[发明专利]纳米双蝶形天线阵列结构

说明书

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。

技术领域

本发明属于纳米天线领域，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。

背景技术

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。

本发明通过一组纳米双蝶形天线阵列，提高了OAM波束中E_z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。

发明内容

本发明提供了一种增强涡旋光束E_z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E_z的强度占比，这对于涡旋光束的检测有重要意义。

本发明的优点和积极效果：

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E_z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E_z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。本发明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