Laser Photonics Rev.: 基于参量放大的非磁性人工表面等离激元隔离器

撰稿|由课题组供稿

近日，东南大学电磁空间科学与技术研究院、毫米波国家重点实验室张婧婧教授、崔铁军院士课题组与新加坡南洋理工大学罗宇教授在人工表面等离激元超材料领域取得新进展，提出了一种基于参量放大的人工表面等离激元非磁性隔离器，不仅可以较好的抑制后向波噪声也实现了多频隔离。研究成果以“Nonmagnetic Spoof Plasmonic Isolator Based on Parametric Amplification”为题，发表于国际期刊《Laser Photonics Reviews》（DOI: 10.1002/lpor.202100578）上，论文通讯作者为东南大学张婧婧教授、崔铁军院士和新加坡南洋理工大学罗宇教授，共同第一作者为东南大学博士生高欣欣与张婧婧教授。

在雷达保护和集成电路应用中，非互易性是实现非对称信号传输和调制的主要手段。对于非互易微波电路器件（隔离器、环形器、回转器等）来说，在当代通信系统、雷达和传感应用中扮演着重要的角色。基于洛伦兹互易性定理，任何线性和时变的媒介都具有对称的介电常数和磁导率，所以它们本质上都是互易的。为了打破时间反演的对称性，磁性材料的磁偏压为各种各样的磁性非互易器件提供了有力的保障。更重要的是，有些基于磁性材料的非互易器件已经商业化。但是，基于磁性非互易器件基本都具有体积大、造价昂贵以及不能较好的与集成电路相兼容等缺点。另外，在半导体集成电路中，一种简单易行的实现非互易的方法是依赖于有源晶体管固有的非互易特性。虽然上述的磁性非互易器件具有高集成度和低成本的优点，但噪声高、输出功率低等缺点限制了他们的实际应用。此外，可利用时空调制来实现时变的介电常数或电导率来打破互易性。然而，这种方法通常依赖于复杂的调制电路。且较低的带宽、较小的调制深度、有限的调制速度限制了其在高频段的应用。如何提高此类非互易器件的性能还需要进一步的研究。另一套实现非互易传输的有效手段则是利用非线性光学特性，例如，可以在非对称结构电路中引入二阶极化率或克尔效应极化率。此类基于非线性器件的非互易传输具有功耗低和易于集成等优点。但是，由于非线性极化率的动态互易性，基于非线性的隔离器能否有效地抑制未知的后向波噪声从而提供较好的隔离性能一直是一个有争议的问题。

此人工表面等离激元隔离器是由一个人工表面等离激元参量放大器、两个人工局域表面等离激元谐振器以及一个无源的人工表面等离激元波导构成。为了实现有效的非互易传输，所提出的隔离器件需要同时满足三个基本条件：1）有源人工表面等离激元波导需要满足参量放大的相位匹配条件以实现前向信号波的放大；2）信号频率与人工局域表面等离激元谐振频率需一致进而满足信号波可以较好的耦合到人工局域表面等离激元谐振器；3）有源和无源的人工表面等离激元波导需具有相同的相位常数，以实现信号波在两波导之间的自由切换。另外，对于加载半导体二极管的人工表面等离激元参量放大器而言，在满足泵浦波和前向信号波相位匹配的条件下，促使泵浦波能量转移给所期望的信号波，实现前向信号波的放大效果，进而抑制后向信号波的传输。因此，所提出的人工表面等离激元隔离器不仅继承了可共形人工表面等离激元波导紧凑、易于集成以及低损耗的优点，而且在抑制后向噪声的传输中有着显著的隔离效果。此外，通过操控人工表面等离激元的色散行为，此器件也可以实现多频隔离。

图1 (a) 基于人工表面等离激元的隔离器中前向和后向信号传输配置的原理图。(b) 人工表面等离激元参量放大器的单元结构。(c) 人工局域表面等离激元谐振器结构。(d) 无源人工表面等离激元波导的单元结构。(e) 单元结构(b)的色散特征。(f) 谐振器(c)的消光截面谱及近场分布。(g) 单元结构(d)的色散特征。

图 2 无磁性非线性隔离器的非互易传输验证

图3 非磁性隔离器随着泵浦波和信号波变化的隔离度

总之，在超薄的等离子体超材料平台上利用参量放大的概念实现可重构的非磁性隔离器件。在此隔离系统中，由于人工表面等离激元参量放大器的存在，放大了前向信号波而阻碍后向信号波的传输，产生了高达20 dB的隔离比。通过设计人工表面等离激元的色散行为，允许多个相位匹配频点产生，进而实现多频隔离。本章工作验证了实现小型化和低成本的非互易人工表面等离激元器件的可能性，其在非磁性信息处理和雷达防护方面具有可观的应用前景。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100578