人工表面等离激元有源器件的研制

Due to the features of subwavelength effect and non-diffraction phenomenon, surface plasmon polaritons (SPPs) have potential applications in miniaturized devices. But the related method of SPPs cannot be directly used in the microwave and terahertz frequencies. To overcome this difficulty, spoof surface plasmon polaritons have been proposed with the aid of artificial structures. In our previous work, we have presented conformal surface plasmons (CSPs) and relevant passive SPP devices. However, the theoretical bases of active SPPs and corresponding active SPP devices have not been reported in the microwave frequency. To solve the problem, in this project, we firstly propose a novel SPP waveguide, which can be easily integrated with the active chips in subwavelength scales in the microwave frequency. Based on the novel SPP waveguide and active chip, we present a detailed design method to produce active SPP devices, including SPP amplifier, SPP duplexer, and SPP mixer. The study in this project is not only very important for the theory of SPPs and spoof SPPs, but also essential to design and manufacture the SPP integrated circuits and systems.

光波的表面等离激元（SPP）因具有亚波长效应和无衍射现象而有利于器件的小型化。虽然相关技术无法直接运用于微波及太赫兹频段，但可通过引入人工结构来构建人工表面等离激元。本课题组的前期研究提出了一种微波段的柔性共形人工表面等离激元波导及其系列无源器件。然而，人工表面等离激元的有源基础和相关有源器件还是空白。为此，本项目首先提出一种新型的人工表面等离激元波导结构，该结构可与微波段的有源芯片有效结合，从而建立人工表面等离激元有源器件的基础。进而提出微波段人工表面等离激元有源器件完整的设计方案，并研制出可以应用于实际的有源功能器件，例如人工表面等离激元放大器、倍频器、混频器等。本项目的研究不仅对表面等离激元及人工表面等离激元的理论体系具有重要的理论意义，而且对基于人工表面等离激元的集成电路及系统的研制也具有重要的促进作用。

人工表面等离激元是一种具有高度束缚与近场增强特性的特殊表面波模式，因有望在高集成度电路中替代传统微波传输线解决现有系统设计中小型化和电磁兼容之间的矛盾，而受到物理学界和工程界的广泛关注，成为当前重要研究热点之一。本项目围绕“人工表面等离激元有源器件研制”这一主题，从人工表面等离激元电路理论、二极管类人工表面等离激元器件、三极管类人工表面等离激元器件与人工表面等离激元有源器件测试方法等四个方面展开了深入研究，取得了一系列突破性研究成果。成果包括：1）全方位建立了人工表面等离激元的电路理论体系。通过场路结合、电路拓扑提取等方法建立了电磁特性与结构几何参数之间的显性公式，揭示了人工表面等离激元的物理本质并以此为基础建立了相关单元数据库，为人工表面等离激元有源器件设计及优化提供了技术基础。2）通过在人工表面等离激元结构中引入二极管元件实现了对其色散特性的动态控制，设计了基于人工表面等离激元的谐波发生器、波束扫描天线、可重构功能器件以及多功能数字调制器等一系列器件，首创了有源数字人工表面等离激元的概念，建立了数字化和可编程人工表面等离激元理论体系。3）研究了人工等离激元波导与三极管芯片的集成方法，进而构建出一系列具有实际应用潜力的人工表面等离激元有源功能器件，如谐波混频器、增益倍频器等。4）提出了一系列基于人工表面等离激元级联网络理论的高精度、高鲁棒性色散、近场测试方法，可解决有源人工表面等离激元结构的色散曲线和近场分布测试难题，为人工表面等离激元电路与系统设计奠定了技术基础。受本项目资助，在《National Science Review》、《Laser & Photonics Review》、《ACS Photonics》、《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》等国际重要期刊发表相关论文50篇，授权国家发明专利16项，在国际上形成了重要影响，为人工表面等离激元的系统级应用奠定了重要技术基础。