纳米双蝶形天线阵列结构制造技术

本专利提出一种增强涡旋光束定向传输能力的纳米双蝶形天线阵列。涡旋光束由海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场生成，经片上纳米双蝶形天线阵列得到定向辐射增强。每组双蝶形天线由四个相同的三角天线元构成，一共N组(且N为正整数)，各组双蝶形天线绕圆心等角度旋转排布构成圆形阵列。纳米双蝶形天线阵列通过优化透射光场z方向分量的强度占比，增加海豚形元胞圆阵列超表面透射场能量强度，改善了涡旋光束的通信能力。本结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束的强度占比，这对于涡旋光束的通信有重要意义。本发明专利技术结构简单，促进光学器件的微型化和集成化，提高光通信的稳定度、灵敏度，对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。

Structure of nano-double butterfly antenna array

This patent proposes a nano-double butterfly antenna array to enhance the directional transmission ability of vortex beams. Vortex beams are generated by the local composite polarized light field generated on the super surface of dolphin-shaped cell arrays. Directional radiation is enhanced by on-chip nano-double butterfly antenna arrays. Each group of double-butterfly antennas consists of four identical triangular antenna elements, a total of N groups (and N is a positive integer), and each group of double-butterfly antennas rotates around the center of the circle at equal angles to form a circular array. By optimizing the intensity ratio of the z-direction component of the transmitted light field, the nano-double butterfly antenna array can increase the energy intensity of the super-surface transmission field of the dolphin-shaped cellular array and improve the communication ability of the vortex beam. The structure has good directional field enhancement and radiation effect, and can significantly enhance the intensity ratio of the vortex beam, which is of great significance for the communication of the vortex beam. The invention has simple structure, promotes the miniaturization and integration of optical devices, improves the stability and sensitivity of optical communication, and has important application value in broadband optical communication, optical imaging, nano-manipulation and other fields.

【技术实现步骤摘要】
纳米双蝶形天线阵列结构
本专利技术属于纳米天线领域，涉及光场偏振调制、纳米操纵、表面等离子体激发，提出了一种增强涡旋光束定向传输能力的纳米双蝶形天线阵列。涡旋光束由海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场生成，经片上纳米双蝶形天线阵列得到定向辐射增强。
技术介绍
目前，有许多种类的亚波长尺度的光学器件用于调控光场的自旋角动量与轨道角动量。近年来，利用轨道角动量提高信息承载能力的应用被广泛关注，而对于如何提高含轨道角动量(OAM)光束的传播效率逐渐称为研究热点之一。2011年，OAM波束实现由光纤耦合器的产生，其模式纯度可达96.4％以上。但是由于光纤耦合器的波导色散差，使得高阶OAM模对波长的变化敏感，从而导致模式的不稳定。而传统的OAM波束产生方法，如螺旋相位板法、计算全息法，由于外加调制光路，导致OAM波衰严重。光学器件的微型化与集成化是当前光学领域研究的重要课题，然而传统光学器件却存在体型较大、难以集成等缺陷。2016年，在银膜上刻环形孔的结构的提出，使器件可以在实现高集成度的同时抑制相位噪声。但是其并未提高单一方向波束强度。本专利技术通过一组纳米双蝶形天线阵列，提高了OAM波束中Ez强度的占比，提升了OAM的检测性能。由于纳米天线阵列微型、轻便，这有利于尽可能地缩小器件的尺寸。
技术实现思路
本专利技术提供了一种增强涡旋光束Ez的强度占总光场E强度比例的双蝶形天线阵列。该天线阵列由N组的双蝶形天线单元组成，每个天线单元由两组垂直的蝶形天线元组成。每组蝶形天线由两个三角偶极子天线元组成。三角天线偶极子长度L＝60nm，底边长d＝10nm，高度h＝30nm，蝶形天线缝隙L0＝10nm。N组天线距离结构轴心的距离为R，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝360°/N。所述的天线阵列结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束Ez的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。本专利技术的优点和积极效果：海豚形金属元胞将入射光能量束缚到结构表面，将入射的线偏振光转化为螺旋相位光束后，产生局域复合偏振光场透过所述的定向片上纳米双蝶形天线阵列，该纳米双蝶形天线阵列使得透射光场z方向分量Ez的强度占总光场E强度的比例在相同传播距离下相比于未使用所述纳米双蝶形天线阵列的超表面显著增强。同时，所述天线对原超表面产生的居于复合型光场的相位螺旋效果没有明显的影响。该结构具有良好的定向场增强、辐射的作用，能够显著增强涡旋光束Ez的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。该纳米双蝶形天线结构具有方向性良好、增益高、制造简单、方便集成集总组件在结构表面的优点。本专利技术提高光通信的稳定度、灵敏度，对宽带光通信、光学成像、纳米操控等领域有重要的应用价值。附图说明图1是纳米天线阵列的结构图。其中：(a)是其中一组双蝶形天线结构及其对应海豚形元胞的主视图，主视图双蝶形天线阵列平面构成xoy平面，如图(c)所示，以双蝶形天线阵列垂直于三角偶极子元的方向为z轴。(c)是放置于海豚形元胞圆阵列超表面上的纳米双蝶形天线阵列的俯视图。图2是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处的透射场的强度与使用纳米天线阵列结构时超表面后方不同距离处的透射场的强度对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的强度分布示意图；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的强度分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的强度分布示意图；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的强度分布示意图。图3是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度|E|2的比例与使用纳米双蝶形天线阵列后超表面后方不同距离处光场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度|E|2的比例在相同距离下的对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度的比例；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度的比例；(c)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度|E|2的比例；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度的比例；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度|E|2的比例；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场z分量Ez的光场强度|Ez|2占总光场强度的比例。图4是沿z方向传播、偏振方向为x方向的线偏振光入射海豚形元胞圆阵列超表面时，超表面后方不同距离处光场Ez分量的相位分布与使用纳米双蝶形天线阵列后超表面后方不同距离处光场Ez分量的相位分布在相同距离下的对比示意图(以N＝8为例)。其中：(a)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的Ez分量相位分布示意图；(b)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝1000nm处的透射场的Ez分量相位分布示意图；(c)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的Ez分量相位分布示意图；(d)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝2000nm处的透射场的Ez分量相位分布示意图；(e)是海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的Ez分量相位分布示意图；(f)是使用纳米双蝶形天线阵列后海豚形元胞圆阵列超表面后方D＝3000nm处的透射场的Ez分量相位分布示意图。具体实施方式实施例1如图1(a)所示，本专利技术提供的片上定向纳米双蝶形天线阵列基本单元为三角偶极子天线元，两个对称的三角天线元构成一组蝶形天线，两组正交的蝶形天线构成双蝶形天线元。每组蝶形天线由两个三角偶极子天线元组成。三角天线偶极子长度L＝60nm，底边长d＝10nm，高度h＝30nm，蝶形天线缝隙L0＝10nm。N组天线距离结构轴心的距离为R，相邻两组天线关于轴心的夹角α＝360°/N。天线阵列应放置在海豚形元胞圆阵列超表面上方d0处。本专利技术纳米双蝶形天线的制作可采用对向靶直流磁控溅射和聚焦离子束刻蚀技术来实现。其具体步骤如下：(1)利用对向靶直流磁控溅射方法在石英等玻璃衬底上或硅等半导体衬底上溅射金、银、铝、铜等纳金属膜；(2)利用聚焦离子束刻蚀技术或电子束直写技术在纳金属膜上刻蚀纳米天线结构。具体应用实例1片上定向纳米双蝶形天线阵列优化海豚形元胞圆阵列超表面产生的局域复合偏振光场的具体参数如下为例：取入射波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增强光场定向辐射的片上定向纳米双蝶形天线阵列结构，每组双蝶形天线由四个相同的三角天线元构成，一共N组(且N为正整数)，各组双蝶形天线绕圆心等角度旋转排布构成圆形阵列。天线距离结构轴心的距离为R，相邻两组天线关于轴心的夹角。天线阵列放置在海豚形元胞圆阵列超表面上方处。

【技术特征摘要】
1.一种增强光场定向辐射的片上定向纳米双蝶形天线阵列结构，每组双蝶形天线由四个相同的三角天线元构成，一共N组(且N为正整数)，各组双蝶形天线绕圆心等角度旋转排布构成圆形阵列。天线距离结构轴心的距离为R，相邻两组天线关于轴心的夹角。天线阵列放置在海豚形元胞圆阵列超表面上方处。2.根据权利要求1所述的片上定向纳米双蝶形天线阵列结构，其特征在于基本单元为蝶形天线结构，每组蝶形天线由对称的两个三角天线偶极子组成，两组蝶形天线垂直放置，形成纳米双蝶形天线结构。3.根据权利要求1或2所述的片上定向纳米双蝶形天线阵列结构，其特征在于：两组蝶...

【专利技术属性】
技术研发人员：匡登峰，林宇，杨卓，马晓威，耿雪，郭蓉，李钰琛，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：天津,12