本文選題：表面等離激元 + 金屬—電介質(zhì)—金屬波導(dǎo)　； 參考：《浙江大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：納米光波天線近年來因其在納米顯微成像、吸收光伏、非線性光學(xué)乃至生物醫(yī)療等方面的廣泛應(yīng)用而受到日益增長的關(guān)注,目前已成為納米光子學(xué)領(lǐng)域中的重要課題。與傳統(tǒng)射頻微波天線類似,納米光波天線可在亞波長局域光場與自由空間輻射場間搭建橋梁,使兩者有效轉(zhuǎn)換。形如單極天線、偶極天線、蝴蝶結(jié)天線及八木宇田天線等諸多傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)都已成功被縮小移植至納米尺度,相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究也都取得了一系列的進(jìn)展。然而,由于金屬等納米材料在高頻光波段擁有與其在低頻微波段截然不同的物理特性,經(jīng)典天線理論對納米光波天線而言并不適用。因此,如何設(shè)計(jì)并應(yīng)用納米光波天線就成為了一個亟待研究的問題。另一方面,與傳統(tǒng)天線相比,納米光波天線所具有更小幾何尺寸與更高工作頻率,無疑也將為無線通信系統(tǒng)帶來更高的器件集成度與更強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力。這一特性則有望為納米尺度無線光通信提供了新的可能。基于此,本文主要探究了納米光波天線在片上無線光互連方面的潛在應(yīng)用。從納米光波天線的當(dāng)前研究現(xiàn)狀及應(yīng)用發(fā)展出發(fā),本文基于納米光波天線理論,針對金屬及電介質(zhì)等不同材料在光頻段的特殊響應(yīng),分別設(shè)計(jì)并研究了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的納米光波天線。對于金屬材料,我們設(shè)計(jì)了金屬納米喇叭天線。該天線基于非共振工作原理,可有效避免普通共振型天線的極窄工作帶寬限制。研究表明,該天線可與單模及多模表面等離激元光波導(dǎo)在1200至2000 nm超寬帶范圍實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,耦合效率高達(dá)95%以上。此外,金屬納米喇叭天線還具有極強(qiáng)的遠(yuǎn)場輻射方向性,以該天線為發(fā)射與接收單元所構(gòu)成的納米尺度無線光互連鏈路,相比基于偶極天線的無線鏈路及表面等離激元光波導(dǎo)直連鏈路,在通信傳輸效率上具有100倍以上的優(yōu)勢。此外,該鏈路可在整個近紅外通信波段保持穩(wěn)定的信號傳輸特性。通過進(jìn)一步與其他表面等離激元器件集成,我們還設(shè)計(jì)了具有簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的片上無線寬帶光通信網(wǎng)絡(luò)并展示了諸如廣播、復(fù)用等基本通信功能�？紤]到金屬在光頻段的高損耗特性,我們還將研究拓展到以硅為代表的高折射率介質(zhì)材料上�；诮橘|(zhì)納米結(jié)構(gòu)在光頻段的特殊電、磁共振響應(yīng),我們提出了易于片上集成的介質(zhì)納米貼片天線,同時(shí)研究了該天線對片上納米光源自發(fā)輻射特性的影響。針對傳統(tǒng)解析理論無法應(yīng)用于非球狀納米天線的不足,我們還提出了可定量分析貼片天線—納米光源耦合系統(tǒng)遠(yuǎn)場輻射特的半解析反解方法,構(gòu)建了相應(yīng)的多極子等效物理模型,并成功利用該模型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)納米貼片天線對納米光源遠(yuǎn)場輻射方向性的增強(qiáng)與旋轉(zhuǎn)等操作。最后,我們還將對上述工作在未來的進(jìn)一步拓展及納米光波天線領(lǐng)域的未來發(fā)展方向進(jìn)行展望。
[Abstract]:Nanoscale optical antenna has attracted more and more attention in recent years because of its wide application in nanoscale imaging, absorption of photovoltaic, nonlinear optics and even biological medicine. It has become an important topic in the field of nano photonics. Similar to the traditional RF microwave antenna, the nanoscale antenna can be in the sub wavelength local light field and freedom. There are many traditional antenna structures, such as monopole antenna, dipole antenna, bow antenna and Yagi Uda antenna, have been successfully reduced to nanoscale, and the related theoretical and experimental research has also made a series of progress. However, the metal and other nanomaterials are in high frequency. The classical antenna theory is not suitable for the nanoscale wave antenna. Therefore, how to design and apply the nanoscale antenna has become an urgent problem to be studied. On the other hand, compared with the traditional antenna, the nanoscale antenna has smaller size and more size. The high working frequency will undoubtedly bring higher device integration and stronger data transmission capability for the wireless communication system. This feature is expected to provide new possibilities for nanoscale wireless optical communication. Based on this, this paper mainly explores the potential applications of nanoscale optical antenna to wireless optical interconnection on chip. Based on the current research status and application development, this paper, based on the theory of nanoscale antenna, designed and studied the corresponding nanostructured light wave antennas for the special response of different materials such as metal and dielectric materials in the optical band. For metal materials, we designed the metal nano horn antenna. It can effectively avoid the narrow bandwidth limit of the common resonant antenna. The study shows that the antenna can match the impedance of a single mode and multi mode surface plasmon waveguide in the range of 1200 to 2000 nm ultra wideband, and the coupling efficiency is up to 95%. The line is a nano scale wireless optical interconnection link consisting of the transmitting and receiving units. Compared with the radio link based on the dipole antenna and the surface plasmon optical link, the link has more than 100 times the advantages of the communication transmission efficiency. In addition, the link can keep the stable signal transmission characteristics in the whole near infrared communication band. One step is to integrate with other surface plasmon components. We also design a wireless broadband optical communication network with simple topology and show basic communication functions such as broadcasting and multiplexing. Considering the high loss characteristics of metal in the optical band, we also extend the study to the high refractive index media represented by silicon. With the special electrical and magnetic resonance response of the dielectric nanostructures in the optical band, we propose a dielectric nanoscale patch antenna which is easy to integrate on the chip. At the same time, we study the effect of the antenna on the spontaneous emission characteristics of the nanoscale light source on the chip. We also put forward a quantitative analysis for the shortcomings of the traditional analytical theory that can not be applied to the nonspherical nanometers. The patch antenna, the semi analytical inverse solution of the far-field radiation of the nanoscale coupling system, has constructed the corresponding multipole equivalent physical model, and successfully used this model to realize the enhancement and rotation of the nanoscale nanoscale radiation direction by the dielectric nanoscale antenna. Finally, we will also work in the future. Further development and future development direction of nano wave antenna are prospected.

【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN820

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