一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线制造技术

本发明专利技术提供一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，属于天线技术领域，包括喇叭形结构的天线(1)及由包覆层(2)包覆表面的波导(3)，其中波导(3)的一端连接天线(1)；利用波导(3)对天线(1)馈光，将波导模过渡到自由空间模，及由天线(1)将波导(3)中的光辐射到自由空间中。所述天线(1)进行主瓣垂直辐射。所述波导(3)由硅和二氧化硅材料构成。本发明专利技术有效地减小了目前激光相控阵中天线单元的尺寸，提高天线单元的辐射特性，在空间激光通信和激光雷达领域中具有重要应用。

【技术实现步骤摘要】
一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线
本专利技术属于天线
，涉及一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线。
技术介绍
硅基激光相控阵体积小，重量轻，响应速度快，扫描范围大，与CMOS工艺相兼容，可以实现大规模集成和量产。光天线单元是激光相控阵的关键组成部分，其尺寸和辐射特性直接影响着激光相控阵的规模和辐射特性。申请号为CN201410553995.4的“可调谐的纳米天线及其制备方法”涉及一种蝴蝶结型纳米天线，没有喇叭形纳米天线。申请号：CN201620134999.3的“一种宽带纳米天线”公开了一种阿基米德螺旋纳米天线，不涉及喇叭形纳米天线。申请号为US008698096B2的“一种光学相控阵发射装置”公开了一种由纳米线和纳米球等构成的纳米天线，不涉及喇叭形纳米天线。非专利文献“双蝶形金属纳米光天线的远场特性研究，”(激光与光电子学进展，Vol.52，2015，021601)提出了一种双蝶形银纳米光天线，并基于时域有限差分的方法研究了天线不同结构与尺寸的变化对远场方向性产生的影响，不涉及喇叭形介质光纳米天线。非专利文献“波导馈光的光混合等离子体激元贴片纳米天线，”(OpticsExpress，Vol.20，no.16，2012，pp18326-18335)提出了一种在1550nm的标准电信波长下工作新型光学混合等离子体激元贴片纳米天线，天线由金属和介质构成，不涉及喇叭形介质光纳米天线。非专利文献“基于模式选择片上纳米天线的高比特率超紧凑光路由，”(ScienceAdvances，Vol.3，no.7，2017，pp1-7)公开了一种集成在硅波导上的具有偏振选择性和模式选择性的纳米天线，由硅波导和矩形的金属块构成，不涉及喇叭形介质光纳米天线。目前，在国内外的报道中，未见具有喇叭形结构的小型化高效率的介质光纳米天线单元。
技术实现思路
专利技术所要解决的课题是，如何设计具有喇叭形结构的小型化高效率的介质光纳米天线单元，以提高辐射效率的问题。用于解决课题的技术手段是，本专利技术提出小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，将硅基激光相控阵天线单元间距从几倍波长降低到亚波长，消除了天线方向图中的双向辐射，主瓣由倾斜辐射变为垂直辐射，辐射效率提高到82.7％。一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，包括喇叭形结构的天线及由包覆层包覆表面的波导，其中波导的一端连接天线；利用波导对天线馈光，将波导模过渡到自由空间模，及由天线将波导中的光辐射到自由空间中。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述天线进行主瓣垂直辐射。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述波导由硅和二氧化硅材料构成。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述波导采用矩形。专利技术效果为：本专利技术的小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，与现有技术相比的优点在于：1、天线单元为喇叭形结构，具有亚波长的尺寸。2、天线单元由硅和二氧化硅材料构成，材料造成的吸收损耗非常低，实现了82.7％的辐射效率。3、天线单元主瓣垂直辐射，没有产生双向辐射。4、由硅波导从底部馈光，可以实现亚波长的单元间距，进而构建可大规模扩展的紧凑的激光相控阵，实现宽范围无栅瓣扫描。本专利技术的小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，将有效地减小目前激光相控阵中天线单元的尺寸，提高天线单元的辐射特性，在空间激光通信和激光雷达领域中将具有重要应用。附图说明图1为本专利技术的天线三维结构图；图2为本专利技术1550nm处天线(a)x-o-y面和(b)x-o-z面电场矢量分布；图3为本专利技术天线的三维辐射方向图；图4为本专利技术天线在x方向上的长度L从0.7μm～1.0μm取值时，天线的二维辐射方向图，其中，图4(a)为天线在面的二维辐射方向图，图4(b)为天线在面的二维辐射方向图。具体实施方式以下，基于附图针对本专利技术进行详细地说明。如图1所示，本专利技术设计一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，包括喇叭形结构的天线1、包覆层2和波导3，其中包覆层2包覆波导3的表面，所述波导3的一端连接天线1。其中，天线1为喇叭形结构，具有亚波长的尺寸。优选地，波导3由硅和二氧化硅材料构成，材料造成的吸收损耗非常低，实现了82.7％的辐射效率。且优选采用矩形波导。本专利技术所描述的小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线的工作原理为：利用硅波导对天线馈光，通过将矩形波导的两壁扩展，将波导模过渡到自由空间模，再对天线进行小型化设计，减小尺寸，提高效率，利用亚波长尺寸的天线将波导中的光有效地辐射到自由空间中。由硅波导从底部馈光，可以实现亚波长的单元间距，天线单元主瓣垂直辐射，没有产生双向辐射，进而构建可大规模扩展的紧凑的激光相控阵，实现宽范围无栅瓣扫描。本实施例给出的仿真数据如下：图2是本专利技术天线工作在1550nm处在x-o-y面和x-o-z面的电场矢量分布，在x轴方向，天线两侧的电场相位相差约180°，因此在天线上方的电场矢量叠加达到最强。图3是本专利技术1550nm处天线的二维辐射方向图，在沿x轴方向(面)，天线尺寸较大，波束较窄；在沿y轴方向(面)，天线尺寸较小，波束较宽。天线的主瓣垂直辐射为沿z轴正向，没有产生双向辐射。通过以上天线具有亚波长的尺寸，天线在x-o-y面上的投影尺寸为0.82μm×0.28μm，可使得天线具有良好的辐射特性。图4是本专利技术天线在x方向上的长度L从0.7μm～1.0μm取值时，天线在面(参见图4(a))和面(参见图4(b))的二维辐射方向图。从图中可以看出，天线长度L对天线的辐射特性具有重要影响。在L＝0.82μm时天线具有较好的匹配特性和辐射特性，3dB波束宽度为46.0°×53.8°，主瓣增益达到最大值6.1dB，后瓣增益为0.7dB。与主瓣相比，后瓣相对较小，一般认为这是单向辐射，天线的辐射效率达到82.7％，没有产生双向辐射，主瓣垂直辐射。综上，本专利技术小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线将有效地减小目前激光相控阵中天线单元的尺寸，提高天线单元的辐射特性，在空间激光通信和激光雷达领域中将具有重要应用。需要说明的是，以上说明仅是本专利技术的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本专利技术技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本专利技术的保护范围内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，其特征在于，包括喇叭形结构的天线(1)及由包覆层(2)包覆表面的波导(3)，其中波导(3)的一端连接天线(1)；利用波导(3)对天线(1)馈光，将波导模过渡到自由空间模，及由天线(1)将波导(3)中的光辐射到自由空间中。

【技术特征摘要】
1.一种小型化高效率的喇叭形介质光纳米天线，其特征在于，包括喇叭形结构的天线(1)及由包覆层(2)包覆表面的波导(3)，其中波导(3)的一端连接天线(1)；利用波导(3)对天线(1)馈光，将波导模过渡到自由空间模，及由天线(1)将波导(3)中的光辐射到自由空间中。2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：董涛，徐月，
申请(专利权)人：航天恒星科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11