高增益和宽频带混合型等离子激元光学漏波阵列天线的制作方法

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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，本发明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。

本发明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。

本发明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为本发明整体结构示意图；

图2为本发明主体部分的侧视图；

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

以下结合附图对本发明内容做进一步说明：

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，导向电场的x分量满足周期性特性d是周期性的周期，kx，o＝βx，o+iα是沿传播方向的波数，βx，0是无周期性扰动时的相位常数，α是衰减常数，在引入周期性扰动前，初始波导模式中的传播常数非常接近βx，0，波导中的原来的衰减常数可能比α要少，因为在没有引入周期性扰动前，衰减常数仅仅只与材料损耗和一些散射有关，相反，引入周期性扰动后，由于辐射的存在，α的值有显著增大。根据傅里叶级数展开，沿周期性结构任何位置的电场都可以表示为一个无限floquet空间谐波的叠加：

这里，kx，m是floquet波数，m是floquet空间谐波的阶数，em(z)是第m阶谐波的权系数。由kx，o＝βx，o+iα，可得kx，m＝βx，m+iα，其中是第m阶floquet空间谐波的传播常数。周期性横向椭球形小孔可以产生许多的floquet模式。并且结构周期d可以控制这个模式。在这些模式中，与真空中的波数相比，小波数模式是泄漏模式并且可以产生辐射光束，

-k0＜βx，m＜k0，(2)

其中，k0是真空中的波数，只有当m＝-1时，周期性扰动才可以产生辐射束。由(1)式可知，当m＝-1时，沿x轴方向的电场可以表示为：

这里，l是周期性椭球形小孔的总长度，e-1是m＝-1谐波电场的振幅。由于天线的设计是基于条件(2)中m＝-1的空间floquet谐波。因此，仅仅这个模式才可以产生辐射光束，其它m阶floquet模是消逝波。此外，与传播模波数相关的主要光束辐射角为

因此，当βx，-1＜＜k0时，天线在宽边辐射，例如，当辐射方向角时，光束辐射方向与波导正交。光学漏波天线的远场辐射模式可以通过对方程(3)积分得到，

特别注意的是，考虑波导结构中周期性扰动作为相同散射体阵列。这里，散射体来自由方向图相乘决定的远场模。例如，这个方向图是由单个阵元的归一化方向图与归一化阵因子相乘的结果。由于单个扰动阵元的模式是准各向同性，因此阵因子对角度的选择性很强。作为一个方向性天线，总远场辐射方向图可由近似取代。它的表达式

这里，l＝nd。

天线辐射功率集中于主瓣的程度常常用旁瓣电平来衡量，它被定义为旁瓣方向图峰值与主瓣方向图峰值的比值，简写为sll。其表达为：

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

我们计算了当天线端口填充不同的物质时，二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线的回波损耗和插入损耗与工作频率的依赖关系，如图5所示。从图5(a)可以看见，在工作频率170thz-250thz范围内，填充物为空气时的s11值小于填充物为氮化硅的s11值。例如，当工作波长在1550nm时，前者的s11值为-26.5db,而后者的s11为-17.4db。这也说明前者阻抗匹配性优于后者的阻抗匹配性。此外，从图5(b)可以得知，在整个波长范围内，上述两种填充物的二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线的s21值都小于-10db。特别注意的是，当工作频率介于182thz-237thz之间时，填充物为空气时的s21值小于填充物为氮化硅的s21值。

图6和图7进一步给出了二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线的其它特性，如远场电场模、远场增益、方向图。从图6(a)和图7(a)中可知，当二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线两端口分别填充空气和氮化硅时，其远场电场模分别为170db和168db。对于填充物为空气的天线，其远场增益(152dbi)略大于填充物为氮化硅时远场增益(151dbi)(见图6(b)和图7(b))。如图6(c)、图6(d)、图7(c)、图7(d)所示，上述两种填充物的二维对称锥形椭球孔阵列光学漏波天线都没有旁瓣电平，他们的能量辐射的方向性很好。但是，填充物为空气的天线主半功率束宽(118°)大于填充物为氮化硅的天线主半功率束宽(93°)。