多层人工表面等离激元集成电路及其在功能器件中的应用

表面等离激元是一种传播于介质与金属表面的具有高束缚性与较短工作波长特性的表面波,主要工作于可见光波段、近红外频段等高频频段。理论和实验研究表明,利用周期排布的特定结构,可以在微波、太赫兹波等低频段激励起具有类似于表面等离激元色散特性的表面波,同样具有能量高度束缚以及工作波长远小于同频率下自由空间波长等特性,因此被称之为人工表面等离激元。早期人工表面等离激元研究主要集中于微波及太赫兹波段下具有良好截止频率的表面波传播现象验证,由于其立体结构及其激励手段多来自于空间波照射,因而限制了实际应用。中国东南大学毫米波国家重点实验室崔铁军教授及其课题组成员先后提出了用共面波导和微带线激励周期开槽超薄金属条带的高效激励方法,实现了宽带高效匹配。由于这种技术成本低、效率高、易于集成,因而得到了广泛关注,大大促进了基于人工表面等离激元滤波器、功分器、定向辐射、功放等功能器件的发展。近年来,一个重要的研究热点便集中于人工表面等离激元功能器件与传统集成电路相结合。一方面利用低串扰、有截止频率等新特性提升传统系统的性能,另一方面拓展人工表面等离子电路的应用空间。但现有人工表面等离激元传输线并不利于多层电路的集成:单条带型传输线在与微带线过渡阶段结构较为复杂,且损耗较大,不易于集成;而双条带型传输线虽便于与微带馈线相连,却由于尺寸原因不利于小型化或结构原因无法在多层同时传播。

人工智能

为解决这一难题,崔铁军教授及其课题组(第一作者为博士生潘柏操)在现有模型的基础上提出了新措施:利用支持人工表面等离子模式表面波的周期开槽金属条带和等宽的均匀金属条带组成新型传输线,实现了具有高通道隔离度的多层人工表面等离激元电路。周期开槽的金属条带保证了所传输信号的色散特性类似于表面等离激元,在高频段有一个显著的截止效应。同时,将与微带馈线金属背板层相连的金属条带由常用的周期开槽结构改为均匀金属条带,阻隔了信号在条带背面的近场泄露,为多层传输提供了可靠环境。由于人工表面等离激元的高束缚与低串扰特性,均匀金属条带无需像微带线金属背板一样覆盖大面积区域,只需要与周期开槽条带等宽便可保证高效传输。同层内相邻两传输线所需间距也有所减小,有利于提高集成度。对于多层电路,通过调整周期开槽条带开槽方向,可以有效调控多层电路,使各层通道间工作于耦合或隔离状态。当相邻两层传输通道开槽方向一致时,层间耦合增强,可实现功分或跃层传输等传输特性;当相邻两层传输通道开槽方向相反时,层间处于隔离状态,各通道独立工作,相互无显著影响。因此,各种基于人工等离子激元的功能器件可以同时设计于各层传输线上,以实现多层多功能集成器件。

该研究为复杂多层表面等离激元电路奠定了基础,将进一步推动人工表面等离激元系统的集成与发展。相关论文发表于Advanced Materials Technology(DOI: 10.1002/admt.201600159)。