波导阵列中复杂波形激励调控电磁场传播的机理研究

Waveguide arrays process the ability to manipulate the electromagnetic propagation. It was widely used in the spatial multiplexing, wavelength multiplexing and integrated circuit in a chip. Basing on the energy band and the physical models are proposed and demonstrated for manipulating the propagation, but few researches focus on the initial condition. Our research will use the physical model to design the corrugated metallic waveguide arrays and propose the method that the complex wavefront act as the initial condition to manipulate the propagation. The proposer has a good foundation on the analysis of the SPP mode and the mode coupling effect, connecting with theory analysis, electromagnetic simulation, sample fabrication and experimental test, with the help of the microwave technology to control the phase and intensity to generate the complex wavefront, using the probe or SMA port to load the signal to the starting port, in order to develop the device satisfying the need. The following researches are carried out: (1) the research on the in-plane and out-plane coupling effect on the special mode, (2) theory analysis on the interface mode in the waveguide array in accordance with the physical model, (3) sample fabrication and microwave experimental test.

波导阵列因其对电磁场传播有调控的特性，已广泛用于空间复用、波分复用以及片内互连等技术中。借助光子能带或依据物理模型的方法用于调控波导阵列中电磁场传播的研究已取得很多成果，然而波导阵列的初始激励条件用于调控的研究还存在不足。本项目拟依据物理模型并按照物理量等效的方法来设计金属锯齿波导阵列，提出复杂波形为初始条件的新方法用于调控电磁场传播。申请人在等离激元波导模式分析和模式耦合调控研究方面有较好的工作积累，将结合理论计算与仿真、样品制备与表征，通过微波技术对相位和强度的精确控制产生复杂波形，借助探针或SMA接口将其加载至波导阵列中以验证电磁场传播的调控作用，并结合应用需求开发和设计芯片中的复用器件或雏形。为此我们开展如下研究: (1) 金属锯齿波导中模式在面内和面外的耦合效应研究; (2) 依据物理模型设计波导阵列和界面模式的理论分析; (3) 样品制备与实验验证。

本项目是以波导为单元结构替换晶体结构中的原子，搭建类比于晶体材料的波导阵列结构，进而研究波导阵列等新型光子器件中电磁场传播演化的新机理。首先，本项目以微波频段的共面波导为研究的载体，以此搭建了凝聚态物理中经典的Su-Schrieffer-Heeger (SSH)模型。在Opt. Express. 26, 31636-31647 (2018) 的成果中，基于微波共面波导提供的多种在位能的调节办法，揭示了拓扑零模的初始振幅分布及其局域演化的机理；在Ann. Phys. 531, XXX (2019) 的成果中，从实验和模拟仿真上基于微波共面波导阵列发现两类局域传播模式 (拓扑零模和Tamm模) 的局域传播的机理；微波共面波导由于其独特的灵活调控的能力，在Phys. Rev. Lett. 122, 173901 (2019) 和 CLEO_SI. STu4B.7 (2018) 的两篇成果中，在波导阵列的传播方向上引入周期性的结构调制并明确了Floquet能带的调控机理，在实验和理论上发现了在合适的调制周期数目的条件下 (1/3 ~ 1) 存在一类特殊的局域传播模式即π模。总结以上的四篇重要成果：创新的将波导阵列拓展至静态和动态Su-Schrieffer-Heeger模型中新效应的研究。其次，申请人基于超表面的灵活调控范式实现了近场和远场的光场调控。将耦合模理论拓展至泄露模的近场调控中，明确了吸收和辐射对过阻尼和欠阻尼的作用机理。此外，在远场自由空间光场中，将消色差的原理拓展至太赫兹频段实现了超宽带的太赫兹消色差透镜。太赫兹在生物检测和物质探测中显示了其可靠性，项目申请人将进一步开发基于太赫兹超表面在生物检测上的应用 [Appl. Phys. Express 12, 072008 (2019)和Sci. Bull. 64, 1525-1531 (2019)]。最后，申请合作完成了将等离激元的概念应用于太赫兹的生物检测中，在实验上利用电磁诱导透明的现象对4-氨基苯甲酸的高灵敏检测，进一步利用等离激元的增强效应实现对L-酒石酸的高消光比检测 [Sci. Rep. 7, 11291 (2017)和Opt. Mater. Express 8, 128-135 (2018)]。申请人在项目执行过程中，总共发表9篇SCI论文和申请2项发明专利，其中2篇1区论文。