用于光束控制的等离子体表面散射元件和超表面制造技术

本文描述了用于光束控制设备的系统和方法，该光束控制设备包括光发射器和/或接收器，以发射和/或接收来自光学反射表面的光辐射。可调等离子体谐振波导的阵列以小于光学工作波长的元件间间距被布置在表面上。控制器将电压差的模式应用于可调等离子体谐振波导。电压差的模式对应于用于反射光电磁辐射的亚波长反射相位模式。可调等离子体谐振波导的一实施方案包括从表面延伸的第一金属轨和第二金属轨。金属轨彼此间隔开以在它们之间形成沟道。电可调电介质设置在该沟道内。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于光束控制的等离子体表面散射元件和超表面优先权申请的所有主题通过引用并入本文，只要这样的主题与其不矛盾即可。
本公开涉及可重构天线技术。具体地，本公开涉及在光学频率下可操作的可重构反射型天线元件。附图说明图1A示出了具有可调等离子体谐振波导(adjustableplasmonicresonantwaveguides)的光学表面散射天线设备的简化实施方案。图1B示出了从具有绝缘体和反射器的表面延伸的单个可调等离子体谐振波导的示例。图1C示出了图1B的可调等离子体谐振波导内的电能和磁能密度的概念性表示，其具有相对于横向磁(TM)极化的法线约70°的光激发。图2A示出了光学表面散射天线设备的简化实施方案，该光学表面散射天线设备在每个可调等离子体谐振波导下方均具有反射器贴片。图2B示出了从具有绝缘体和嵌入式反射器贴片的表面延伸的单个可调等离子体谐振波导的示例。图2C示出了图2B的可调等离子体谐振波导内的电能和磁能密度的概念表示。图3A示出了光学表面散射天线设备的简化实施方案，该光学表面散射天线设备在每个可调等离子体谐振波导下方均具有带凹口的反射器。图3B示出了从具有绝缘体和带凹口的反射器的表面延伸的单个可调等离子体谐振波导的示例。图3C示出了图3B的可调等离子体谐振波导内的电能和磁能密度的概念表示。图4A示出了具有n个下伏的布拉格(Bragg)反射器的光学表面散射天线设备的简化实施方案。图4B示出了从布拉格反射器表面延伸的单个可调等离子体谐振波导的示例。图4C示出了图4B的可调等离子体谐振波导内的电能和磁能密度的概念表示。图5A示出了光学表面散射天线设备的简化实施方案，该光学表面散射天线设备具有在每个可调等离子体谐振波导下方的多沟道宽度反射器贴片。图5B示出了从具有绝缘体和嵌入式多沟道宽度反射器贴片的表面延伸的单个可调等离子体谐振波导的示例。图6示出了单个可调等离子体谐振波导的一个示例的反射相位的近似值，其是电可调电介质的折射率的函数。图7示出了高Q可调等离子体谐振波导的一个示例的反射光谱的近似。图8示出了经由类似于图1A中所示的天线的光学表面散射天线可能的反射光辐射的可控波束的简化图。图9示出了全息超表面(metasurface)、控制逻辑、存储器以及用于形成发射和/或接收光学表面散射天线系统的输入/输出端口。图10示出了具有用于特定工作带宽的示例性尺寸的可调等离子体谐振波导的示例。图11A示出了具有光学发射器或接收器的可调光学表面散射天线设备的示例。图11B示出了发射器(或接收器)经由来自包括可调等离子体谐振波导的可调光学表面的可控制光束发射(或接收)光辐射。图12示出了具有光学透明窗口的封装的固态可控光束天线系统的示例性实施方案。具体实施方式在各个实施方案中，可重构天线利用超材料表面天线技术(MSAT)。例如在美国专利公开号2012/0194399中描述了超材料表面天线，其也称为表面散射天线和超表面天线，该公开内容通过引用整体结合于此。在美国专利公开No.2014/0266946、No.2015/0318618、No.2015/0318620、No.2015/0380828和No.2015/0372389中描述了具有参考波或馈电波的表面散射天线的其他元件、应用和特征，通过引用将其每一个的全部内容并入本文。在例如美国专利公开No.2015/0162658中描述了利用自由空间参考或馈电波的相关系统的示例，该申请的全部内容也通过引用合并于此。本文所述的系统和方法利用自由空间馈送配置来照射反射表面。反射表面装有可调等离子体谐振波导。在整个本公开中，对于涉及用自由空间参考波照射表面以提供具有特定场模式的反射出射或透射波的每个公开实施方案，还考虑了一种互惠实施方案，该实施方案涉及从表面反射入射或接收波，然后根据特定的场模式检测反射波。更一般而言，本文描述的天线系统和方法可以用于经由同一设备进行发送和接收(收发)，仅发送，仅接收，或经由一个设备进行发送并且经由单独但相似的设备进行接收。为了简洁起见，可以将这样的设备和方法描述为仅发送或仅接收，但应理解可以考虑接收和/或发送的其他组合。当前描述的系统和方法以比上述许多出版物更高的频率运行。具体地，本文描述的系统和方法在红外和/或可见频率范围内操作。如本文所使用的，近红外、红外、可见和近紫外频率通常可以被称为“光学”频率和波长。当工作频率按比例增加到光学频率时，各个散射元件的尺寸和相邻散射元件之间的间距按比例缩小，以保留该技术的亚波长(例如超材料)方面。在光学频率下操作的相关长度标度可以为微米级或更小量级。通常，特征尺寸小于常规印刷电路板(PCB)工艺的典型长度标度。因此，可以使用微光刻和/或纳米光刻工艺来制造本公开的许多实施方案，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)制造方法。本系统和方法利用与上述许多出版物基本不同的结构。具体地，本文描述的系统和方法涉及金属和电介质的等离子体界面。本文所述的光学表面散射天线的各种应用包括但不限于经由光检测和测距(LiDAR)成像、经由结构化照明成像、自由空间光通信(例如，单波束和多路输入多路输出(MIMO)配置，以及指向和跟踪以进行自由空间光通信。在多种实施方案中，用可调等离子体谐振波导填充可重构天线孔径。表面等离子体激元是一种非辐射电磁波，其于在光学频率下具有负介电常数的材料(例如，诸如金、银、铂、铝等等之类的等离子体金属)与在光学频率下具有正介电常数的材料(例如电介质)之间的界面处传播。因此，可调等离子体谐振波导可被实现为夹在两个金属轨之间的具有可调节的介电常数的电介质。应当理解，电介质在光学频率下的介电常数与电介质的介电常数相关，其也与电介质在光学频率下的折射率密切相关。因此，高Q等离子体谐振波导的电介质的折射率的适度变化导致高Q等离子体谐振波导的(一个或多个)谐振波长的显著偏移。对于给定的介电常数变化，Q系数越高，谐振的位移越大。假设在等离子体谐振波导的谐振附近有固定的工作频率，则来自天线系统的散射场的相位和/或振幅可以根据各个等离子体谐振波导的调整后的介电值而变化。尽管通过劳伦兹谐振使相位和幅度相关，但是孔径上的场的相位可以用于全息和/或波束形成设计。下文所述的系统和方法无需添加额外的移相器即可实现可观的控制。可调谐介电材料(例如，电可调介电材料)的折射率调制范围基于材料选择而受到限制。具有可调辐射或散射元件阵列的天线孔径可以具有高Q、低损耗、亚波长等离子体谐振波导。在多种实施方案中，本文描述了用于散射和/或辐射的可调谐等离子体谐振波导，其具有相对较高的Q，低损耗并且可充分调谐以提供全相位或近全相位控制。作为特定示例，表面可以配置有多个可调等离子体谐振波导。可调谐等离子体谐振波导的元件间间距可以小于例如工作带宽内的光学工作波长。该表面可以包括光反射表面，以反射工作带宽内的光电磁辐射。在一实施方案中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种装置，其包括：/n表面；/n多个可调等离子体谐振波导，其从所述表面基本上竖直延伸，并布置在所述表面上，其中元件间间距小于光学工作波长。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180319 US 15/924,7441.一种装置，其包括：
表面；
多个可调等离子体谐振波导，其从所述表面基本上竖直延伸，并布置在所述表面上，其中元件间间距小于光学工作波长。


2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个可调等离子体谐振波导中的每一个包含电可调节的电介质和至少一个等离子体金属轨。


3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述多个可调等离子体谐振波导中的每一个的所述电可调电介质设置在相邻的等离子体金属轨之间的沟道内。


4.根据权利要求3所述的装置，其中，相邻的可调等离子体谐振波导共享公共的等离子体金属轨，使得两个相邻的可调等离子体谐振波导利用以下形成：
第一电可调电介质，其设置在第一等离子体金属轨和第二等离子体金属轨之间；和
第二电可调电介质，其设置在所述第二等离子体金属轨和第三等离子体轨之间。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述表面包括介电基板，在所述介电基板中嵌入了多个铜贴片，其中，在所述可调等离子体谐振波导中的每一个的沟道下方设置有所述铜贴片中的一个。


6.一种光束控制设备，其包括：
光电磁辐射转换器，其用于在电功率和光电磁辐射之间转换；
表面，其用于反射所述光电磁辐射；
多个可调等离子体谐振波导，其被布置在所述表面上，其中元件间间距小于光学工作波长，以选择性地将亚波长反射相位模式施加到所述光电磁辐射上。


7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述多个可调等离子体谐振波导中的每一个包含电可调电介质和至少一个等离子体金属轨。


8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述多个可调等离子体谐振波导中的每一个包括两个等离子体金属轨，所述两个等离子体金属轨彼此间隔开以在其间形成沟道，其中，所述电可调电介质设置在所述两个等离子体金属轨之间的所述沟道内。


9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述多个可调等离子体谐振波导中的每一个的所述电可调电介质设置在相邻的等离子体金属轨之间的沟道内。


10.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中，所述表面包括光学反射器，以反射在包括光学工作波长的工作带宽内的光电磁辐射。


11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述光学反射器包括：
导电反射器。


12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述导电反射器包括金属层。


13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述金属层在所述可调等离子体谐振波导中的每一个下方具有凹口。


14.根据权利要求6至9中任一项所述的设备，其中，所述表面包括多个光学反射贴片。


15.根据权利要求6至14中的任一项所述的设备，其中，所述多个可调等离子体谐振波导中的每一个包括：
第一等离子体金属轨，其从所述表面延伸到第一高度；
第二等离子体金属轨，其从所述表面延伸到第二高度，
其中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：格列布·M·阿克塞尔罗德，杨元穆，帕特里克·博文，
申请(专利权)人：埃尔瓦有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US