一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导及计算方法

摘要

本发明提出了一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导及计算方法，主要由介质基板、人工SPP结构和变容管构成，通过调控单元结构的色散曲线，实现在相位匹配条件下的信号波的放大。本发明通过在人工SPP波导中引入变容二极管，使其波导不仅具有电场增强的特性也具有非线性的特性，再通过调节加载在变容管上的电压，可重构的参量放大被实现。

说明书

技术领域

本发明涉及人工SPP波导技术领域，尤其是一种一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导及计算方法。

背景技术

随着通信技术的发展，集成电路和芯片间的通信需要超快速，超紧凑的互连线。人工表面等离极化激元(SPPs)传输线提供了实现该目标的有效途径。由于人工SPPs的场增强作用，其传输线结构被研究，并且和传统的微带线相比，它具有低弯折损耗、抗干扰、低串扰和小型化等优势。为了更进一步发展人工SPP在通信中的应用技术，信号波在集成电路平台中的放大是必要的。但是如果直接把基于MOS管的放大器集成到人工SPP互连线上，将会导致SPP信号波的相位失真，并且还限制了SPP波的运行速度。为了解决SPP信号波放大的相位失真问题，我们将参量放大的概念引入到非线性人工SPP结构中。

发明内容

技术问题：为实现动态可调的人工SPP信号波的放大现象，本发明提供一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导及计算方法，在人工SPP波导中加载变容二极管，通过改变变容管上的电压，获得泵浦波，信号波和闲频波三者之间的相位匹配，进而实现多频信号波参量放大。

技术方案：本发明的一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导，包括介质基板、位于介质基板表面的人工SPP传输线、金属线、以及连接在人工SPP传输线和金属线之间的变容二极管；

人工SPP传输线为梳齿状金属结构，包括梳齿与梳齿连接线，梳齿位于梳齿连接线的同一侧，且与梳齿连接线垂直连接，所述金属线位于梳齿连接线的另一侧，与相邻梳齿之间的间隔相对应设置，金属线与梳齿连接线之间存在缝隙，金属线的一端通过变容二极管与梳齿连接线连接，金属线金属化过孔接地。

进一步的，改变加载在金属线和梳齿连接线之间的电容值可以得到泵浦波，信号波，和闲频波之间的相位匹配关系，即f

一种多频信号波参量放大的计算方法，所述计算方法基于本发明的非线性人工SPP波导，通过改变加载在金属线和梳齿连接线之间的电容值，使得泵浦波、信号波、和闲频波对应的相位常数相匹配，激发多频信号波的放大，其放大增益G与非线性长度L和泵浦强度I

其中，a和c为不同的衰减系数,b＝k×I

有益效果：与现有技术相比，本发明的优势：

1.本发明仅通过在人工SPP波导加载有源器件即可实现参量放大的产生，操作简单，节省空间，便于小型化。

2.本发明通过调节有源器件的电容值进而改变人工SPP波导的色散特性，实现在泵浦波频率不变的情况下多个的信号波与其相位匹配，进而实现可重构的参量放大器。

3.本发明解决了人工SPP信号波放大的相位失真问题。

4.本发明解决了在同一人工SPP波导情况下，通过调节变容二极管上的偏压可实现可重构的参量放大产生，可较好地应用于集成电路，通信系统和非线性SPP系统。

附图说明

图1是非线性人工SPP波导的局部放大示意图及其色散曲线图，

图1(a)是加载变容管的局部放大示意图；

图1(b)和图1(c)是不同电容值对应的色散曲线；

图2是非线性人工SPP波导在不同非线性长度下的所产生的信号波放大增益图；

图2(a)是不同信号波功率下信号波的放大增益图

图2(b)是不同泵浦波功率下信号波的放大增益图；

图2(c)是在泵浦波功率25dBm和22dBm下信号波随着非线性长度变化的放大增益图；

图2(d)是不同泵浦波功率20dBm和15dBm下信号波的放大增益；

图3是在不同偏压下，相位匹配时信号波的放大增益；

图4是本发明非线性人工SPP波导结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明利用人工SPPs的场增强作用，并把引入的变容二极管作为非线性器件,进而通过调节加载在变容二极管的偏压，实现可重构的信号波的参量放大现象。

本发明的非线性人工SPP波导如图4和图1(a)所示。一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导，包括介质基板、位于介质基板表面的人工SPP传输线、金属线、以及连接在人工SPP传输线和金属线之间的变容二极管。

人工SPP传输线为梳齿状金属结构，包括梳齿与梳齿连接线，梳齿位于梳齿连接线的同一侧，且与梳齿连接线垂直连接，所述金属线位于梳齿连接线的另一侧，与相邻梳齿之间的间隔相对应，金属线与梳齿连接线之间存在缝隙，金属线的一端通过变容二极管与梳齿连接线连接，金属线金属化过孔接地。

如图1a所示，在人工SPP传输线和金属线参数不变的情况下，人工SPP波导的色散特性由变容二极管的电容值决定，因此，可以实现多频信号波的参量放大，如图1a所示。

通过对SPP结构的设计，改变加载在金属线和梳齿连接线之间的电容值可以得到泵浦波，信号波，和闲频波之间的相位匹配关系，即f

本实施方式中采用，人工SPP传输线的参数分别为p＝4mm,a＝2mm,w＝1.5mm，梳齿连接线与金属线之间的缝隙s＝0.3mm,金属线的长度b＝4.95mm,金属过孔距离金属线一端的距离d＝0.5mm,介质基板Rogers 4003C的介电常数为3.55，厚度为0.508mm，损耗正切角为0.0027。用商业软件CST进行本征模仿真可得其色散曲线如图1(b)和图1(c)所示，通过改变变容二极管的电容值，可以实现可重构的相位匹配关系。当变容二极管的电容值c＝0.7pF，相位匹配条件为k

如图2所示，基于人工SPP的场增强特性和引入的非线性变容管器件，通过调节加载在变容二极管上的电压，在泵浦波，信号波，和闲频波下对应的相位常数满足相位匹配的情况下，本发明一种多频信号波参量放大的非线性人工SPP波导可以激发多频的信号波的放大，其放大增益G与非线性长度L和泵浦强度I

其中，a和c为不同的衰减系数,b＝k×I

如图2(a)，在信号功率相对较小时，其放大增益随着输入信号波功率的变化是一个定值。如图2(b)，随着泵浦功率的增加，信号增益逐渐增大。但是，当非线性长度达到一定值时，信号增益将不再呈现上升趋势，而是逐渐由最高点开始下降，如图2(c)和图2(d)。

如图3所示，当改变加载在人工SPP波导上的变容管上的偏压时，可以实现可重构的信号波的参量放大。