本發(fā)明涉及一種納米光電子設(shè)備，具體為高增益和寬頻帶混合型等離子激元光學漏波陣列天線。

背景技術(shù)：

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，人們對天線尺寸小型化的要求不斷提高，在光波波段，電磁波的波長已經(jīng)小至納米量級，在傳統(tǒng)天線理論中，由于衍射極限的存在，無法把光波高效地耦合到納米量級器件中，而光學天線的出現(xiàn)很好的解決了這一問題。光學天線可以突破衍射極限，實現(xiàn)在納米尺度上增強光與物質(zhì)的相互作用，操縱和控制光場。光學天線還可以有效地增強局域場強度，近年來，光學天線已經(jīng)得到了很大的關(guān)注，其應(yīng)用研究目前主要集中在光電探測、傳感、熱傳導、太陽能電池、以及光譜分析等等領(lǐng)域。

與射頻天線和微波天線類似，納米光學天線也可以把自由傳播的能量轉(zhuǎn)化為局域能量。然而，納米光學天線不僅僅只是按尺寸比例減少的微波天線，其金屬材料在光頻的電磁響應(yīng)物理機制與微波段的電磁響應(yīng)物理機制有著極大的不同。盡管傳統(tǒng)的射頻和微波天線理論相當豐富，但是它們都是基于相對低頻電磁響應(yīng)物理機制，不能用來輻射和接收高頻的光通信波段的電磁波。另外，由于高頻光波滲入到金屬表面會引起等離子波振蕩，所以不能用傳統(tǒng)天線理論來描述小尺度光頻天線特性?；诘入x子體理論和天線理論，許多研究者一直努力在嘗試新方法來分析，探索、設(shè)計光學天線。然而，目前沒有一種規(guī)范化理論來指導各種光學天線的設(shè)計。對于每一種結(jié)構(gòu)的光學天線不得不獨立優(yōu)化。為了得到最好的效率，每一種天線內(nèi)部損耗必須最小化，一個好的天線會產(chǎn)生一個低的非輻射損耗速率。此外，大部分設(shè)計的光學天線用來改變來自于點光源的光傳播方向，或者限制來源于自由空間的光束，這類天線多用于光譜學和傳感器。當設(shè)計天線為了光學無線通信時，許多不同的重要參數(shù)，如能量耗散、效率、方向性、增益和阻抗匹配需要考慮。為了解決這些問題，一些理論和實驗工作取得了階段性研究成果：qisong等人研究了包含周期性擾動si的介質(zhì)波導所構(gòu)成的光學漏波天線，得到了一個窄帶光束輻射,方向性大約為17.5db；2012年，l.yousefi和他的合作者提出了一個新穎的貼片納米光學天線，該天線的結(jié)構(gòu)是通過匹配波阻抗和工作模式形成混合等離子激元波導，但它的增益只有5.64db,帶寬約為15thz。為了獲得高的方向性，他們設(shè)計出一個混合型等離子激元漏波天線，該天線有15.2dbi的方向性。2015年，為了實現(xiàn)理想的旁瓣水平，基于錐形算法，他們提出了不同結(jié)構(gòu)的混合型等離子激元漏波天線。該天線工作在標準光通信波長1550nm,其帶寬為28thz，包括了用于光通信的s和c波段，有14.6dbi的高方向性，73％的遠場輻射效率，有-19.4db的低旁瓣電平。在本文中，為了得到更高的增益和帶寬，更低的旁瓣電平值，基于硅-金屬-硅-二氧化硅四層等離子波導結(jié)構(gòu)，我們提出了金屬層中三種不同橢球孔陣列結(jié)構(gòu)的光學漏波天線，并比較探討了它們的物理特性，如回波損耗，插入損耗，方向性，遠場電場分布，增益和帶寬，主半功率束寬。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了得到更高的增益和帶寬，更低的旁瓣電平值，基于硅-金屬-硅-二氧化硅四層等離子波導結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了一種二維對稱錐形橢球孔陣列結(jié)構(gòu)的光學漏波天線，并比較探討了它們的物理特性，如回波損耗，插入損耗，方向性，遠場電場分布，增益和帶寬，主半功率束寬。提出的光學漏波天線結(jié)合了漏波天線的高方向性和混合等離子激元低損耗的特點，它有望具備如下優(yōu)良的特性：比介質(zhì)天線有更小的尺寸，比目前提出的等離子激元光學漏波天線有更寬的帶寬和增益，比光學貼片天線有更高的增益。

本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：

高增益和寬頻帶混合型等離子激元光學漏波陣列天線,其結(jié)構(gòu)特征為：包括主體材料，所述的主體材料為四層結(jié)構(gòu)，從上到下依次為第一硅層、金屬層、第二硅層、二氧化硅層；所述的金屬層中有二行錐形橢球孔陣列，所述的錐形橢球孔陣列由長方體和橢球體的差集而形成的。

所述的主體材料的兩側(cè)為天線兩個端口，所述的端口處有填充物，所述的填充物為空氣或者氮化硅。

所述的錐形橢球孔陣列陣列分布中，每行包括九個橢球孔，所述的九個橢球孔的橢球體長軸從中間一個橢球孔往兩邊按照等差數(shù)列排列分布，橢球孔其它半軸的大小不變。

本發(fā)明提供的高增益和寬頻帶混合型等離子激元光學漏波陣列天線，可以得到更高的增益和帶寬，更低的旁瓣電平值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明主體部分的側(cè)視圖；

圖3為金屬層結(jié)構(gòu)的主視框架圖；

圖4為金屬層結(jié)構(gòu)的俯視圖；

圖5a天線端口填充不同物質(zhì)時，二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線的回波損耗(s11)與工作頻率的依賴關(guān)系；

圖5b天線端口填充不同物質(zhì)時，二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線的插入損耗(s21)與工作頻率的依賴關(guān)系；

圖6a當天線工作波長在1550nm，天線端口填充空氣時的遠場電場模；

圖6b當天線工作波長在1550nm，天線端口填充空氣時的遠場增益；

圖6c當天線工作波長在1550nm，天線端口填充空氣時的直坐標方向圖；

圖6d當天線工作波長在1550nm，天線端口填充氮化硅時的極坐標圖；

圖7a當天線工作波長在1550nm，天線端口填充氮化硅時的遠場電場模；

圖7b當天線工作波長在1550nm，天線端口填充氮化硅時的遠場增益；

圖7c當天線工作波長在1550nm，天線端口填充氮化硅時的直坐標方向圖；

圖7d當天線工作波長在1550nm，天線端口填充氮化硅時的極坐標圖；

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容做進一步說明：

如圖1-4所示高增益和寬頻帶混合型等離子激元光學漏波陣列天線,其結(jié)構(gòu)特征為：包括主體材料，所述的主體材料為四層結(jié)構(gòu)，從上到下依次為第一硅層1、金屬層2、第二硅層6、二氧化硅層3；所述的金屬層2中有二行錐形橢球孔陣列5，所述的錐形橢球孔陣列5由長方體和橢球體的差集而形成的。

所述的主體材料的兩側(cè)為天線兩個端口，所述的端口處有填充物4，所述的填充物4為空氣或者氮化硅。

所述的錐形橢球孔陣列5陣列分布中，每行包括九個橢球孔，所述的九個橢球孔的橢球體長軸從中間一個橢球孔往兩邊按照等差數(shù)列排列分布，橢球孔其它半軸的大小不變。

工作原理：

圖1-4給出了高增益和寬頻帶混合型等離子激元光學漏波陣列天線，其空間幾何結(jié)構(gòu)是硅-金-硅-二氧化硅四層等離子波導結(jié)構(gòu)，其中，金屬層2中分布等間距且呈二維對稱錐形的橢球孔。這里，橢球孔通過長方體和橢球體的差集而形成的。且它的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值如下：a1＝60nm,a2＝70nm,a3＝80nm，a4＝90nm,a5＝100nm；橢球孔的間距(結(jié)構(gòu)周期)d＝100nm；橢球孔陣列長度l＝nd,橢球孔個數(shù)n＝9。在這個波導結(jié)構(gòu)中，四層材料的長度相同，均為l2，它等于900nm；底層二氧化硅層3為低折射率材料sio2，其高度h1＝300nm，折射率nsio2＝1.45，；第一硅層1和第二硅層6為高折射率材料si,nsi＝3.5，其高度分別定義為h2和h4，它們均為80nm；金屬層2金夾在si材料之間，其高度h3＝20nm。波導結(jié)構(gòu)中兩個端口的長度均為50nm。天線總長l1為1000nm，寬度w＝430nm，d1＝230nm。

這里，天線的激勵源設(shè)定為平面電磁波，其模式為tm模。它從左端口中入射到波導，并沿x軸方向傳播,它的極化方向沿y軸方向。其中，沿y軸的電場分量保持不變，導向電場的x分量滿足周期性特性d是周期性的周期，kx，o＝βx，o+iα是沿傳播方向的波數(shù)，βx，0是無周期性擾動時的相位常數(shù)，α是衰減常數(shù)，在引入周期性擾動前，初始波導模式中的傳播常數(shù)非常接近βx，0，波導中的原來的衰減常數(shù)可能比α要少，因為在沒有引入周期性擾動前，衰減常數(shù)僅僅只與材料損耗和一些散射有關(guān)，相反，引入周期性擾動后，由于輻射的存在，α的值有顯著增大。根據(jù)傅里葉級數(shù)展開，沿周期性結(jié)構(gòu)任何位置的電場都可以表示為一個無限floquet空間諧波的疊加：

這里，kx，m是floquet波數(shù)，m是floquet空間諧波的階數(shù)，em(z)是第m階諧波的權(quán)系數(shù)。由kx，o＝βx，o+iα，可得kx，m＝βx，m+iα，其中是第m階floquet空間諧波的傳播常數(shù)。周期性橫向橢球形小孔可以產(chǎn)生許多的floquet模式。并且結(jié)構(gòu)周期d可以控制這個模式。在這些模式中，與真空中的波數(shù)相比，小波數(shù)模式是泄漏模式并且可以產(chǎn)生輻射光束，

-k0＜βx，m＜k0，(2)

其中，k0是真空中的波數(shù)，只有當m＝-1時，周期性擾動才可以產(chǎn)生輻射束。由(1)式可知，當m＝-1時，沿x軸方向的電場可以表示為：

這里，l是周期性橢球形小孔的總長度，e-1是m＝-1諧波電場的振幅。由于天線的設(shè)計是基于條件(2)中m＝-1的空間floquet諧波。因此，僅僅這個模式才可以產(chǎn)生輻射光束，其它m階floquet模是消逝波。此外，與傳播模波數(shù)相關(guān)的主要光束輻射角為

因此，當βx，-1＜＜k0時，天線在寬邊輻射，例如，當輻射方向角時，光束輻射方向與波導正交。光學漏波天線的遠場輻射模式可以通過對方程(3)積分得到，

特別注意的是，考慮波導結(jié)構(gòu)中周期性擾動作為相同散射體陣列。這里，散射體來自由方向圖相乘決定的遠場模。例如，這個方向圖是由單個陣元的歸一化方向圖與歸一化陣因子相乘的結(jié)果。由于單個擾動陣元的模式是準各向同性，因此陣因子對角度的選擇性很強。作為一個方向性天線，總遠場輻射方向圖可由近似取代。它的表達式

這里，l＝nd。

天線輻射功率集中于主瓣的程度常常用旁瓣電平來衡量，它被定義為旁瓣方向圖峰值與主瓣方向圖峰值的比值，簡寫為sll。其表達為：

在(7)式中，|f(max)|是方向圖幅度的最大值，|f(sll)|是最高旁瓣幅度的最大值。

我們計算了當天線端口填充不同的物質(zhì)時，二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線的回波損耗和插入損耗與工作頻率的依賴關(guān)系，如圖5所示。從圖5(a)可以看見，在工作頻率170thz-250thz范圍內(nèi)，填充物為空氣時的s11值小于填充物為氮化硅的s11值。例如，當工作波長在1550nm時，前者的s11值為-26.5db,而后者的s11為-17.4db。這也說明前者阻抗匹配性優(yōu)于后者的阻抗匹配性。此外，從圖5(b)可以得知，在整個波長范圍內(nèi)，上述兩種填充物的二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線的s21值都小于-10db。特別注意的是，當工作頻率介于182thz-237thz之間時，填充物為空氣時的s21值小于填充物為氮化硅的s21值。

圖6和圖7進一步給出了二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線的其它特性，如遠場電場模、遠場增益、方向圖。從圖6(a)和圖7(a)中可知，當二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線兩端口分別填充空氣和氮化硅時，其遠場電場模分別為170db和168db。對于填充物為空氣的天線，其遠場增益(152dbi)略大于填充物為氮化硅時遠場增益(151dbi)(見圖6(b)和圖7(b))。如圖6(c)、圖6(d)、圖7(c)、圖7(d)所示，上述兩種填充物的二維對稱錐形橢球孔陣列光學漏波天線都沒有旁瓣電平，他們的能量輻射的方向性很好。但是，填充物為空氣的天線主半功率束寬(118°)大于填充物為氮化硅的天線主半功率束寬(93°)。