王五松，張利偉，張冶文

(1.中國(guó)振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽(yáng)550018；

2.貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 貴州省功率元器件可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)550009；

3.河南理工大學(xué) 物理化學(xué)學(xué)院，河南 焦作454000；

4.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

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表面等離子波導(dǎo)及應(yīng)用

王五松1,2，張利偉3，張冶文4*

(1.中國(guó)振華集團(tuán)云科電子有限公司，貴州 貴陽(yáng)550018；

2.貴州航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所 貴州省功率元器件可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng)550009；

3.河南理工大學(xué) 物理化學(xué)學(xué)院，河南 焦作454000；

4.同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804)

摘要：本文在介紹表面等離子波導(dǎo)基本理論的基礎(chǔ)上，主要對(duì)表面等離子波導(dǎo)的若干應(yīng)用進(jìn)行綜述, 包括基于表面等離子波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)的光學(xué)和微波頻段的慢波效應(yīng)、類電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象、可調(diào)濾波器，以及通過(guò)對(duì)電磁波繞射而實(shí)現(xiàn)的隱身效應(yīng)等。最后指出該領(lǐng)域存在的問(wèn)題與挑戰(zhàn)， 并對(duì)今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。分析認(rèn)為，通過(guò)引入增益介質(zhì)、采用超導(dǎo)材料等方法降低表面等離子波導(dǎo)材料的損耗、減少工藝制作的難度是今后亟待解決的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:表面等離子波導(dǎo)；特異材料；慢波效應(yīng)

Surface plasmon waveguide and its applications

WANG Wu-song1,2, ZHANG Li-wei3, ZHANG Ye-wen4*

(1.YunkeElectronicsCo.,LTD.ofChinaZhenhuaGroup,Guiyang550018,China；

1引言

表面等離子激元(Surface Plasma Polaritons，SPPs)是指沿兩種介質(zhì)的分界面?zhèn)鞑サ碾姶挪ǎ⑶以谄x分界面時(shí)，其振幅隨距離增加按指數(shù)衰減[1-2]。它只存在于介電常數(shù)(對(duì)TM波)或磁導(dǎo)率(對(duì)TE波)符號(hào)相反的兩種介質(zhì)的界面上，早在1957年Ritchie就預(yù)言了SPPs的存在[3]。SPPs是一種具有慢傳播特性的電磁波，可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)分辯，該特性在實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的光學(xué)器件設(shè)計(jì)方面將具有廣闊的應(yīng)用前景[4-8]。 SPPs的激發(fā)可以采用棱鏡耦合或者金屬柵格，使光子與SPPs波矢匹配，典型的激發(fā)方式有Kretschman模型和光柵激發(fā)模型。在這兩種情況下，表面波均沿著金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑9-10]。

特異材料(metamaterials)具有類金屬的光學(xué)性質(zhì)，它的介電常數(shù)(磁導(dǎo)率)在一定的頻段可以為負(fù)，因此特異材料結(jié)構(gòu)能夠支持不同頻段的SPPs[11-12]。一般來(lái)說(shuō)，表面等離子體的激發(fā)需要?jiǎng)恿科ヅ?，常用的方法有衰減全反射法，然而對(duì)于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的特異材料波導(dǎo)所支持的表面等離子體，可在動(dòng)量不匹配的條件下，通過(guò)垂直入射平面波的方法來(lái)激發(fā)[13]。特異材料包含雙負(fù)材料、單負(fù)材料以及零折射率材料(即有效介電常數(shù)和/或有效磁導(dǎo)率等于零的材料)[14-17]。介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)的材料稱為雙負(fù)材料(DNG，ε<0、μ<0)；單負(fù)材料包含電單負(fù)材料和磁單負(fù)材料兩種類型，其中介電常數(shù)為負(fù)而磁導(dǎo)率為正的材料稱為電單負(fù)材料(ENG，ε<0、μ>0)，介電常數(shù)為正而磁導(dǎo)率為負(fù)的材料稱為磁單負(fù)材料(MNG，ε>0、μ<0)。普通介質(zhì)材料的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為正(即雙正材料(DPS，ε>0、μ>0))，支持電磁波的傳播；ENG材料和MNG材料均不支持電磁波傳播，在這些材料中電磁場(chǎng)為消逝場(chǎng)。金屬(如金、銀、銅等)在等離子頻率以下，即為ENG特異材料。特異材料的出現(xiàn), 使得SPPs的研究不斷在紅外、微波等其他波段展開(kāi)[18-19]。

SPPs具有對(duì)電磁波在亞波長(zhǎng)尺度內(nèi)的約束和局域特性，并且有望突破衍射極限實(shí)現(xiàn)器件的小型化(如納米尺寸)，進(jìn)而大大提高光子器件的集成度。因此可以通過(guò)激發(fā)表面等離子體波來(lái)有效調(diào)控光的位相、方向及快慢。它在許多領(lǐng)域都具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值，例如構(gòu)建等離子波導(dǎo)以實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的延遲、濾波以及隱身等多個(gè)方面。本文主要以表面等離子波導(dǎo)在光信號(hào)延遲、濾波以及隱身技術(shù)等方面的應(yīng)用為例，來(lái)介紹該領(lǐng)域的研究進(jìn)展及其意義。

2理論基礎(chǔ)

2.1　金屬/介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的SPPs

圖1　金屬/介質(zhì)界面上的表面等離子激元 Fig.1　SPPs on the metal/dielectric interface

根據(jù)特異材料理論，在等離子頻率以下金屬可視為電單負(fù)特異材料?？紤]金屬/介質(zhì)(ENG/DPS)組合結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由半無(wú)限大的ENG材料(x<0區(qū)域，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1、μ1)和半無(wú)限大的DPS材料(x>0區(qū)域、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε2、μ2)構(gòu)成。研究表明[20]，在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中TM極化的表面等離子波被激發(fā)。

對(duì)于頻率為ω的時(shí)諧電磁波在均勻﹑各向同性介質(zhì)中的傳播，可用下面的麥克斯韋方程來(lái)描述：

(1)

(2)

而對(duì)于單頻平面電磁波，則有:

(3)

在x<0區(qū)域，磁場(chǎng)方程可寫(xiě)為:

(4)

式中：ez為z方向(即垂直于ENG/DPS平面的方向)的單位矢量。此時(shí)的電場(chǎng)方程可為:

(5)

式中：ex,ey分別為x(ENG/DPS平面中垂直于界面的方向)，y方向(ENG/DPS界面方向)的單位矢量；k為表面等離子波波矢，k1﹑k2分別為電磁波在ENG/DPS界面兩側(cè)的衰減波矢。c為真空中的光速。

在x>0區(qū)域，磁場(chǎng)方程可寫(xiě)為:

(6)

因此，此時(shí)的電場(chǎng)方程可寫(xiě)為:

(7)

波矢k1,k2,k之間具有如下關(guān)系:

(8)

根據(jù)電磁場(chǎng)邊界條件，在x=0處有:

(9)

解此方程組，并整理，可得:

(10)

結(jié)合式(8)、(9)、(10)可得:

(11)

對(duì)于ENG材料和DPS材料，當(dāng)μ1=μ2=1時(shí)，式(11)可寫(xiě)為:

(12)

式(12)即為ENG/DPS波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中TM極化表面等離子波的色散關(guān)系。

2.2　金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)中的SPPs

考慮金屬/介質(zhì)/金屬(ENG/DPS/ENG)組合結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由寬度為d的介質(zhì)(0d)夾在兩塊半無(wú)限大的ENG材料(x<0區(qū)域和x>d區(qū)域)包層之間構(gòu)成。在這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，表面等離子波的色散關(guān)系為[21]:

(13)

(14)

在該ENG/DPS/ENG波導(dǎo)中，由于兩個(gè)ENG/DPS界面上等離子波之間的耦合，導(dǎo)致原來(lái)單一的表面等離子激元模式分裂為兩個(gè)：對(duì)稱模式和非對(duì)稱模式。隨著d的減小，這種分裂表現(xiàn)的更強(qiáng)烈，因?yàn)閐越小兩界面之間的耦合越強(qiáng)烈。式(13)對(duì)應(yīng)表面等離子的對(duì)稱模式(此時(shí)電磁場(chǎng)對(duì)稱分布)，式(14) 對(duì)應(yīng)表面表面等離子非對(duì)稱模式(此時(shí)電磁場(chǎng)為非對(duì)稱分布)。

2.3　表面等離子波的其他模式

考慮磁單負(fù)材料/介質(zhì)材料(MNG/DPS)的組合結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由半無(wú)限大的MNG材料(x<0區(qū)域，介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε1、μ1)和半無(wú)限大的DPS材料(x>0區(qū)域、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別為ε2、μ2)構(gòu)成。在該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中TE極化的表面等離子波色散關(guān)系可寫(xiě)為[20]:

(15)

另外，對(duì)于磁單負(fù)材料/介質(zhì)材料/磁單負(fù)材料(MNG/DPS/MNG)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(其中，介質(zhì)材料位于0d區(qū)域，磁單負(fù)材料位于x<0區(qū)域和x>d區(qū)域)，表面等離子波的色散關(guān)系為[21]:

(16)

(17)

在該MNG/DPS/MNG波導(dǎo)中，由于兩個(gè)MNG/DPS界面上等離子波之間的耦合，原來(lái)單一的表面等離子激元模式也會(huì)分裂為兩個(gè)：對(duì)稱模式和非對(duì)稱模式。并且隨著d的減小，這種分裂表現(xiàn)的更強(qiáng)烈，因?yàn)閐越小兩界面之間的耦合越強(qiáng)烈。式(16)對(duì)應(yīng)表面等離子的對(duì)稱模式(此時(shí)電磁場(chǎng)對(duì)稱分布)，式(17) 對(duì)應(yīng)表面表面等離子非對(duì)稱模式(此時(shí)電磁場(chǎng)為非對(duì)稱分布)。

3表面等離子波導(dǎo)及應(yīng)用

在納米光子學(xué)中，波導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)光子回路的基礎(chǔ)，對(duì)光波的傳播起導(dǎo)引作用。表面等離子波導(dǎo)作為光子互連元件，能夠同時(shí)起到實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的延遲(即減慢光傳播速度)及光子學(xué)衍射極限限制的雙重作用。其主要構(gòu)建形式有兩種：第一種是通過(guò)金屬/介質(zhì)/金屬、正常材料/負(fù)折射率材料/正常材料或者磁單負(fù)材料/正常材料/磁單負(fù)材料等類似的組合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這類波導(dǎo)中,由于兩界面之間的SPPs波產(chǎn)生耦合, 形成了被限制于介質(zhì)芯層中的SPPs波導(dǎo)模式[22-24]。第二種是通過(guò)金屬/介質(zhì)或者磁單負(fù)材料/正常材料等類似的組合結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1　表面等離子波導(dǎo)中的慢光效應(yīng)

減慢光傳播的速度(即實(shí)現(xiàn)慢光效應(yīng))是表面等離子激元波導(dǎo)的一個(gè)重要用途。與其它支持慢光的結(jié)構(gòu)(如諧振腔的直接耦合等)相比，表面等離子激元波導(dǎo)具有在寬頻帶內(nèi)對(duì)電磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)局域的優(yōu)勢(shì)。而且由于表面等離子激元特殊的色散關(guān)系，在色散曲線的截止頻率處，表面等離子激元具有明顯的慢波特性[20,25]，甚至能使信號(hào)停滯，利用這一點(diǎn)通過(guò)此類波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)儲(chǔ)存。

文獻(xiàn)[24]基于二維微帶傳輸線構(gòu)建了磁單負(fù)材料/介質(zhì)/磁單負(fù)材料(MNG/DPS/MNG)波導(dǎo)，結(jié)合該結(jié)構(gòu)中表面等離子激元的色散關(guān)系對(duì)該中慢波特性進(jìn)行微波實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的慢波效應(yīng)：慢波頻率可通過(guò)電路參數(shù)(即有效磁導(dǎo)率)調(diào)節(jié)，同一頻率點(diǎn)的波速度也可通過(guò)電路參數(shù)(即有效磁導(dǎo)率)調(diào)節(jié)(圖2)。其中vg為表面等離子波的群速度，vp為相速度群速度最低可達(dá)到真空中光速的1/45。圖3(a)為具有不同凹槽深度的金屬分級(jí)光柵結(jié)構(gòu)的表面等離子激元波導(dǎo)，左側(cè)凹槽深度和右側(cè)凹槽深度分別為h=50 μm和h=110 μm；通過(guò)該結(jié)構(gòu)可以在0.8 THz的帶寬內(nèi)(0.6~1.4 THz)實(shí)現(xiàn)慢光(圖3(b)),這里光的群速度變化范圍為c/107~c/102(c為光在真空中的傳播速度),且在該波導(dǎo)色散曲線的截止頻率點(diǎn)，光的群速度可達(dá)c/107[18]。2011年，Savo等人基于前向波和后向波簡(jiǎn)并機(jī)制，對(duì)于微波頻段的慢光通過(guò)單負(fù)特異材料平面波導(dǎo)(磁單負(fù)材料/介質(zhì)/磁單負(fù)材料波導(dǎo)結(jié)構(gòu))進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，最終獲得了約1/15倍真空中光速的慢光[26]。

圖2　(a)基于二維微帶傳輸線構(gòu)建的MNG/DPS/MNG表面等離子波導(dǎo)； (b)改變單元電容(即MNG材料的有效磁導(dǎo)率)，該波導(dǎo)內(nèi)的表面等離子在不同的截止頻率均為慢波； (c)在固定頻率(f=1.3 GHz)點(diǎn), 表面等離子波群速度vg和相速度vp隨單元電容值(即MNG材料的有效磁導(dǎo)率)的變化趨勢(shì) [24] Fig.2　(a)MNG/DPS/MNG Spps waveguide based on two dimensional microstrip lines; (b)the SPP waves propagate slowly at different cutoff frequency while the unit capacitor (the effective permeability of MNG metamaterials) is changed; (c)the group velocity vg and phase velocity vp change with the unit capacitor [24]

圖3　(a)具有不同凹槽深度h的金屬分級(jí)光柵結(jié)構(gòu)表面等離子激元波導(dǎo)的色散關(guān)系，插圖為分級(jí)光柵結(jié)構(gòu)分布(h=50~110 μm)； (b)由色散關(guān)系得出的表面等離子激元模式群速度 [18] Fig.3　(a)Dispersion relations of SPPs metal grating waveguide with different groove depth(h=50~110 μm); (b)group velocity of SPPs from dispersion relations [18]

3.2　電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象

電磁感應(yīng)透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)是量子光學(xué)研究的一個(gè)基本問(wèn)題，因其具有慢光效應(yīng)、強(qiáng)烈非線性等突出優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的廣泛關(guān)注[27-29]。它是指利用另一束激光對(duì)原子媒質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)進(jìn)行調(diào)控，使其在原本的吸收譜線內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)很窄的透明窗口。同時(shí)，透明窗口內(nèi)原本由二能級(jí)共振所引起的反常色散變成了極其強(qiáng)烈的正常色散。其本質(zhì)是相干布居囚禁，即在兩束光的作用下，三能級(jí)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)下能級(jí)形成相干疊加態(tài)，使兩個(gè)下能級(jí)到上能級(jí)的吸收相干抵消。在發(fā)生電磁感應(yīng)透明的頻率處，介質(zhì)的折射率會(huì)有一個(gè)快速的變化，從而引起探測(cè)光的群速度減慢，甚至停止。

經(jīng)典的量子EIT實(shí)驗(yàn)往往需要苛刻的實(shí)驗(yàn)條件，例如常需要高功率的激光器，極端低溫以及強(qiáng)磁場(chǎng)等實(shí)驗(yàn)條件等[30]。利用特異材料可以方便地實(shí)現(xiàn)EIT現(xiàn)象，便于研究其物理特性[31-32]。通過(guò)表面等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)EIT效應(yīng)不僅可以使人們更加方便的研究其特性，而且有利于突破衍射極限實(shí)現(xiàn)器件的小型化。文獻(xiàn)[33]基于金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)的表面等離子激元波導(dǎo)中Fabry-Perot諧振腔之間的相干相消效應(yīng)，通過(guò)含有缺陷的表面等離子金屬波導(dǎo)，在理論上研究了類EIT現(xiàn)象(圖4(a))，并對(duì)其慢波特性進(jìn)行了討論(圖4(b))。文獻(xiàn)[34]采用微帶傳輸線方法，基于含有缺陷的由二維特異材料構(gòu)成的磁單負(fù)材料/介質(zhì)/磁單負(fù)材料表面等離子通道結(jié)構(gòu)(圖5(a)、(b))，在微波波段實(shí)驗(yàn)研究了類-EIT效應(yīng)(圖5(c))并對(duì)該效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制(即由于兩側(cè)諧振腔的反相諧振，導(dǎo)致兩個(gè)缺陷中的電磁波在通道處產(chǎn)生相干相消，如圖5(d)所示)進(jìn)行了深入研究。

圖4　(a)金屬/介質(zhì)/金屬表面等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及EIT透射譜(L1=600 nm，L2=610 nm (實(shí)線)，L2=620 nm(點(diǎn)線)，L2=630 nm(虛線))； (b)相位折射率與波長(zhǎng)的變化關(guān)系(L1=300 nm，L2=310 nm(實(shí)線)；L1=600 nm,L2=610 nm(點(diǎn)線))[33] Fig.4　(a)Metal/dielectric/metal SPPs waveguide structure and EIT transmission spectrum(L1=600 nm， L2=610 nm(solid line), L2=620 nm(dotted line), L2=630 nm(dashed line)); (b)relationship between phase index and wave length(L1=300 nm, L2=310 nm(solid line); L1=600 nm, L2=610 nm(dotted line))[33]

圖5　(a)含缺陷的MNG/DPS/MNG表面等離子通道模型； (b)基于二維微帶傳輸線的MNG/DPS/MNG表面等離子缺陷通道； (c)仿真(實(shí)線)和測(cè)量(虛線)得到的透射譜； (d)含缺陷的MNG/DPS/MNG表面等離子通道電場(chǎng)分布(f=0.55 GHz)[34] Fig.5　(a)MNG/DPS/MNG Spps channel with defects; (b)defected MNG/DPS/MNG Spps channel based on two dimensional microstrip; (c)simulated(solid line) and measured(dotted line) transmission spectrum; (d)the distribution of electric field in defected MNG/DPS/MNG Spps channel[34]

3.3　表面等離子波導(dǎo)濾波器

在未來(lái)的高密度集成平臺(tái)上，表面等離子波導(dǎo)對(duì)于光信號(hào)的傳播與處理具有廣闊的發(fā)展前景。由于它具有傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)不具備的特殊性質(zhì)，如突破衍射極限實(shí)現(xiàn)器件的小型化(如納米尺寸)等，所以表面等離子波導(dǎo)組件已成為等離子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。迄今為止，已出現(xiàn)許多不同類型的SPPs波導(dǎo)組件，例如彎曲和分離器、Mach-Zehnder干涉儀、Y形組合器等[35-38]。由于波導(dǎo)式濾波器具有損耗小、帶外抑制好等特性，且表面等離子波導(dǎo)濾波器是高密度集成平臺(tái)中的重要環(huán)節(jié)，所以出現(xiàn)了許多類型的表面等離子波導(dǎo)濾波器，例如諧振環(huán)濾波器[39-40]、齒形濾波器[41-42]等。文獻(xiàn)[43]研究了含F(xiàn)abry-Perot諧振腔的金屬/介質(zhì)/金屬結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)波導(dǎo)濾波器，如圖6所示，分別改變參數(shù)g和L，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波效應(yīng)。

圖6　(a)含F(xiàn)abry-Perot諧振腔的金屬/介質(zhì)/金屬表面等離子波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖； (b)濾波器透射譜(w1 =w2=50 nm, g=10 nm)； (c)波導(dǎo)透射譜(w1=w2=50 nm, L=500 nm)[43] Fig.6　(a)Metal/dielectric/metal SPPs waveguide filter with Fabry-Perot resonator; (b)the transmission spectrum(w1=w2=50 nm, g=10 nm); (c)the transmission spectrum(w1=w2=50 nm, L=500 nm)[43]

表面等離子波導(dǎo)濾波器不僅可在光頻段實(shí)現(xiàn)，而且也可在紅外、微波等其它波段實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[44]基于二維微帶傳輸線結(jié)構(gòu)構(gòu)建了磁單負(fù)材料/介質(zhì)/磁單負(fù)材料(MNG/DPS/MNG)表面等離子波導(dǎo)濾波器，該波導(dǎo)濾波器可實(shí)現(xiàn)低通、帶阻和帶通3種濾波效應(yīng)，并且通過(guò)調(diào)整材料的電磁參數(shù)、調(diào)節(jié)亞波長(zhǎng)諧振腔的大小、數(shù)目及耦合間距，可以調(diào)整相應(yīng)的濾波性能。其中低通濾波器的通帶頻率可由構(gòu)成MNG材料的單元電容(即MNG材料的有效磁導(dǎo)率)來(lái)調(diào)節(jié)；帶阻濾波器的濾波性能可通過(guò)調(diào)整諧振腔長(zhǎng)、耦合間距以及諧振腔的數(shù)目來(lái)調(diào)節(jié)；帶通濾波器的性能可通過(guò)改變諧振腔長(zhǎng)以及MNG材料的厚度來(lái)調(diào)整。在同一種的電路結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)多種可調(diào)的濾波功能，這種思想將會(huì)代表微波電路和光子電路中濾波器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。因?yàn)樗梢院?jiǎn)化濾波器的設(shè)計(jì)程序，提高設(shè)計(jì)效率。

3.4　表面等離子波的隱身

人們能看到物體，是因?yàn)槲矬w對(duì)光的散射作用使得散射光線進(jìn)入到了人們的眼睛。如果能夠減少散射，甚至使光線經(jīng)過(guò)物體后能夠恢復(fù)原來(lái)的傳播方向，就能夠?qū)崿F(xiàn)隱身。特異材料對(duì)電磁波具有負(fù)折射效應(yīng)，利用該性能可以達(dá)到隱身的目的[45]。研究表明，通過(guò)在物體表面包覆一層具有一定介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分布的特異材料能夠使一定波長(zhǎng)的電磁波彎曲，從而使電磁波繞過(guò)目標(biāo)，最終達(dá)到隱身的目的[46]。同樣，表面等離子波在金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑r(shí)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)折射效應(yīng)[47],利用這一點(diǎn)可以在金屬表面的某些特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)表面等離子波傳播的隱身[48]。

依據(jù)金屬/介質(zhì)分界面的表面等離子波色散關(guān)系可知,在特定頻率會(huì)出現(xiàn)反常色散(此時(shí)表面等離子波的相速度與群速度方向相反)，這時(shí)金屬/介質(zhì)分界面對(duì)于表面等離子波為負(fù)折射材料。結(jié)合這一理論,可以使得在金/聚甲基丙烯酸甲酯(Au/PMMA)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子波的有效折射率為負(fù),而在同一頻率下在金/真空(Au/vacuum)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子波的有效折射率為正。將以上兩種結(jié)構(gòu)組合排列, 并適當(dāng)設(shè)置各自的比例, 就可以實(shí)現(xiàn)表面等離子波在金/真空與聚甲基丙烯酸甲酯組合二維環(huán)狀平面結(jié)構(gòu)的有效折射率產(chǎn)生由負(fù)到正的連續(xù)變化，最終使得采用波長(zhǎng)0.5 μm的光源激發(fā)的表面等離子波繞開(kāi)中心的圓形區(qū)域,實(shí)現(xiàn)表面等離子波傳播的隱身(圖7)[48]。

圖7　(a)由真空/金/聚甲基丙烯酸甲酯構(gòu)成的二維特異材料隱身結(jié)構(gòu)，插圖為中央?yún)^(qū)域原子力顯微圖像； (b)表面等離子波在該結(jié)構(gòu)中的傳播，λ=532 nm； (c)該隱身結(jié)構(gòu)中的能流分布[48] Fig.7　(a)Two dimensional metamaterial cloak based on vacuum/Au/PMMA, the inset is the atomic force microscopic image of central area; (b)SPP waves propagating in this structure, λ=532 nm; (c)the energy flux distribution[48]

在表面等離子隱身技術(shù)中,變換光學(xué)是最有效的設(shè)計(jì)方法。除此之外,Engheta等人提出了等離子層和介質(zhì)體“散射相消”的設(shè)計(jì)思想來(lái)實(shí)現(xiàn)隱身，這種設(shè)計(jì)思想有望獲得更寬的隱身頻帶[49]；而Milton和Nicorovici等人則設(shè)計(jì)了基于負(fù)折射材料異常局域共振的隱身方案[50]。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，表面等離子波導(dǎo)已成為表面等離子研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外多個(gè)科研機(jī)構(gòu)在這一新興學(xué)科方向開(kāi)展了卓有成效的研究工作，并取得了不少激動(dòng)人心的結(jié)果。本文介紹了表面等離子波導(dǎo)的基礎(chǔ)理論及若干應(yīng)用，包括寬頻帶、可調(diào)的慢波效應(yīng)和光信號(hào)濾波器、隱身等等。除上述幾個(gè)方面之外，與表面等離子波導(dǎo)相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域還涉及共振傳感器、納米激光器、顏色濾波器等多個(gè)方向。然而，為了能夠?qū)⒈砻娴入x子波導(dǎo)的基礎(chǔ)研究成果運(yùn)用到工程實(shí)際, 人們還需要面臨各種挑戰(zhàn), 例如研制出傳播損耗可以與傳統(tǒng)的波導(dǎo)相比擬的光頻段亞波長(zhǎng)尺寸的金屬線回路；開(kāi)發(fā)基于表面等離子激元的電光、全光和壓電調(diào)制器；以及如何采用增益機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)自主控制, 進(jìn)行表面等離子激元光學(xué)元件的研制；如何將光纖輸出信號(hào)耦合到表面等離子激元回路中, 開(kāi)發(fā)深亞波長(zhǎng)的納米光刻蝕術(shù)。

目前，本文所展示的表面等離子波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)方法及應(yīng)用尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。但可以預(yù)見(jiàn)，隨著特異材料理論和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，將會(huì)涌現(xiàn)更多嶄新的研究成果。未來(lái)本領(lǐng)域的研究將主要圍繞以下三個(gè)方向：(1)加快表面等離子波導(dǎo)研究成果的實(shí)用化進(jìn)程，如嘗試在光波雷達(dá)中的應(yīng)用等；(2)結(jié)合納米技術(shù)以及THz光學(xué)，探討表面等離子波導(dǎo)在THz波段的物理特性，進(jìn)而探索表面等離子波導(dǎo)在THz通信中可能的應(yīng)用；(3)研究降低表面等離子波導(dǎo)能量損耗的方法以適應(yīng)遠(yuǎn)距離光通信的需要，因?yàn)槟壳暗谋砻娴入x子波導(dǎo)主要基于金屬以及半導(dǎo)體材料，導(dǎo)致電磁波的能量損耗較大。其中，降低表面等離子波導(dǎo)材料的損耗(如通過(guò)引入增益介質(zhì)、甚至采用超導(dǎo)材料等方法)、減少工藝制作的難度應(yīng)當(dāng)是首當(dāng)其沖的問(wèn)題。

總之，表面等離子波導(dǎo)為科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用提供了難得的機(jī)遇，它涉及物理、材料、化學(xué)、能源等眾多的學(xué)科和前沿，且有交叉和融合，這將為科學(xué)研究和人類科技進(jìn)步開(kāi)辟新的道路。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，有必要在這個(gè)嶄新的學(xué)科領(lǐng)域中開(kāi)展更加廣泛和深入的研究。

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王五松(1978—)，男，河南上蔡人，博士，2012年于同濟(jì)大學(xué)獲得博士學(xué)位, 主要從事特異材料、表面等離子、微波元器件方面的研究。E-mail:wangwusong126@163.com

張冶文(1955—)，男，浙江杭州人，教授、博士生導(dǎo)師，主要從事特異材料、電介質(zhì)材料與駐極體材料方面的研究。E-mail:yewen.zhang@#edu.cn

張利偉(1979—)，男，河南確山人，博士后，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事光子晶體、特異材料、表面等離子體等方面的研究。E-mail:lwzhang@hpu.edu.cn

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2.KeyLaboratoryofPowerComponentsReliabilityinGuizhouProvince,

GuizhouAerospaceInstituteofMeasuringandTestingTechnology,Guiyang550009,China；

3.SchoolofPhysicsandChemistry,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China；

4.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,Tongjiuniversity,Shanghai201804,China)

Abstract:On the basis of Surface Plasmon Polariton(SPP) waveguide dispersion relation being derived systemically, the applications of SPP waveguide are summarized in this paper. The slow wave effect in SPP waveguide, the EIT(electromagnetically induced transparency)-like phenomenon, the tunable SPP waveguide filter at optical and microwave frequencies, the SPP waves cloaking through diffraction are mainly introduced. Problems and challenges in this field are pointed out finally, and the future developing trend is prospected. Analysis indicates that reducing the loss of the surface plasmon waveguide materials and the difficulty of the production process by introducing gain mediums and superconducting materials are the problem to be solved urgently in the future.

Key words:surface plasmon waveguide;metamaterials;slow wave effect

作者簡(jiǎn)介：

*Corresponding author, E-mail:yewen.zhang@#edu.cn

中圖分類號(hào)：TNO11.4； TB383

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

doi:10.3788/CO.20150803.0329

文章編號(hào)2095-1531(2015)03-0329-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.10904032)；貴州省科學(xué)技術(shù)基金資助項(xiàng)目(No.J[2014]2076)；貴州省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.Z[2014]4001)；河南理工大學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.J2013-09, No.T2015-3)

收稿日期:2014-10-11；

修訂日期:2015-12-13