高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线制造技术

本发明专利技术涉及一种纳米光电子设备，具体为高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线。高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线,其结构特征为：包括主体材料，所述的主体材料为四层结构，从上到下依次为第一硅层、金属层、第二硅层、二氧化硅层；所述的金属层中有二行锥形椭球孔阵列，所述的锥形椭球孔阵列由长方体和椭球体的差集而形成的。本发明专利技术提供的高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线，可以得到更高的增益和带宽，更低的旁瓣电平值。

【技术实现步骤摘要】
高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线
本专利技术涉及一种纳米光电子设备，具体为高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线。
技术介绍
随着纳米技术的发展，人们对天线尺寸小型化的要求不断提高，在光波波段，电磁波的波长已经小至纳米量级，在传统天线理论中，由于衍射极限的存在，无法把光波高效地耦合到纳米量级器件中，而光学天线的出现很好的解决了这一问题。光学天线可以突破衍射极限，实现在纳米尺度上增强光与物质的相互作用，操纵和控制光场。光学天线还可以有效地增强局域场强度，近年来，光学天线已经得到了很大的关注，其应用研究目前主要集中在光电探测、传感、热传导、太阳能电池、以及光谱分析等等领域。与射频天线和微波天线类似，纳米光学天线也可以把自由传播的能量转化为局域能量。然而，纳米光学天线不仅仅只是按尺寸比例减少的微波天线，其金属材料在光频的电磁响应物理机制与微波段的电磁响应物理机制有着极大的不同。尽管传统的射频和微波天线理论相当丰富，但是它们都是基于相对低频电磁响应物理机制，不能用来辐射和接收高频的光通信波段的电磁波。另外，由于高频光波渗入到金属表面会引起等离子波振荡，所以不能用传统天线理论来描述小尺度光频天线特性。基于等离子体理论和天线理论，许多研究者一直努力在尝试新方法来分析，探索、设计光学天线。然而，目前没有一种规范化理论来指导各种光学天线的设计。对于每一种结构的光学天线不得不独立优化。为了得到最好的效率，每一种天线内部损耗必须最小化，一个好的天线会产生一个低的非辐射损耗速率。此外，大部分设计的光学天线用来改变来自于点光源的光传播方向，或者限制来源于自由空间的光束，这类天线多用于光谱学和传感器。当设计天线为了光学无线通信时，许多不同的重要参数，如能量耗散、效率、方向性、增益和阻抗匹配需要考虑。为了解决这些问题，一些理论和实验工作取得了阶段性研究成果：QiSong等人研究了包含周期性扰动Si的介质波导所构成的光学漏波天线，得到了一个窄带光束辐射,方向性大约为17.5dB；2012年，L.Yousefi和他的合作者提出了一个新颖的贴片纳米光学天线，该天线的结构是通过匹配波阻抗和工作模式形成混合等离子激元波导，但它的增益只有5.64dB,带宽约为15THz。为了获得高的方向性，他们设计出一个混合型等离子激元漏波天线，该天线有15.2dBi的方向性。2015年，为了实现理想的旁瓣水平，基于锥形算法，他们提出了不同结构的混合型等离子激元漏波天线。该天线工作在标准光通信波长1550nm,其带宽为28THz，包括了用于光通信的S和C波段，有14.6dBi的高方向性，73％的远场辐射效率，有-19.4dB的低旁瓣电平。在本文中，为了得到更高的增益和带宽，更低的旁瓣电平值，基于硅-金属-硅-二氧化硅四层等离子波导结构，我们提出了金属层中三种不同椭球孔阵列结构的光学漏波天线，并比较探讨了它们的物理特性，如回波损耗，插入损耗，方向性，远场电场分布，增益和带宽，主半功率束宽。
技术实现思路
为了得到更高的增益和带宽，更低的旁瓣电平值，基于硅-金属-硅-二氧化硅四层等离子波导结构，本专利技术提出了一种二维对称锥形椭球孔阵列结构的光学漏波天线，并比较探讨了它们的物理特性，如回波损耗，插入损耗，方向性，远场电场分布，增益和带宽，主半功率束宽。提出的光学漏波天线结合了漏波天线的高方向性和混合等离子激元低损耗的特点，它有望具备如下优良的特性：比介质天线有更小的尺寸，比目前提出的等离子激元光学漏波天线有更宽的带宽和增益，比光学贴片天线有更高的增益。本专利技术通过如下技术方案实现：高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线,其结构特征为：包括主体材料，所述的主体材料为四层结构，从上到下依次为第一硅层、金属层、第二硅层、二氧化硅层；所述的金属层中有二行锥形椭球孔阵列，所述的锥形椭球孔阵列由长方体和椭球体的差集而形成的。所述的主体材料的两侧为天线两个端口，所述的端口处有填充物，所述的填充物为空气或者氮化硅。所述的锥形椭球孔阵列阵列分布中，每行包括九个椭球孔，所述的九个椭球孔的椭球体长轴从中间一个椭球孔往两边按照等差数列排列分布，椭球孔其它半轴的大小不变。本专利技术提供的高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线，可以得到更高的增益和带宽，更低的旁瓣电平值。附图说明图1为本专利技术整体结构示意图；图2为本专利技术主体部分的侧视图；图3为金属层结构的主视框架图；图4为金属层结构的俯视图；图5a天线端口填充不同物质时，二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线的回波损耗(S11)与工作频率的依赖关系；图5b天线端口填充不同物质时，二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线的插入损耗(S21)与工作频率的依赖关系；图6a当天线工作波长在1550nm，天线端口填充空气时的远场电场模；图6b当天线工作波长在1550nm，天线端口填充空气时的远场增益；图6c当天线工作波长在1550nm，天线端口填充空气时的直坐标方向图；图6d当天线工作波长在1550nm，天线端口填充氮化硅时的极坐标图；图7a当天线工作波长在1550nm，天线端口填充氮化硅时的远场电场模；图7b当天线工作波长在1550nm，天线端口填充氮化硅时的远场增益；图7c当天线工作波长在1550nm，天线端口填充氮化硅时的直坐标方向图；图7d当天线工作波长在1550nm，天线端口填充氮化硅时的极坐标图；具体实施方式以下结合附图对本
技术实现思路
做进一步说明：如图1-4所示高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线,其结构特征为：包括主体材料，所述的主体材料为四层结构，从上到下依次为第一硅层1、金属层2、第二硅层6、二氧化硅层3；所述的金属层2中有二行锥形椭球孔阵列5，所述的锥形椭球孔阵列5由长方体和椭球体的差集而形成的。所述的主体材料的两侧为天线两个端口，所述的端口处有填充物4，所述的填充物4为空气或者氮化硅。所述的锥形椭球孔阵列5阵列分布中，每行包括九个椭球孔，所述的九个椭球孔的椭球体长轴从中间一个椭球孔往两边按照等差数列排列分布，椭球孔其它半轴的大小不变。工作原理：图1-4给出了高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线，其空间几何结构是硅-金-硅-二氧化硅四层等离子波导结构，其中，金属层2中分布等间距且呈二维对称锥形的椭球孔。这里，椭球孔通过长方体和椭球体的差集而形成的。且它的结构参数取值如下：a1＝60nm,a2＝70nm,a3＝80nm，a4＝90nm,a5＝100nm；椭球孔的间距(结构周期)d＝100nm；椭球孔阵列长度L＝Nd,椭球孔个数N＝9。在这个波导结构中，四层材料的长度相同，均为L2，它等于900nm；底层二氧化硅层3为低折射率材料SiO2，其高度H1＝300nm，折射率nsio2＝1.45，；第一硅层1和第二硅层6为高折射率材料Si,nsi＝3.5，其高度分别定义为H2和H4，它们均为80nm；金属层2金夹在Si材料之间，其高度H3＝20nm。波导结构中两个端口的长度均为50nm。天线总长L1为1000nm，宽度W＝430nm，d1＝230nm。这里，天线的激励源设定为平面电磁波，其模式为TM模。它从左端口中入射到波导，并沿X轴方向传播,它的极化方向沿Y轴方向。其中，沿Y轴的电场分量保持不变本文档来自技高网...

【技术保护点】
高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线,其特征在于：包括主体材料，所述的主体材料为四层结构，从上到下依次为第一硅层(1)、金属层(2)、第二硅层(6)、二氧化硅层(3)；所述的金属层(2)中有二行锥形椭球孔阵列(5)，所述的锥形椭球孔阵列(5)由长方体和椭球体的差集而形成的。

【技术特征摘要】
1.高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线,其特征在于：包括主体材料，所述的主体材料为四层结构，从上到下依次为第一硅层(1)、金属层(2)、第二硅层(6)、二氧化硅层(3)；所述的金属层(2)中有二行锥形椭球孔阵列(5)，所述的锥形椭球孔阵列(5)由长方体和椭球体的差集而形成的。2.根据权利要求1所述的高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟东洲，刘程鹏，
申请(专利权)人：五邑大学，
类型：发明
国别省市：广东,44