金属绝缘体金属多层结构混合等离子体纳米贴片天线显影器设计gydF4y2Ba

摘要gydF4y2Ba

采用Ansoft高频结构模拟器(HFSS)实现的有限元方法，研究了金属-绝缘体-金属(HMIM)多层复合等离子体纳米贴片天线在125-250 THz频率下的工作特性。该天线具有49.5太赫兹(151.5太赫兹- 201太赫兹)的宽频带gydF4y2BaWgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 50 nm和gydF4y2BaWgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 100 nm和双带宽gydF4y2BaWgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 20海里。得到的结果表明，输入阻抗50.3 Ω输入电阻(实部)和2.3 Ω电抗(虚部)出现在(接近)工作频率处。当谐振频率为176 THz时，最大增益为23.98 dB;当谐振频率为170 THz和190 THz时，最大方向性分别保持在6.73 dB和7.46 dB以上。我们提出的天线性能与以前报道的设计进行了比较。模拟了平面在160太赫兹和197太赫兹不同频率下的共极和跨极辐射图gydF4y2Ba和gydF4y2Ba ．gydF4y2Ba为了适合高增益应用，提出的天线阵列设计为一维和二维。gydF4y2Ba

1.介绍gydF4y2Ba

在前几年，光学天线的话题有一个历史背景，但最近由于不同的原因，它又重新引起了人们的兴趣。其中一个原因是各种常规纳米尺度制造技术的可用性，这些技术允许制造和探索合适尺寸的结构，作为驾驭纳米天线的一种方式[gydF4y2Ba1gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba］．从光激发或发射的不同应用领域，已经研究了各种各样的纳米天线[gydF4y2Ba11gydF4y2Ba到光伏发电[gydF4y2Ba12gydF4y2Ba]，散射物使入射光重定向[gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]，以及光学无线纳米链路[gydF4y2Ba14gydF4y2Ba］．纳米天线已被提出以提高光谱学的效率[gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,传感gydF4y2Ba16gydF4y2Ba，以及热传递[gydF4y2Ba17gydF4y2Ba］．光学衍射极限是光学器件小型化应用的一大障碍[gydF4y2Ba18gydF4y2Ba］．解决这一问题的一种方法是利用表面等离子体的特性，这为解决这一问题提供了一种有效的方法，其中光场高度局限于衍射极限之外[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba，gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba］．表面等离子体激元本质上是电子在金属-介质界面的集体共振，然后光功率转化为沿界面传播的表面波[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba］．基于以上几点，等离子体波导既适用于光信号的高效传输，也适用于光场的高约束，如沟道等离子体波导[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba、金属纳米线[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba], nanoslots [gydF4y2Ba24gydF4y2Ba和混合电浆子波导[gydF4y2Ba25gydF4y2Ba］．电浆子纳米天线的概念最早是为光场增强而设计的，是纳米天线研究的重要成果之一。到目前为止，一些纳米天线的设计是从传统的微波天线出发的，例如Vivaldi [gydF4y2Ba9gydF4y2Ba]、矩形及圆形补片[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，光栅天线[gydF4y2Ba26gydF4y2Ba], Yagi-uda [gydF4y2Ba27gydF4y2Ba),偶极子(gydF4y2Ba28gydF4y2Ba，蝶形天线[gydF4y2Ba29gydF4y2Ba]、有空腔的金属纳米狭缝[gydF4y2Ba30.gydF4y2Ba]等，以完成上述申请。然而，大多数提出的天线，如偶极子，蝴蝶结，螺旋只适用于近场应用;它们的远场辐射很差，不像无线电天线，这会削弱无线互联能力。与此相反，贴片天线由于其定向远场模式，适合于在两个波导组件之间建立无线连接。之前的工作主要集中在基于纯等离子体的纳米天线上。作者没有注意到以下两点:第一，纯等离子体纳米天线的效率非常低，由于欧姆损耗过大而无法实际实现[gydF4y2Ba31gydF4y2Ba］．其次，为光通信目的设计的天线必须能够接收光平面内信号并将其辐射到自由空间，并通过互易从自由空间接收信号并传输平面内信号。天线的远场规格必须根据角度和最大方向性进行优化。本文研制了一种金属-绝缘体-金属(HMIM)复合等离子体矩形贴片纳米天线，可在标准通信频率125 THz - 250 THz下工作。对于传播和约束造成的损耗，该天线利用了混合等离子体结构的低损耗特性和亚波长模式约束，因此比等离子体天线具有更高的带宽、增益和方向性[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba］．由于嵌入馈电的HMIM等离子体纳米天线具有很高的方向性，因此可以提供一种高效的光无线互连。此外，该装置可用于增强光电探测器、太阳能电池、光学传感和无线能量收集的吸收增强。本工作的组织如下:本节概述了HMIM等离子体波导馈电和纳米贴片天线的仿真结构gydF4y2Ba2gydF4y2Ba．得到的结果在本节中给出gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba．节gydF4y2Ba4gydF4y2Ba，研究工作就此结束。gydF4y2Ba

2.仿真结构与方法gydF4y2Ba

HMIM等离子体波导馈电的截面示意图如图所示gydF4y2Ba1gydF4y2Ba其中，高介电常数材料(Si)的核心层夹在低介电常数材料(SiO)之间gydF4y2Ba_2gydF4y2Ba)和金属(Ag)。该结构支持引导等离子体TM模式，该模式高度限制在高介电常数的材料内部。银片的色散介电常数为gydF4y2Ba ，gydF4y2Ba在哪里gydF4y2Ba和gydF4y2Ba分别为实部和虚部。gydF4y2Ba

HFSS模型中，gydF4y2Ba可以根据银的德鲁德模型计算[gydF4y2Ba34gydF4y2Ba］．优化后的馈源波导尺寸设置为:波导宽度gydF4y2BaWgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba= 150 nm，波导管长度gydF4y2BalgydF4y2Ba_fgydF4y2Ba= 540 nm，金属厚度gydF4y2BatgydF4y2Ba_米gydF4y2Ba= 100 nm，间隔层厚度gydF4y2BatgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 20 nm，介质厚度高gydF4y2BatgydF4y2Ba_hgydF4y2Ba= 150海里。HMIM等离子体纳米贴片天线示意图如图所示gydF4y2Ba2gydF4y2Ba，以矩形形式设计，其中patch的宽度和长度设置为gydF4y2BaWgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba= 315,gydF4y2BalgydF4y2Ba_pgydF4y2Ba= 900 nm。当引导的混合等离子体模式进入天线时，由于设计中创建了四个槽:馈电波导两侧各有两个槽，对应的另两个槽有长度，因此转换为辐射模式gydF4y2BalgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 80 nm和gydF4y2BalgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 180 nm和厚度gydF4y2BaWgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 50 nm和gydF4y2BaWgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 80海里。gydF4y2Ba

3.仿真结果与分析gydF4y2Ba

采用基于有限元方法的Ansoft高频结构模拟器(HFSS)对天线的反射、驻波比、增益、方向性和辐射方向图等参数进行了数值分析。[gydF4y2Ba5gydF4y2Ba，gydF4y2Ba27gydF4y2Ba，得到的结果非常有前景，这为仿真过程提供了依据。HMIM反射系数的比值如图所示gydF4y2Ba3(一个)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(b)，随槽厚变化的工作频率(125 THz - 250 THz)的函数gydF4y2BaWgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba和gydF4y2BaWgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}−10 dB带宽约为151.5 THz - 201 THz或49.5 THzgydF4y2BaWgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 40 nm(见图gydF4y2Ba3(一个)gydF4y2Ba)和双带宽gydF4y2BaWgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 20 nm(见图gydF4y2Ba3.gydF4y2Ba(b))，覆盖整个光通信。而且，观测到的带宽比文献报道的带宽要大[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba，gydF4y2Ba10gydF4y2Ba，gydF4y2Ba32gydF4y2Ba，gydF4y2Ba33gydF4y2Ba］．谐振频率和带宽(BW)比较见表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba所有槽的厚度。由对比可知，理想谐振频率为159.5 THzgydF4y2BaWgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba= 40 nm，在197.8 THzgydF4y2BaWgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}= 100海里。gydF4y2Ba

为了准确地理解天线特性和等离子体效应，图gydF4y2Ba4(一)gydF4y2Ba显示了模拟的输入阻抗，它由天线的电阻和电抗组成。天线的输入阻抗为工作频率(附近)处的50.3 Ω输入电阻(实部)和2.3 Ω电抗(虚部)。完全正确的是，电抗(虚部)在共振频率必须为零，但在这里由于电浆子效应，给定的值不是零。其次，电压驻波比(VSWR)效率，定义为天线和馈线连接之间的不匹配数，如图所示gydF4y2Ba4 (b)gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

在数据gydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba，分别计算增益和指向性。如图所示，全频带增益大于23.98 dBgydF4y2Ba5(一个)gydF4y2Ba．在170 THz和190 THz的共振频率下，最大方向性保持在6.73 dB和7.46 dB以上，如图所示gydF4y2Ba5 (b)gydF4y2Ba．gydF4y2Ba

表格gydF4y2Ba2gydF4y2Ba显示了我们最近工作的模拟结果与[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba10gydF4y2Ba］．增益和带宽是最高的。在[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba提供比我们所建议的天线更宽的带宽。然而，我们提出的天线的增益比[gydF4y2Ba8gydF4y2Ba］．gydF4y2Ba

并绘制上、下共振频率下的三维辐射图和电场图，如图所示gydF4y2Ba6(一)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba6 (b)gydF4y2Ba,分别。所提出的贴片天线模式类似于传统微波纳米贴片天线的TM10模式。gydF4y2Ba

为了了解天线的宽带特性，在两个平面上绘制极图(共极和交叉极)(gydF4y2Ba和gydF4y2Ba ）gydF4y2Ba为不同频率(160太赫兹和197太赫兹)绘制在图中gydF4y2Ba7(一)gydF4y2Ba，gydF4y2Ba7 (b)gydF4y2Ba所提出的嵌入馈电的HMIM等离子体纳米贴片天线在整个频带内的表现是一致的。gydF4y2Ba

单元线性阵列的三维辐射图gydF4y2BaxgydF4y2Ba(100gydF4y2Ba1),gydF4y2BaygydF4y2Ba(1gydF4y2Ba100年),gydF4y2BaxygydF4y2Ba(10gydF4y2Ba方向如图所示gydF4y2Ba8(一个)gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8 (d)gydF4y2Ba，这清楚地描述了增益有显著的提高，并且可以通过增加元素的数量来进一步提高增益。gydF4y2Ba

4.结论gydF4y2Ba

提出并研制了一种工作频率为125太赫兹至250太赫兹的基于金属-绝缘体-金属(HMIM)复合等离子体波导的波导馈电纳米贴片天线。利用基于有限元方法的Ansoft高频结构模拟器(HFSS)对天线和等离子体波导馈电阻抗进行了计算。与之前报道的等离子体天线相比，该天线显示出更多的优点。天线阵列也设计用于高增益应用。这项工作可能有利于几个纳米光子学应用，如无线互连、能量收集和光束控制。gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

用于支持本研究结果的数据已保存在HFSS知识库中。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明他们没有利益冲突。gydF4y2Ba

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