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Onda superficial falsa hacia atrás en metamaterial plasmónico de estructura metálica ultrafina

Jun 22, 2024

Scientific Reports volumen 6, número de artículo: 20448 (2016) Citar este artículo

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Detalles de métricas

La onda inversa con fases antiparalelas y velocidades de grupo es una de las propiedades básicas asociadas con la refracción negativa y la imagen de subdifracción que han atraído un interés considerable en el contexto de los metamateriales fotónicos. Se ha predicho teóricamente que algunas estructuras plasmónicas también pueden soportar la propagación de ondas hacia atrás de los polaritones de plasmón de superficie (SPP); sin embargo, hasta donde sabemos, no se ha informado de una demostración experimental directa. En este artículo, se ha propuesto un metamaterial plasmónico especialmente diseñado de tira metálica corrugada que puede soportar la propagación de ondas SPP falsas hacia atrás. El análisis de dispersión, la simulación completa del campo electromagnético y la medición de la transmisión de la guía de ondas del metamaterial plasmónico han validado claramente la propagación de onda hacia atrás con una relación de dispersión que posee pendiente negativa y direcciones opuestas de velocidades de grupo y fase. Como verificación y aplicación adicional, se diseña y prueba un acoplador contradireccional que puede enrutar la señal de microondas a terminales opuestos en diferentes frecuencias operativas, lo que indica nuevas oportunidades de aplicación del metamaterial plasmónico en circuitos y dispositivos funcionales integrados para radiación de microondas y terahercios.

La onda electromagnética inversa (EM) generalmente se define como la onda que se propaga con direcciones opuestas de sus velocidades de fase y de grupo1. Ha atraído considerable atención en la última década en el contexto de los metamateriales, especialmente los metamateriales zurdos o doblemente negativos con permitividad y permeabilidad simultáneamente negativas2,3. La onda inversa es una de las propiedades peculiares importantes asociadas con los metamateriales que forma la base de la refracción negativa3 y subyace a otros fenómenos interesantes, como las lentes perfectas4,5 o las hiperlentes6,7 que tienen como objetivo lograr resoluciones ópticas que superen el límite de difracción con un potencial obvio. para imágenes ópticas y litografía. La onda inversa también ha quedado bien demostrada en la analogía del circuito de metamateriales zurdos: las líneas de transmisión zurdas8,9 y se ha utilizado en muchos componentes EM novedosos o conceptos de antena10.

Los polaritones de plasmón de superficie (SPP) son ondas EM de superficie que se propagan a lo largo de la interfaz dieléctrico-metal en frecuencias ópticas11,12. Debido a su fuerte confinamiento del campo a una escala inferior a la longitud de onda y la consiguiente mejora del campo en la interfaz dieléctrico-metal, los SPP podrían llevar a superar el límite de difracción13 y a circuitos ópticos integrados miniaturizados y dispositivos con escalas más pequeñas que la longitud de onda de la luz14,15,16. . Para la onda SPP en una interfaz dieléctrico-metal, la onda EM avanza dentro del dieléctrico pero retrocede dentro del metal y tiene una permitividad negativa17. Sin embargo, una gran fracción de la energía fluye en el dieléctrico, lo que hace que el comportamiento neto de la onda SPP sea una onda directa. Se han realizado muchos estudios teóricos para explorar la propagación de ondas hacia atrás de los SPP, que revelan que una guía de ondas de tres capas diseñada adecuadamente, ya sea una estructura de metal-aislante-metal (MIM) o una estructura aislante-metal-aislante (IMI), puede soportar la propagación de ondas hacia atrás de los SPP. modo de propagación hacia atrás o índice negativo18,22. Aunque se ha ilustrado experimentalmente una refracción negativa interesante en una guía de ondas MIM23, aún falta una demostración directa de la onda SPP hacia atrás en una guía de ondas plasmónica con fases antiparalelas claras y velocidades de grupo. Esto puede atribuirse a la fuerte naturaleza amortiguadora de los SPP, que conduce a una longitud de propagación de sólo unas pocas longitudes de onda en estas guías de ondas plasmónicas20,22.

Los SPP no se pueden escalar directamente a frecuencias más bajas porque el metal se comporta fundamentalmente como un conductor eléctrico perfecto por debajo de su frecuencia de plasma en el infrarrojo lejano. Para hacer uso del alto confinamiento del campo y la mejora en la escala de sublongitud de onda de la onda SPP, se han propuesto metamateriales plasmónicos que consisten en superficies metálicas texturizadas con corrugaciones u hoyuelos de escala de sublongitud de onda cuya frecuencia de plasmón superficial puede adaptarse mediante los parámetros geométricos de la onda SPP. estructuras24,25,26,27,28,29,30,31,32,33. Estos SPP denominados “falsos” o “de diseño” poseen relaciones de dispersión y propiedades de campo similares a los SPP ópticos, pero funcionan a frecuencias más bajas, hasta regímenes de microondas o terahercios. Recientemente, se ha propuesto una estructura más práctica, la tira metálica corrugada ultrafina, para propagar plasmones superficiales conformes (CSP) en superficies curvadas arbitrariamente34, lo que ha demostrado ser un candidato potencial para aplicaciones de circuitos y dispositivos SPP en frecuencias de microondas y terahercios35,36 ,37,38.

Los SPP falsos deberían admitir ondas invertidas, ya que heredan la mayoría de las características exóticas de su contraparte óptica. Un estudio teórico reciente muestra que se puede obtener una guía de onda de índice negativo de longitud de subonda profunda en dos guías de onda CSP estrechamente acopladas que imitan un sistema óptico MIM39. Sin embargo, hasta donde sabemos, aún no se ha informado de una demostración experimental clara de la propagación hacia atrás de ondas plasmónicas superficiales falsas con direcciones opuestas de fase y velocidades de grupo. En este trabajo, proponemos un nuevo diseño de metamaterial plasmónico para construir una guía de ondas CSP simétrica que imita un sistema IMI, que puede soportar la propagación de ondas hacia atrás con su modo de guía impar. Gracias a la baja pérdida y la gran longitud de propagación de la nueva guía de ondas SPP falsa, logramos la relación de dispersión del modo impar con una pendiente negativa tanto a partir de la simulación de onda completa como de la medición directa de la transmisión a través de la guía de ondas. Dichos resultados aseguran velocidades de fase y de grupo antiparalelas y la propagación de la onda hacia atrás puede verificarse claramente mediante la evolución de fase en la simulación. Para aplicar aún más la propagación de ondas hacia atrás, también diseñamos un acoplador contradireccional en la banda de microondas que puede enrutar la señal de entrada en direcciones opuestas con acoplamiento hacia adelante o hacia atrás en diferentes frecuencias. Las pruebas experimentales realizadas en el prototipo de acoplador fabricado han validado el principio de diseño basado en la propagación de ondas hacia atrás en la guía de ondas de metamaterial plasmónico. Creemos que estos resultados podrían contribuir al desarrollo de circuitos de superficie más complicados para microondas y ondas de terahercios.

La guía de ondas CSP tradicional está compuesta por una tira metálica ultrafina con ranuras periódicas corrugadas en un lado que podrían soportar una propagación de ondas superficiales bien confinada34. Imita la guía de ondas de los SPP ópticos en la interfaz entre el dieléctrico semiinfinito y el medio metálico. Sin embargo, para soportar la propagación hacia atrás, se deben considerar guías de ondas CSP simétricas o CSP de acoplamiento cercano que imitan una guía de ondas plana de tres capas IMI o MIM en el rango óptico, respectivamente. En dicha guía de ondas plana de tres capas, la relación de dispersión del modo guiado se descompone en dos ramas debido a la interacción de los SPP en las interfaces superior e inferior y la rama de mayor frecuencia (modo antisimétrico o modo impar) podría aparecer como una pendiente negativa que indica onda hacia atrás18,19,20,21,22.

Aquí nos centramos en el metamaterial plasmónico de estructura CSP simétrica que tiene las mismas ranuras corrugadas en ambos lados de la tira, como se muestra en la parte superior de la Fig. 1a. Las relaciones de dispersión del modo guía se calculan numéricamente y se muestran en la Fig. 1b. Las curvas de dispersión se dividen en una banda de frecuencia más baja y más alta, correspondiente a la combinación enlazante y antienlazante de las ondas SPP falsas en ambos lados de la tira. Sin embargo, tanto el modo par (rama de menor frecuencia) como el modo impar (rama de mayor frecuencia) tienen una pendiente positiva cualesquiera que sean los parámetros geométricos (el ancho del espacio o la altura) de las ranuras elegidos.

Estructura y relaciones de dispersión de las estructuras CSP.

(a) Geometría de las estructuras CSP simétricas tradicionales (arriba) y propuestas (abajo). (b) Curvas de dispersión para las diferentes estructuras CSP simétricas. La modificada (línea discontinua naranja) indica la curva de dispersión para el patrón CSP en el que se han eliminado cuatro pequeñas ranuras dentro de cada ranura cerca de la tira céntrica. Sólo se han trazado los modos fundamentales. La tira metálica se considera PEC con espesor insignificante y los parámetros geométricos se establecen como g = 0,67d, h = 1,6d, a = 0,1d, w = 3,4d, respectivamente.

Para la contraparte óptica, la guía de ondas plana de tres capas IMI, se ha descubierto que para obtener una onda invertida, el flujo de potencia dentro de la capa metálica debe ser mayor (en valor absoluto) que el del medio aislante exterior22. Simulamos la distribución del campo EM para el modo impar en la guía de ondas de la tira CSP simétrica y encontramos que la potencia EM está simplemente confinada en los dos bordes de la tira CSP como se muestra en las figuras 2a, b. La energía EM apenas puede penetrar en las ranuras de la tira metálica, lo que provoca una propagación de onda siempre hacia adelante en la guía de ondas CSP. Para acoplar la onda EM en las ranuras, modificamos el CSP simétrico tradicional agregando pequeñas ranuras metálicas en ambos lados de las ranuras, como se muestra en la parte inferior de la Fig. 1a. La estructura interdigital resultante dentro de cada ranura mejora aún más el acoplamiento capacitivo de los campos EM de ambos lados de la tira y el flujo de energía podría entonces penetrar en la región de la ranura. Esto se ilustra claramente en las distribuciones de campo y de vectores de Poynting que se muestran en las figuras 2a, b. A medida que aumenta la longitud (b) de las pequeñas ranuras de la estructura interdigital, el campo EM se intensifica cada vez más dentro de las ranuras y el flujo de potencia se concentra cada vez más en la región de la tira. El flujo de energía dentro de la región de la tira puede llegar a ser mayor que el de las dos regiones de borde. Como resultado, las relaciones de dispersión de la estructura de guía de ondas CSP modificada se mueven a una frecuencia más baja y después de cierto punto crítico la curva de dispersión del modo impar comienza a presentar una pendiente negativa en β grande. Esto significa que el modo de guía impar admitirá ondas hacia atrás con velocidades de fase y de grupo antiparalelas. El campo eléctrico transversal antisimétrico (Ex) y el único campo magnético (Hz) también se representan en la Fig. 2c, d respectivamente, lo que concuerda con el patrón de campo de un modo SPP falso de TM impar. Cabe señalar que la curva de dispersión de los SPP falsos para la rama de mayor frecuencia no comienza en el origen, ya que solo se tienen en cuenta los modos no radiativos.

Campo EM simulado y distribución de flujo de energía en una celda unitaria de la guía de ondas CSP simétrica (en βd/π = 0,5).

Las distribuciones de (a) la componente y del campo eléctrico, (b) el flujo de energía EM a lo largo de la dirección x, (c) la componente x del campo eléctrico y (d) la componente z del campo magnético para diferentes estructuras de ranura. Los parámetros de la ranura en (a) o (b) se establecen de izquierda a derecha como g = 0,67d y b = 0; g = 0,33d yb = 0; g = 0,67d y b = 0,17d; g = 0,67d y b = 0,34d; g = 0,67d y b = 0,51d; g = 0,67d y b = 0,51d con ranuras simplificadas; mientras que otros parámetros son los mismos que los de la Fig. 1b. La energía EM se alimenta de izquierda a derecha.

Por consideraciones prácticas, modificamos aún más el patrón CSP eliminando cuatro pequeñas ranuras dentro de cada ranura cerca de la tira centrada. La estructura simplificada no cambia mucho su característica de dispersión, pero experimentará menos pérdidas de propagación. Hemos agregado la curva de dispersión de la guía de ondas CSP simplificada en comparación con la de los patrones ideales en la Fig. 1b. El campo EM y las distribuciones de flujo de energía para la guía de ondas CSP simplificada también se comparan en la Fig. 2. Muestra que el patrón CSP simplificado tiene una curva de dispersión similar que admite ondas hacia atrás, así como patrones de campo similares en comparación con el patrón CSP ideal.

Para demostrar claramente la propagación hacia atrás en la guía de ondas CSP simétrica propuesta, calculamos la evolución de la onda EM a lo largo de una guía de ondas larga ideal. La Figura 3a demuestra la distribución transversal del campo eléctrico cerca de la superficie de la tira metálica. Se han obtenido patrones de campo transversal simétricos y antisimétricos correspondientes a los modos de guía par (izquierda de la Fig. 3a) e impar (derecha de la Fig. 3a) respectivamente y ambos tienen un campo estrechamente confinado concentrado en la región de la tira metálica que ilustra las características típicas. de modos SPP falsos con poca pérdida de dispersión. En la Fig. 3b, c, se muestran instantáneas de los patrones de campo que viajan a lo largo de la guía de ondas CSP en diferentes momentos. La velocidad del grupo está determinada por la propagación de energía EM que se alimenta desde el extremo izquierdo y fluye hacia el extremo derecho en la Fig. 3b, c. El frente de onda indicado por la línea discontinua negra muestra claramente que el campo eléctrico evoluciona hacia la derecha para el modo par de frecuencia más baja, pero inversamente hacia la izquierda para el modo impar de frecuencia más alta. Esta característica única indica que el modo par admite una onda directa, mientras que el modo impar admite una onda inversa con fases antiparalelas y velocidades de grupo. La película complementaria S1 o S2 para la propagación de ondas del modo de guía par o impar se puede encontrar en Información complementaria.

Distribución transversal del campo eléctrico (Ez) (a) y su evolución ((b, c)) a lo largo de la estructura CSP propuesta. Las partes izquierda o derecha de (a) corresponden al punto A o B como se marca en la Fig. 1b, lo que indica una propagación de onda hacia adelante o hacia atrás, respectivamente. (b) y (c) demuestran la evolución del campo de la onda hacia adelante y hacia atrás correspondiente a los puntos A y B como se marca en la Fig.1b. La línea discontinua negra denota el frente de fase en la evolución del campo y la flecha roja en (b) y (c) indica la dirección del flujo de potencia EM.

Para verificar la propagación de ondas hacia atrás en la estructura de metamaterial plasmónico propuesta, diseñamos una guía de ondas CSP simétrica práctica basada en el análisis anterior. La guía de ondas está compuesta por una tira de cobre ultrafina con la estructura propuesta previamente sobre un sustrato dieléctrico diseñado para funcionar en el rango de microondas. Se utiliza un patrón simplificado quitando cuatro pequeñas ranuras dentro de cada ranura cerca de la tira centrada como se muestra en la Fig. 4a. La Figura 4b muestra la relación de dispersión calculada (línea roja) a través del análisis del modo propio, que demuestra un modo par con dispersión normal y un modo impar con una curva de dispersión que posee pendiente negativa.

Estructura y propiedades de la guía de ondas CSP simétrica práctica propuesta.

(a) El esquema de la guía de ondas y la foto del prototipo fabricado. (b) Curvas de dispersión calculadas y medidas y el espectro de transmisión de la guía de ondas CSP. La tira de cobre de 0,018 mm de espesor con parámetros geométricos de d = 5 mm, g = 4 mm, h = 3,6 mm, w = 7,5 mm, a = 0,3 mm y b = 3 mm se imprime sobre el sustrato dieléctrico.

Para probar las características de propagación, se fabricaron varios prototipos de guías de ondas y el espectro de transmisión medido se presenta y se compara con las simulaciones de onda completa en la Fig. 4b. Aparecen dos bandas de paso en el espectro de transmisión con buena concordancia entre simulación y medición, lo que corresponde a los modos de guía par e impar. Aunque la transmisión es ligeramente baja (alrededor de -3 dB en simulación y -5 dB en medición para la segunda banda de paso), lo que puede atribuirse a la pérdida metálica y dieléctrica y a la coincidencia de impedancia no optimizada en los extremos de entrada y salida, los dos Las bandas de paso concuerdan exactamente con las curvas de dispersión calculadas. También podemos extraer el número de onda β de las mediciones de transmisión de las guías de ondas CSP con diferentes longitudes eliminando las contribuciones de los conectores y las transiciones de entrada y salida. Los datos extraídos para la segunda banda de paso correspondiente al modo de guía impar se muestran en la Fig. 4a (los círculos abiertos), que concuerdan con el cálculo del análisis del modo propio o con la simulación de onda completa. La curva de dispersión extraída indica claramente una pendiente negativa en toda la banda de paso, por lo que proporciona una verificación de la propagación de la onda hacia atrás en esta estructura práctica de metamaterial plasmónico.

La propagación de ondas EM hacia atrás es la base de muchos fenómenos extraordinarios, como la refracción negativa o la lente perfecta con resolución de subdifracción. La onda inversa en la línea de transmisión izquierda también se ha utilizado en el diseño de antenas y componentes de microondas novedosos. Como una validación adicional y una aplicación directa de la onda SPP falsa hacia atrás, presentamos el diseño y el rendimiento de un acoplador de ondas EM contradireccional.

La línea compuesta de microcinta derecha/izquierda que soporta la onda hacia atrás se aplicó con éxito en el diseño de un acoplador direccional hacia atrás en frecuencia de microondas40,41. Una idea similar también se extendió al dominio óptico en un trabajo teórico sobre un acoplador contradireccional a través de guías de ondas IMI SPP apiladas42. Aquí utilizamos la estructura de metamaterial plasmónico propuesta anteriormente para construir el acoplador contradireccional en la banda de frecuencia de microondas. El acoplador propuesto se compone de una tira de CSP simétrica recta con ranuras modificadas y una tira de CSP simétrica tradicional curvada con ranuras rectas ordinarias. Las dos guías de ondas de tira se colocan juntas con un pequeño espacio de acoplamiento en el medio formando un dispositivo de microondas de cuatro puertos, como se muestra en la Fig. 5a. Primero analizamos los modos SPP falsos de guía en las dos guías de ondas CSP para un diseño específico con los parámetros enumerados en el título de la figura. Las relaciones de dispersión calculadas se muestran en la Fig. 5b. La tira CSP tradicional solo admite el modo par fundamental por debajo de 9 GHz, mientras que la tira CSP modificada admite el modo par por debajo de 4,5 GHz pero el modo impar de 5,2 a 6,3 GHz. El modo impar es obviamente una onda hacia atrás ya que tiene una curva de dispersión con pendiente negativa.

El acoplador y las correspondientes curvas de dispersión.

(a) La fotografía del acoplador prototipo fabricado con conectores SMA montados en los cuatro terminales. (b) Relaciones de dispersión simuladas para las guías de ondas CSP tradicionales y modificadas. Los parámetros geométricos se establecen como d = 5 mm, g = 4 mm, h = 5 mm, w = 10,5 mm para la estructura CSP tradicional, mientras que d = 5 mm, g = 4 mm, h = 3,5 mm, w = 7,5 mm, a = 0,3 mm, b = 3 mm para la estructura CSP modificada, respectivamente. La separación entre las dos guías de ondas está optimizada en 0,6 mm.

Para estudiar el comportamiento del acoplamiento de ondas, hemos fabricado un dispositivo prototipo como se muestra en la Fig. 5a. La señal se alimenta desde el extremo izquierdo (Puerto 1) de la guía de ondas CSP tradicional y el comportamiento de acoplamiento se estudia midiendo los parámetros S entre la entrada y los otros tres puertos de salida. Según la teoría del modo acoplado, el acoplamiento entre dos guías de ondas adyacentes está determinado por las constantes de propagación de las dos guías de ondas43. Cuando las dos guías de ondas tienen valores iguales o similares de constante de propagación, la energía EM que se propaga en una guía de ondas puede acoplarse a la otra y la fuerza del acoplamiento también depende del espacio y la longitud de acoplamiento de las dos guías de ondas. Como se indica en la Fig. 5b, la propagación de ondas está dominada por el modo par en la guía de ondas CSP tradicional y se puede acoplar al modo par de la guía de ondas CSP modificada a una frecuencia inferior a 3,5 GHz, ya que las curvas de dispersión de los dos modos son cercanos entre sí. Tanto los modos pares en las tiras CSP tradicionales como las modificadas soportan la onda directa, por lo tanto, se puede acoplar una gran cantidad de energía del CSP tradicional a la guía de ondas CSP modificada, lo que da como resultado una salida al Puerto 3. Se observa que la curva de dispersión de el modo par en la guía de ondas CSP tradicional cruzará el modo impar en la guía de ondas CSP modificada, lo que dará lugar a un acoplamiento entre estos dos modos de guía en aproximadamente 6 GHz. Como el modo impar en la guía de ondas CSP modificada soporta la onda hacia atrás, podemos esperar que la energía EM acoplada desde la guía de ondas CSP tradicional se propague hacia atrás y dé como resultado una salida al Puerto 4. Estas propiedades han sido verificadas tanto por el modelo simulado como por el los parámetros S medidos que se muestran en la Fig. 6a, b. Se observa un claro acoplamiento de energía EM entre las guías de ondas CSP tradicionales y modificadas en la banda de frecuencia por debajo de 3,5 GHz o en la banda de frecuencia alrededor de 6 GHz. El acoplamiento en la banda inferior es causado por el acoplamiento directo entre los modos pares en ambas guías de ondas y produce un coeficiente de transmisión grande desde el puerto 1 al puerto 3 (S31). Mientras que el acoplamiento alrededor de 6 GHz se atribuye al acoplamiento hacia atrás entre el modo par en la guía de ondas CSP tradicional y el modo impar en la guía de ondas modificada y, por el contrario, produce un coeficiente de transmisión obvio desde el puerto 1 al puerto 4 (S41). La simulación y la medición concuerdan bien entre sí. También notamos que la fuerza del acoplamiento se puede cambiar alterando la longitud de la sección de acoplamiento o el espacio entre las dos tiras debido a la variación del campo espacial a lo largo de las guías de ondas.

Espectro de transmisión y distribuciones de campo eléctrico.

El espectro de transmisión simulado (a) y medido (b) del acoplador. Las distribuciones simuladas del campo eléctrico transversal (EZ) a lo largo del dispositivo a 2,8 GHz para el acoplamiento directo (c) y a 6,03 GHz para el acoplamiento inverso (d).

Para visualizar el acoplamiento hacia adelante y hacia atrás en las dos bandas, ilustramos las diferentes distribuciones transversales del campo eléctrico en la Fig. 6c, d. Cuando se opera en la banda inferior, la onda EM que se propaga en la guía de ondas CSP tradicional se acopla con la mayor parte de la energía a la guía de ondas CSP modificada cercana en la parte media y continúa propagándose hasta el Puerto 3. Sin embargo, en la banda superior la onda acoplada en la guía de ondas CSP modificada admite solo el modo impar de onda hacia atrás con un vector de Poynting antiparalelo al vector de onda, por lo que se propaga en sentido contrario al Puerto 4. El acoplador demostrado utiliza los modos de guía SPP falsos pares e impares que admiten el modo hacia adelante. y onda inversa y puede enrutar la señal de microondas a terminales opuestos en diferentes frecuencias operativas. Esta propiedad única puede ofrecer, por ejemplo, diseños alternativos de componentes y dispositivos en los sistemas de comunicación.

En resumen, hemos presentado una demostración clara de la propagación de ondas SPP falsas hacia atrás en un metamaterial plasmónico especialmente diseñado. Para imitar la estructura óptica de tres capas IMI que teóricamente se predijo que soportaría el modo de guía hacia atrás, modificamos una tira metálica corrugada simétrica integrando una estructura interdigital en cada ranura para mejorar y concentrar aún más el campo EM en la tira. La guía de ondas CSP resultante podría tener un modo de guía impar con una curva de dispersión con pendiente negativa. Hemos demostrado que un modo tan extraño podría respaldar la propagación hacia atrás tanto de la evolución del campo EM simulada como de la medición de la transmisión del prototipo de estructura de metamaterial plasmónico fabricado. Observamos que, hasta donde sabemos, no se ha informado sobre la demostración de la onda inversa que se propaga en el metamaterial plasmónico de una sola estructura metálica con un fuerte confinamiento de campo y baja pérdida de dispersión. Como validación adicional y aplicación directa de la propagación de ondas hacia atrás, se ha diseñado y probado un acoplador contradireccional de microondas que podría enrutar la señal de microondas a extremos opuestos mediante un acoplamiento hacia adelante o hacia atrás en diferentes frecuencias de operación. La onda inversa es fundamental para muchos fenómenos EM peculiares, como la refracción negativa o la subdifracción, por lo que nuestros hallazgos pueden conducir a muchas aplicaciones interesantes basadas en la propagación de ondas superficiales inversas en metamateriales plasmónicos. También creemos que la estructura plasmónica plana propuesta se puede extender fácilmente a un régimen de frecuencia más alto y puede ser muy prometedora para un mayor desarrollo de circuitos de superficie ultrafinos prácticos para radiación de microondas y terahercios.

El análisis del modo propio, el cálculo del espectro de transmisión y la distribución del campo EM de la guía de ondas SPP falsa propuesta se llevan a cabo con la ayuda de un software comercial, el CST Microwave Studio. En la simulación el sustrato usado en la Fig. 4, tiene una permitividad de 3.55, una tangente de pérdida de 0.0027 y un espesor de 0.813 mm, mientras que el sustrato usado en la Fig. 5, tiene una permitividad de 2.55, una tangente de pérdida de 0.0035 y un espesor de 0,5 mm. Todas las películas metálicas se consideran cobre con una conductividad de 5,8 × 107 S/m.

Los prototipos de la guía de ondas CSP y del acoplador contradireccional se fabrican mediante la técnica comercial de banda ancha de circuito impreso (PCB).

Para probar las características de propagación, se han fabricado varios prototipos de guías de ondas con tiras largas que incluyen diferentes números de celdas unitarias. Se sueldan dos conectores SMA estándar a los extremos de la tira (desplazados hacia el borde para estimular el modo impar antisimétrico más fácilmente) para acoplar la entrada y salida de la potencia de microondas, como se muestra en el recuadro de la Fig. 4a. El acoplador contradireccional fabricado se muestra en la Fig. 5a. Para mejorar la adaptación de impedancia, se emplea una sección de transición de guía de ondas coplanar (CPW) con una tierra ensanchada y un ancho de conductor central degradado para conectar entre el conector SMA y la tira CSP en los cuatro puertos. Cabe señalar que el CPW está conectado al borde de la tira CSP modificada para mejorar la coincidencia de impedancia para el modo impar antisimétrico. Tanto el espectro de transmisión de la guía de ondas como los parámetros S del dispositivo acoplador se han medido mediante un analizador vectorial de redes Agilent (N5244A).

Cómo citar este artículo: Liu, X. et al. Onda superficial falsa hacia atrás en metamaterial plasmónico de estructura metálica ultrafina. Ciencia. Rep. 6, 20448; doi: 10.1038/srep20448 (2016).

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ADS del artículo Google Scholar

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