基于渐变折射率波导操纵倏逝波- 大数跨境

两江科技评论

2020-06-30

导读：近日，来自厦门大学的研究团队研究了波导中倏逝波的操纵，基于渐变折射率超材料（GIM）实现了倏逝波的宽带高效传输。研究表明，截止波导激发的倏逝波可以通过模式转换机制实现有效地长距离传输，且该效应是宽带的

导读

近日，来自厦门大学的研究团队研究了波导中倏逝波的操纵，基于渐变折射率超材料（GIM）实现了倏逝波的宽带高效传输。研究表明，截止波导激发的倏逝波可以通过模式转换机制实现有效地长距离传输，且该效应是宽带的。文章于近日发表在《Physical Review Applied》上。

研究背景

倏逝波在原子光学、非线性光学领域及集成光学设备（例如，集成光学耦合器、集成光学传感器和近场光学显微镜）中起着重要作用，对其研究意义重大。截止波导中倏逝波模式可以激发出来，为研究如何操纵倏逝波提供了独特的物理环境。尽管已有研究人员基于波导内部填充负折射率超材料或各向异性超材料实现了隧穿效应、异常透射效应等。但负参数介质往往仅针对单个频率，各向异性介质也很难通过普通介质实现。近年来，具有正参数的渐变折射率超材料(GIMs)受到了广泛的关注。它们被用来设计许多有趣的装置，如不受偏振限制的宽带不对称波导，基于模式转换的宽带偏振不敏感的电磁波波导隐身，宽带波导水波隐身，全向宽带吸声器，高性能波束扫描天线等。因此，如何使用正参数和各向同性介质来宽频地操纵倏逝波值得进一步探索。

创新研究

在文章中，通过GIMs来实现倏逝波在波导中的宽带高效传输。如图1(a)所示，通过将两个相同的左右对称的GIM紧贴在平板波导的金属壁内侧可以操控由截止的空波导所激发的倏逝波。此外，为了更好地耦合入射波，GIMs的折射率分布沿x轴变化，其范围是从1到3.35，在从3.35到1。GIM波导对倏逝波调控的工作原理是基于模式转换。GIM波导渐变区域的每个横截面都可以看做是普通的三层平行板波导，而且随着其上下两层介质的折射率的增加，三层平板波导的截止频率会变低。因此当倏逝波进入渐变区域时，它会逐渐转化成沿着GIM和空气界面传播的表面波，而且对于空气一侧的表面波，它会沿y轴指数衰减。同时由于波导的对称性，当波离开渐变区域时又会逐渐转化成倏逝波。因此在波通过GIM波导的中心区域时，几乎不会产生散射，如果将合适尺寸的物体放置在该区域，则不会影响渐变区域外倏逝波的传播，且该隐身区域的大小与工作频率有关，在高阶模出现之前，隐身区域的大小随频率的增加而增大。此外，通过更改GIM的长度以及GIM和源的距离，可以实现有效地调控操纵。此外，通过适当的设计，类似的现象有望应用于红外或光学领域。

图1(b)-(d)是空波导和GIM波导在不同频率下的电场分布图。图1(b)是空波导在导通时（f=5.6GHz）的场图，而图1(c)是GIM在相同频率下的场图，通过对比可以发现在GIM波导的中心区域场强非常弱，因此，如果将合适大小的物体放置在其中，几乎不会影响波的传播。图(d)是空波导截止时（f=5.25GHz）的电场图，此时波导中激发的是倏逝波，可以发现由于其衰减特性，电场很快就衰减了。而图1(e)是GIM波导在相同频率下的场图，在波传播的过程中发生了模式转换，从最开始的倏逝波转换成表面波，再由于结构的对称性，从表面波转换成倏逝波，从而实现了倏逝波的高效传输。

图1：渐变波导示意图及仿真结果：(a) 渐变波导示意图；(b)(d) 空波导分别在f = 5.6 GHz（导通）及f = 5.25 GHz（截止）时的归一化电场分布；(c)(e) 渐变波导分别在f = 5.6 GHz及f = 5.25 GHz时的归一化电场分布。

此外，该工作还从数值上对比了不同频率下空波导与渐变波导中电场随着传播距离的强度变化（如图2所示）。

图2：沿着渐变波导以及空波导中y=0线上的电场幅值。实线代表渐变波导，虚线代表空波导。

该工作在实验上验证了渐变波导对倏逝波操控作用是宽带，实验结果与仿真结果吻合较好。该样品中GIM是基于有效介质理论通过在不同折射率的介质中挖不同尺寸的空气孔来实现的。图3(b)-(e)是GIM波导以及空波导的仿真及实验结果对比。图3(b)和(c)分别是f=5.25GHz时GIM波导的仿真和实验结果，图3(d)和(e)分别是f=5.25GHz时空波导的仿真和实验结果。通过对比验证了GIM波导对倏逝波的高效的传输。图3(f)是不同频率下沿着GIM波导中y=0线上的仿真及实验结果，验证了该传输效应是宽带的。

图3：三维仿真结果及实验测量结果。(a)加工的波导样品图；f=5.25 GHz时渐变波导的电场分布的仿真结果(b)及实验测量结果(c)；f=5.25 GHz时空波导的电场分布的仿真结果(d)及实验测量结果(e)；(f)不同频率下沿着渐变波导中y=0线上的仿真及实验结果。

总结

该研究工作基于模式转换的原理实现了倏逝波在GIM波导中的操控。并且通过仿真和实验对其进行了验证，两者结果吻合较好。此外，该操控效果是宽频的，同时也非常稳健。该方法在亚波长微波传输中具有广阔的应用前景。通过组合Mikaelian透镜，有望应用于倏逝波的完美传输及超透镜的设计。该研究工作得到了苏州大学和莫纳什大学的研究团队的大力支持。