderen Eigenschaften von Metamaterialien, die die Grundlage für die negative Brechung3 bildet und anderen interessanten Phänomenen zugrunde liegt, wie etwa den perfekten Linsen4,5 oder Hyperlinsen6,7, die darauf abzielen, optische Auflösungen zu erreichen, die die Beugungsgrenze mit offensichtlichem Potenzial überwinden für optische Bildgebung und Lithographie. Rückwärtswellen wurden auch in der Schaltungsanalogie linkshändiger Metamaterialien – den linkshändigen Übertragungsleitungen8,9 – gut demonstriert und in vielen neuartigen EM-Komponenten oder Antennenkonzepten10 verwendet.

Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs) sind Oberflächen-EM-Wellen, die sich mit optischen Frequenzen entlang der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche ausbreiten11,12. Aufgrund ihrer starken Feldbeschränkung auf Subwellenlängenskalen und der daraus resultierenden Feldverstärkung an der Dielektrikum-Metall-Grenzfläche könnten SPPs zur Überwindung der Beugungsgrenze13 und zur Miniaturisierung optischer integrierter Schaltkreise und Geräte mit Skalen kleiner als die Lichtwellenlänge14,15,16 führen . Bei der SPP-Welle an einer Dielektrikum-Metall-Grenzfläche verläuft die EM-Welle im Dielektrikum vorwärts, im Metall jedoch rückwärts und weist eine negative Permittivität auf17. Allerdings fließt ein großer Teil der Energie im Dielektrikum, wodurch das Nettoverhalten der SPP-Welle eine Vorwärtswelle ist. Es wurden viele theoretische Studien durchgeführt, um die Rückwärtswellenausbreitung von SPPs zu untersuchen, die zeigen, dass ein richtig gestalteter dreischichtiger Wellenleiter, entweder eine Metall-Isolator-Metall-Struktur (MIM) oder eine Isolator-Metall-Isolator-Struktur (IMI), diese unterstützen kann Rückwärtsausbreitung oder negativer Indexmodus18,22. Obwohl in einem solchen MIM-Wellenleiter eine interessante negative Brechung experimentell veranschaulicht wurde23, fehlt immer noch der direkte Nachweis einer rückwärts gerichteten SPP-Welle in einem plasmonischen Wellenleiter mit klaren antiparallelen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten. Dies kann auf die starke Dämpfung der SPPs zurückgeführt werden, die zu einer Ausbreitungslänge von nur wenigen Wellenlängen in diesen plasmonischen Wellenleitern führt20,22.

Die SPPs können nicht direkt auf niedrigere Frequenzen skaliert werden, da sich Metall unterhalb seiner Plasmafrequenz im fernen Infrarot grundsätzlich als perfekter elektrischer Leiter verhält. Um den hohen Feldeinschluss und die Verstärkung der SPP-Welle im Subwellenlängenmaßstab zu nutzen, wurden plasmonische Metamaterialien vorgeschlagen, die aus Metalloberflächen bestehen, die mit Riffelungen oder Grübchen im Subwellenlängenmaßstab strukturiert sind und deren Oberflächenplasmonenfrequenz durch die geometrischen Parameter der Welle angepasst werden kann Strukturen24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Diese sogenannten „Spoof“- oder „Designer“-SPPs besitzen ähnliche Dispersionsbeziehungen und Feldeigenschaften wie optische SPPs, arbeiten jedoch bei niedrigeren Frequenzen bis hin zum Mikrowellen- oder Terahertz-Bereich. Kürzlich wurde eine praktischere Struktur – der ultradünne gewellte Metallstreifen – vorgeschlagen, um konforme Oberflächenplasmonen (CSPs) auf willkürlich gekrümmten Oberflächen auszubreiten34, was sich als potenzieller Kandidat für SPP-Geräte- und Schaltkreisanwendungen in Mikrowellen- und Terahertzfrequenzen erwiesen hat35,36 ,37,38.

Die gefälschten SPPs sollten die Rückwärtswelle unterstützen, da sie die meisten exotischen Merkmale ihres optischen Gegenstücks erben. Eine aktuelle theoretische Studie zeigt, dass eine Wellenleitung mit negativem Index im tiefen Subwellenlängenbereich in zwei eng gekoppelten CSP-Wellenleitern erzielt werden kann, die ein optisches MIM-System nachahmen 39 . Nach unserem besten Wissen wurde jedoch noch kein eindeutiger experimenteller Nachweis der Rückwärtsausbreitung einer gefälschten plasmonischen Oberflächenwelle mit entgegengesetzten Richtungen der Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten gemeldet. In dieser Arbeit schlagen wir ein neues Design von plasmonischem Metamaterial vor, um einen symmetrischen CSP-Wellenleiter zu konstruieren, der ein IMI-System nachahmt und mit seinem ungeraden Führungsmodus die Ausbreitung von Rückwärtswellen unterstützen kann. Dank des geringen Verlusts und der großen Ausbreitungslänge des neuen Spoof-SPPs-Wellenleiters erreichen wir die Dispersionsbeziehung des ungeraden Modus mit negativer Steigung sowohl aus der Vollwellensimulation als auch aus der direkten Messung der Übertragung durch den Wellenleiter. Solche Ergebnisse stellen antiparallele Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten sicher und die Ausbreitung der Rückwärtswelle kann durch die Phasenentwicklung in der Simulation eindeutig verifiziert werden. Um die Rückwärtswellenausbreitung weiter zu nutzen, entwerfen wir außerdem einen gegenläufigen Koppler im Mikrowellenband, der das Eingangssignal mit Vorwärts- oder Rückwärtskopplung bei unterschiedlichen Frequenzen in entgegengesetzte Richtungen leiten kann. Experimentelle Tests am hergestellten Prototyp-Koppler haben das Designprinzip validiert, das auf der Rückwärtswellenausbreitung im plasmonischen Metamaterial-Wellenleiter basiert. Wir glauben, dass diese Ergebnisse zur Entwicklung komplizierterer Oberflächenschaltkreise für Mikrowellen und Terahertzwellen beitragen könnten.

Der herkömmliche CSP-Wellenleiter besteht aus einem ultradünnen Metallstreifen mit gewellten periodischen Rillen auf einer Seite, die eine begrenzte Ausbreitung von Oberflächenwellen unterstützen könnten34. Es imitiert die Wellenleitung optischer SPPs an der Schnittstelle zwischen dem semi-infiniten Dielektrikum und dem Metallmedium. Um die Rückwärtsausbreitung zu unterstützen, sollten jedoch symmetrische CSP- oder eng gekoppelte CSP-Wellenleiter in Betracht gezogen werden, die im optischen Bereich einen dreischichtigen planaren IMI- bzw. MIM-Wellenleiter nachahmen. In einem solchen dreischichtigen planaren Wellenleiter wird die Dispersionsbeziehung der geführten Mode aufgrund der Wechselwirkung von SPPs an der oberen und unteren Grenzfläche in zwei Zweige zerlegt, und der Zweig mit höherer Frequenz (antisymmetrischer Modus oder ungerader Modus) könnte auftreten Negative Steigung weist auf eine Rückwärtswelle hin18,19,20,21,22.

Hier konzentrieren wir uns auf das plasmonische Metamaterial mit symmetrischer CSP-Struktur, das auf beiden Seiten des Streifens die gleichen gewellten Rillen aufweist, wie im oberen Teil von Abb. 1a dargestellt. Die Dispersionsbeziehungen zwischen Führung und Mode werden numerisch berechnet und in Abb. 1b dargestellt. Die Dispersionskurven teilen sich in ein niedrigeres und ein höheres Frequenzband auf, entsprechend der Bindungs- und Antibindungskombination der gefälschten SPP-Wellen auf beiden Seiten des Streifens. Allerdings hat entweder der gerade Modus (Zweig mit niedrigerer Frequenz) oder der ungerade Modus (Zweig mit höherer Frequenz) eine positive Steigung, unabhängig davon, welche geometrischen Parameter (die Spaltbreite oder die Höhe) der Rillen gewählt werden.

Struktur- und Streuungsbeziehungen der CSP-Strukturen.

(a) Geometrie der traditionellen (oben) und der vorgeschlagenen (unten) symmetrischen CSP-Strukturen. (b) Dispersionskurven für die verschiedenen symmetrischen CSP-Strukturen. Die modifizierte (orange gestrichelte Linie) zeigt die Dispersionskurve für das CSP-Muster, bei dem vier kleine Rillen in jedem Schlitz in der Nähe des zentralen Streifens entfernt wurden. Es wurden nur die Grundmoden dargestellt. Der Metallstreifen wird als PEC mit vernachlässigbarer Dicke betrachtet und die geometrischen Parameter werden auf g = 0,67d, h = 1,6d, a = 0,1d bzw. w = 3,4d festgelegt.

Für das optische Gegenstück, den dreischichtigen planaren IMI-Wellenleiter, wurde festgestellt, dass der Leistungsfluss innerhalb der Metallschicht (in absoluten Werten) größer sein muss als der im äußeren Isolatormedium, um eine Rückwärtswelle zu erhalten22. Wir simulieren die EM-Feldverteilung für den ungeraden Modus im symmetrischen CSP-Streifenwellenleiter und stellen fest, dass die EM-Leistung lediglich auf die beiden Kanten des CSP-Streifens beschränkt ist, wie in Abb. 2a, b dargestellt. Die EM-Leistung kann kaum in die Schlitze im Metallstreifen eindringen, was zu einer immer vorwärts gerichteten Wellenausbreitung im CSP-Wellenleiter führt. Um die EM-Welle in die Schlitze einzukoppeln, modifizieren wir das traditionelle symmetrische CSP, indem wir auf beiden Seiten der Schlitze kleine metallische Rillen hinzufügen, wie im unteren Teil von Abb. 1a gezeigt. Die resultierende interdigitale Struktur innerhalb jedes Schlitzes verbessert die kapazitive Kopplung der EM-Felder von beiden Seiten des Streifens weiter und der Energiefluss könnte dann in den Schlitzbereich eindringen. Dies wird deutlich in den in Abb. 2a, b gezeigten Feld- und Poynting-Vektorverteilungen veranschaulicht. Mit zunehmender Länge (b) der kleinen Rillen der Interdigitalstruktur wird das EM-Feld innerhalb der Schlitze immer stärker und der Kraftfluss konzentriert sich immer mehr auf den Streifenbereich. Der Leistungsfluss innerhalb des Streifenbereichs kann größer werden als der in den beiden Randbereichen. Infolgedessen verschieben sich die Dispersionsbeziehungen der modifizierten CSP-Wellenleiterstruktur zu niedrigeren Frequenzen und nach einem bestimmten kritischen Punkt beginnt die Dispersionskurve des ungeraden Modus bei großem β eine negative Steigung aufzuweisen. Dies bedeutet, dass der ungerade Führungsmodus Rückwärtswellen mit antiparallelen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten unterstützt. Das antisymmetrische transversale elektrische Feld (Ex) und das einzige Magnetfeld (Hz) sind ebenfalls in Abb. 2c bzw. d dargestellt, die mit dem Feldmuster eines ungeraden TM-Spoof-SPP-Modus übereinstimmen. Es ist zu beachten, dass die Dispersionskurve der gefälschten SPPs für den höherfrequenten Zweig nicht am Ursprung beginnt, da nur nicht strahlende Moden berücksichtigt werden.

Simulierte EM-Feld- und Energieflussverteilung in einer Elementarzelle des symmetrischen CSP-Wellenleiters (bei βd/π = 0,5).

Die Verteilungen von (a) der y-Komponente des elektrischen Felds, (b) dem EM-Energiefluss entlang der x-Richtung, (c) der x-Komponente des elektrischen Felds und (d) der z-Komponente des Magnetfelds für verschiedene Schlitzstrukturen. Die Parameter des Schlitzes in (a) oder (b) werden von links nach rechts auf g = 0,67d und b = 0 eingestellt; g = 0,33d und b = 0; g = 0,67d und b = 0,17d; g = 0,67d und b = 0,34d; g = 0,67d und b = 0,51d; g = 0,67d und b = 0,51d mit vereinfachten Rillen; während andere Parameter mit denen in Abb. 1b identisch sind. Die EM-Energie wird von links nach rechts zugeführt.

Aus praktischen Gründen modifizieren wir das CSP-Muster weiter, indem wir in jedem Schlitz in der Nähe des zentralen Streifens vier kleine Rillen entfernen. Die vereinfachte Struktur verändert ihre Dispersionscharakteristik nicht wesentlich, weist jedoch weniger Ausbreitungsverluste auf. Wir haben die Dispersionskurve des vereinfachten CSP-Wellenleiters im Vergleich zu der der idealen Muster in Abb. 1b hinzugefügt. Das EM-Feld und die Energieflussverteilungen für den vereinfachten CSP-Wellenleiter werden ebenfalls in Abb. 2 verglichen. Es zeigt, dass das vereinfachte CSP-Muster im Vergleich zum idealen CSP-Muster eine ähnliche Dispersionskurve zur Unterstützung der Rückwärtswelle sowie ähnliche Feldmuster aufweist.

Um die Rückwärtsausbreitung im vorgeschlagenen symmetrischen CSP-Wellenleiter deutlich zu demonstrieren, berechnen wir die EM-Wellenentwicklung entlang eines idealen langen Wellenleiters. Abbildung 3a zeigt die transversale elektrische Feldverteilung nahe der Oberfläche des Metallbandes. Es wurden symmetrische und antisymmetrische transversale Feldmuster erhalten, die den geraden (links in Abb. 3a) bzw. den ungeraden Führungsmodi (rechts in Abb. 3a) entsprechen, und beide weisen ein eng begrenztes Feld auf, das im Metallstreifenbereich konzentriert ist, was typische Merkmale veranschaulicht von Spoof-SPP-Modi mit geringem Streuverlust. In Abb. 3b, c sind Schnappschüsse der Feldmuster, die sich entlang des CSP-Wellenleiters bewegen, zu verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Die Gruppengeschwindigkeit wird durch die EM-Leistungsausbreitung bestimmt, die vom linken Ende eingespeist wird und in Abb. 3b, c zum rechten Ende fließt. Die durch die schwarze gestrichelte Linie angezeigte Wellenfront zeigt deutlich, dass sich das elektrische Feld für den geraden Modus mit niedrigerer Frequenz nach rechts entwickelt, für den ungeraden Modus mit höherer Frequenz jedoch umgekehrt nach links. Dieses einzigartige Merkmal weist darauf hin, dass der gerade Modus eine Vorwärtswelle unterstützt, während der ungerade Modus eine Rückwärtswelle mit antiparallelen Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten unterstützt. Den Zusatzfilm S1 bzw. S2 zur Wellenausbreitung der geraden bzw. ungeraden Leitmode finden Sie in den Zusatzinformationen.

Querverteilung des elektrischen Feldes (Ez) (a) und ihre Entwicklung ((b, c)) entlang der vorgeschlagenen CSP-Struktur. Der linke oder rechte Teil von (a) entspricht Punkt A oder B, wie in Abb. 1b markiert, was auf eine Vorwärts- bzw. Rückwärtswellenausbreitung hinweist. (b) und (c) zeigen die Feldentwicklung der Vorwärts- und Rückwärtswelle entsprechend den Punkten A und B, wie in Abb. 1b markiert. Die schwarze gestrichelte Linie bezeichnet die Phasenfront in der Feldentwicklung und der rote Pfeil in (b) und (c) zeigt die Richtung des EM-Leistungsflusses an.

Um die Rückwärtswellenausbreitung in der vorgeschlagenen plasmonischen Metamaterialstruktur zu überprüfen, entwerfen wir einen praktischen symmetrischen CSP-Wellenleiter basierend auf der vorherigen Analyse. Der Wellenleiter besteht aus einem ultradünnen Kupferstreifen mit zuvor vorgeschlagener Struktur auf einem dielektrischen Substrat, das für den Betrieb im Mikrowellenbereich ausgelegt ist. Ein vereinfachtes Muster wird verwendet, indem in jedem Schlitz in der Nähe des Mittelstreifens vier kleine Rillen entfernt werden, wie in Abb. 4a dargestellt. Abbildung 4b zeigt die berechnete Dispersionsbeziehung (rote Linie) durch die Eigenmodusanalyse, die einen geraden Modus mit normaler Dispersion und einen ungeraden Modus mit Dispersionskurve mit negativer Steigung zeigt.

Struktur und Eigenschaften des vorgeschlagenen praktischen symmetrischen CSP-Wellenleiters.

(a) Das Schema des Wellenleiters und das Foto des hergestellten Prototyps. (b) Berechnete und gemessene Dispersionskurven und das Transmissionsspektrum des CSP-Wellenleiters. Der 0,018 mm dicke Kupferstreifen mit den geometrischen Parametern d = 5 mm, g = 4 mm, h = 3,6 mm, w = 7,5 mm, a = 0,3 mm und b = 3 mm wird auf das dielektrische Substrat gedruckt.

Um die Ausbreitungseigenschaften zu testen, wurden mehrere Prototypen von Wellenleitern hergestellt und das gemessene Übertragungsspektrum wird in Abb. 4b dargestellt und mit den Vollwellensimulationen verglichen. Im Übertragungsspektrum treten mit guter Übereinstimmung zwischen Simulation und Messung zwei Durchlassbänder auf, die den geraden und ungeraden Führungsmodi entsprechen. Obwohl die Übertragung etwas niedrig ist (etwa -3 dB in der Simulation und -5 dB in der Messung für das zweite Durchlassband), was auf den metallischen und dielektrischen Verlust und die nicht optimierte Impedanzanpassung am Ein- und Ausgangsende zurückzuführen ist, sind die beiden Passbänder stimmen genau mit den berechneten Dispersionskurven überein. Wir können die Wellenzahl β auch aus Transmissionsmessungen der CSP-Wellenleiter mit unterschiedlicher Länge extrahieren, indem wir die Beiträge der Anschlüsse sowie der Eingangs- und Ausgangsübergänge entfernen. Die extrahierten Daten für das zweite Durchlassband, das dem ungeraden Führungsmodus entspricht, sind in Abb. 4a (die offenen Kreise) dargestellt und entsprechen entweder der Berechnung aus der Eigenmodusanalyse oder der Vollwellensimulation. Die extrahierte Dispersionskurve zeigt deutlich eine negative Steigung im gesamten Durchlassband und liefert daher einen Nachweis der Rückwärtswellenausbreitung in dieser praktischen plasmonischen Metamaterialstruktur.

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen in Rückwärtsrichtung ist die Grundlage vieler außergewöhnlicher Phänomene, wie etwa der negativen Brechung oder der perfekten Linse mit Subbeugungsauflösung. Die Rückwärtswelle in linkshändigen Übertragungsleitungen wurde auch bei der Entwicklung neuartiger Mikrowellenkomponenten und -antennen genutzt. Als weitere Validierung und direkte Anwendung der Rückwärts-Spoof-SPP-Welle präsentieren wir das Design und die Leistung eines kontradirektionalen EM-Wellenkopplers.

Die zusammengesetzte rechts-/linksgängige Mikrostreifenleitung, die die Rückwärtswelle unterstützt, wurde erfolgreich beim Entwurf eines Rückwärtsrichtungskopplers bei Mikrowellenfrequenz eingesetzt40,41. Eine ähnliche Idee wurde auch auf den optischen Bereich in einer theoretischen Arbeit über einen kontradirektionalen Koppler durch gestapelte IMI-SPP-Wellenleiter ausgeweitet42. Hier nutzen wir die zuvor vorgeschlagene plasmonische Metamaterialstruktur, um den kontradirektionalen Koppler im Mikrowellenfrequenzband zu konstruieren. Der vorgeschlagene Koppler besteht aus einem geraden symmetrischen CSP-Streifen mit den modifizierten Schlitzen und einem gebogenen traditionellen symmetrischen CSP-Streifen mit gewöhnlichen geraden Schlitzen. Die beiden Streifenwellenleiter werden mit einem kleinen Kopplungsspalt in der Mitte zusammengefügt und bilden ein Mikrowellengerät mit vier Anschlüssen, wie in Abb. 5a dargestellt. Wir analysieren zunächst die Führungs-Spoof-SPP-Modi in den beiden CSP-Wellenleitern für ein bestimmtes Design mit den in der Bildunterschrift aufgeführten Parametern. Die berechneten Ausbreitungsbeziehungen sind in Abb. 5b dargestellt. Der herkömmliche CSP-Streifen kann nur den grundlegenden geraden Modus unter 9 GHz unterstützen, während der modifizierte CSP-Streifen den geraden Modus unter 4,5 GHz, aber den ungeraden Modus von 5,2 bis 6,3 GHz unterstützt. Der ungerade Modus ist offensichtlich eine Rückwärtswelle, da er eine negativ geneigte Dispersionskurve aufweist.

Der Koppler und die entsprechenden Dispersionskurven.

(a) Das Foto des hergestellten Prototyp-Kopplers mit an den vier Anschlüssen montierten SMA-Steckern. (b) Simulierte Dispersionsbeziehungen sowohl für die traditionellen als auch die modifizierten CSP-Wellenleiter. Die geometrischen Parameter sind für die traditionelle CSP-Struktur auf d = 5 mm, g = 4 mm, h = 5 mm, w = 10,5 mm festgelegt, während d = 5 mm, g = 4 mm, h = 3,5 mm, w = 7,5 mm, a = 0,3 mm, b = 3 mm für die modifizierte CSP-Struktur. Der Spalt zwischen den beiden Wellenleitern ist auf 0,6 mm optimiert.

Um das Wellenkopplungsverhalten zu untersuchen, haben wir ein Prototypgerät hergestellt, wie in Abb. 5a dargestellt. Das Signal wird vom linken Ende (Port 1) des herkömmlichen CSP-Wellenleiters eingespeist und das Kopplungsverhalten wird durch Messung der S-Parameter zwischen dem Eingang und den anderen drei Ausgangsports untersucht. Gemäß der Theorie der gekoppelten Moden wird die Kopplung zwischen zwei benachbarten Wellenleitern durch die Ausbreitungskonstanten der beiden Wellenleiter43 bestimmt. Wenn die beiden Wellenleiter gleiche oder ähnliche Ausbreitungskonstantenwerte aufweisen, kann die EM-Energie, die sich in einem Wellenleiter ausbreitet, an den anderen gekoppelt werden, und die Kopplungsstärke hängt auch von der Lücke und der Kopplungslänge der beiden Wellenleiter ab. Wie in Abb. 5b dargestellt, wird die Wellenausbreitung im herkömmlichen CSP-Wellenleiter vom geraden Modus dominiert und kann bei Frequenzen unter 3,5 GHz an den geraden Modus des modifizierten CSP-Wellenleiters gekoppelt werden, wie dies bei den Dispersionskurven der beiden Modi der Fall ist nahe beieinander. Sowohl die geraden Modi in herkömmlichen als auch in den modifizierten CSP-Streifen unterstützen die Vorwärtswelle, daher kann ein großer Teil der Energie vom traditionellen CSP an den modifizierten CSP-Wellenleiter gekoppelt werden, was zu einer Ausgabe an Port 3 führt. Es ist zu beachten, dass die Dispersionskurve von Der gerade Modus im herkömmlichen CSP-Wellenleiter kreuzt den ungeraden Modus im modifizierten CSP-Wellenleiter, was zu einer Kopplung zwischen diesen beiden Führungsmodi bei etwa 6 GHz führt. Da der ungerade Modus im modifizierten CSP-Wellenleiter die Rückwärtswelle unterstützt, können wir davon ausgehen, dass sich die vom herkömmlichen CSP-Wellenleiter gekoppelte EM-Energie rückwärts ausbreitet und zu einer Ausgabe an Port 4 führt. Diese Eigenschaften wurden sowohl durch die simulierte als auch durch die simulierte Welle verifiziert die gemessenen S-Parameter, die in Abb. 6a,b dargestellt sind. Eine deutliche EM-Energiekopplung zwischen den traditionellen und den modifizierten CSP-Wellenleitern wird entweder im Frequenzband unter 3,5 GHz oder im Frequenzband um 6 GHz beobachtet. Die Kopplung im unteren Band wird durch die Vorwärtskopplung zwischen den geraden Moden in beiden Wellenleitern verursacht und erzeugt einen großen Übertragungskoeffizienten von Port 1 zu Port 3 (S31). Während die Kopplung um 6 GHz auf die Rückwärtskopplung zwischen dem geraden Modus im herkömmlichen CSP-Wellenleiter und dem ungeraden Modus im modifizierten Wellenleiter zurückzuführen ist und im Gegenteil einen offensichtlichen Übertragungskoeffizienten von Port 1 zu Port 4 erzeugt (S41). Simulation und Messung stimmen gut überein. Wir stellen außerdem fest, dass die Kopplungsstärke aufgrund der räumlichen Feldvariation entlang der Wellenleiter durch Ändern der Länge des Kopplungsabschnitts oder des Spalts zwischen den beiden Streifen geändert werden kann.

Transmissionsspektrum und elektrische Feldverteilungen.

Das simulierte (a) und das gemessene (b) Transmissionsspektrum des Kopplers. Die simulierten transversalen elektrischen Feldverteilungen (EZ) entlang des Geräts bei 2,8 GHz für die Vorwärtskopplung (c) und bei 6,03 GHz für die Rückwärtskopplung (d).

Um die Vorwärts- und Rückwärtskopplung in den beiden Bändern zu veranschaulichen, veranschaulichen wir die unterschiedlichen transversalen elektrischen Feldverteilungen in Abb. 6c, d. Beim Betrieb im unteren Band koppelt die EM-Welle, die sich im herkömmlichen CSP-Wellenleiter ausbreitet, mit dem größten Teil der Energie an den nahegelegenen modifizierten CSP-Wellenleiter im mittleren Teil und breitet sich weiter zu Port 3 aus. Im höheren Band hingegen koppelt die eingekoppelte Welle ein Der modifizierte CSP-Wellenleiter unterstützt nur den ungeraden Modus der Rückwärtswelle mit einem Poynting-Vektor, der antiparallel zum Wellenvektor ist, und breitet sich somit gegenläufig zum Port 4 aus. Der gezeigte Koppler nutzt sowohl den geraden als auch den ungeraden Parodie-SPP-Führungsmodus, der Vorwärts unterstützt und Rückwärtswelle und kann das Mikrowellensignal mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen an gegenüberliegende Anschlüsse weiterleiten. Diese einzigartige Eigenschaft kann beispielsweise alternative Designs von Komponenten und Geräten in Kommunikationssystemen ermöglichen.

Zusammenfassend haben wir eine klare Demonstration der Ausbreitung von SPP-Wellen nach hinten in einem speziell entwickelten plasmonischen Metamaterial präsentiert. Um die dreischichtige optische IMI-Struktur nachzuahmen, von der theoretisch vorhergesagt wurde, dass sie den Rückwärtsführungsmodus unterstützt, haben wir einen symmetrischen gewellten Metallstreifen modifiziert, indem wir in jeden Schlitz eine interdigitale Struktur integriert haben, um das EM-Feld im Streifen weiter zu verstärken und zu konzentrieren. Der resultierende CSP-Wellenleiter könnte einen ungeraden Führungsmodus mit einer Dispersionskurve mit negativer Steigung haben. Wir haben gezeigt, dass ein solcher seltsamer Modus die Rückwärtsausbreitung sowohl der simulierten EM-Feldentwicklung als auch der Transmissionsmessung der hergestellten prototypischen plasmonischen Metamaterialstruktur unterstützen könnte. Wir weisen darauf hin, dass der Nachweis der Ausbreitung der Rückwärtswelle im plasmonischen Metamaterial einer einzelnen Metallstruktur mit starker Feldeingrenzung und geringem Streuverlust nach unserem besten Wissen nicht berichtet wurde. Als weitere Validierung und direkte Anwendung der Rückwärtswellenausbreitung wurde ein gegenläufiger Mikrowellenkoppler entwickelt und getestet, der das Mikrowellensignal durch Vorwärts- oder Rückwärtskopplung bei unterschiedlichen Betriebsfrequenzen an entgegengesetzte Enden leiten kann. Rückwärtswellen sind die Grundlage vieler besonderer EM-Phänomene wie der negativen Brechung oder der Subbeugungsbildgebung. Daher können unsere Erkenntnisse zu vielen spannenden Anwendungen führen, die auf der Ausbreitung rückwärts gerichteter Oberflächenwellen in plasmonischem Metamaterial basieren. Wir glauben auch, dass die vorgeschlagene planare plasmonische Struktur leicht auf einen höheren Frequenzbereich erweitert werden kann und für die weitere Entwicklung praktischer ultradünner Oberflächenschaltkreise für Mikrowellen- und Terahertzstrahlung sehr vielversprechend sein könnte.

Die Eigenmodenanalyse, die Berechnung des Übertragungsspektrums sowie die EM-Feldverteilung des vorgeschlagenen Spoof-SPP-Wellenleiters werden mit Hilfe der kommerziellen Software CST Microwave Studio durchgeführt. In der Simulation hat das in Abb. 4 verwendete Substrat eine Permittivität von 3,55, einen Verlustfaktor von 0,0027 und eine Dicke von 0,813 mm, während das in Abb. 5 verwendete Substrat eine Permittivität von 2,55, einen Verlustfaktor von 0,0035 hat eine Dicke von 0,5 mm. Alle Metallfilme gelten als Kupfer mit einer Leitfähigkeit von 5,8 × 107 S/m.

Die Prototypen des CSP-Wellenleiters und des kontradirektionalen Kopplers werden mit der kommerziellen PCB-Technik (Print Circuit Broadband) hergestellt.

Um die Ausbreitungseigenschaften zu testen, wurden mehrere Prototypen von Wellenleitern mit langen Streifen mit unterschiedlicher Anzahl von Elementarzellen hergestellt. Zwei Standard-SMA-Anschlüsse sind an die Enden des Streifens geschweißt (zur Kante versetzt, um den antisymmetrischen ungeraden Modus einfacher zu stimulieren), um die Mikrowellenleistung ein- und auszukoppeln, wie im Einschub von Abb. 4a gezeigt. Der hergestellte Gegenrichtungskoppler ist in Abb. 5a dargestellt. Um die Impedanzanpassung zu verbessern, wird ein Übergangsabschnitt aus koplanarem Wellenleiter (CPW) mit einer sich erweiternden Masse und einer Gradientenbreite des Mittelleiters verwendet, um die Verbindung zwischen dem SMA-Stecker und dem CSP-Streifen an den vier Anschlüssen herzustellen. Es ist zu beachten, dass das CPW mit der Kante des modifizierten CSP-Streifens verbunden ist, um die Impedanzanpassung für den antisymmetrischen ungeraden Modus zu verbessern. Sowohl das Transmissionsspektrum des Wellenleiters als auch die S-Parameter des Kopplergeräts wurden mit einem Agilent Vector Network Analyzer (N5244A) gemessen.

Zitierweise für diesen Artikel: Liu, X. et al. Rückwärts-Spoof-Oberflächenwelle in plasmonischem Metamaterial mit ultradünner Metallstruktur. Wissenschaft. Rep. 6, 20448; doi: 10.1038/srep20448 (2016).

Ramo, S., Whinnery, JR & Van Duzer, T. Felder und Wellen in der Kommunikationselektronik. 45–46 Wiley (1965).

Veselago, V. Die Elektrodynamik von Stoffen mit gleichzeitig negativen Werten von ε und μ. Sowjetische Physik Uspekhi 10, 509–514 (1968).

Artikel ADS Google Scholar

Shelby, RA, Smith, DR & Schultz, S. Experimentelle Überprüfung eines negativen Brechungsindex. Wissenschaft 292, 77–79 (2001).