周广柱在Photonics Research Journal上发表纳米光学天线阵研究成果
近日，团队博士生周广柱在基于等离子激元低副瓣光学天线设计中取得最新研究进展，利用等离子激元间隙波导，提出了一种基于导波幅度调制的低副瓣光学天线。相关成果以“All-plasmonic optical leaky-wave antenna with low side-lobe level”为题，在光学领域权威期刊《Photonics Research Journal》发表。博士生周广柱为论文第一作者，屈世伟教授为论文通讯作者，香港城市大学陈志豪教授、陈宝洁博士、吴耿波博士为论文共同作者，电子科技大学为论文第一署名单位。
未来能够进行高速信息处理的光子电路依赖于纳米级辐射器以及探测器的实现。与微波天线相似，光学天线能够实现亚波长尺度限制的局域场与自由空间辐射场的相互转化，由于它们在传感、光通信、LiDAR、成像等应用中具有广阔的前景，因而受到了广泛的关注与研究。在光子集成芯片中，具有低SLL的光学天线有利于降低天线自身和芯片中其他光学元器件之间的干扰，能够确保各种光学器件更加密集地集成在同一个芯片上而不互相干扰。介质光栅天线以及与微波具有类似拓扑的等离子激元纳米天线，如偶极子天线、八木天线、Vivaldi天线等辐射特性简单，单独的天线难以实现复杂的口径场幅相分布。
图1 (a)所提出低副瓣光学天线三维结构图；(b)工作的等离子激元间隙模式；
(c)设计的切比雪夫幅度分布(SLL = -25 dB)；(d)仿真的yoz面归一化方向图。
周广柱博士提出了一种具有简易单层结构的等离子激元低副瓣光学天线，如图1(a)所示。该结构基于图1(b)所示等离子激元间隙模式工作，通过对导波的幅度进行周期性调制，等效于空间频谱迁移，使得波导中传输的慢波变为快波从而产生辐射。进一步地，利用调制深度对每个辐射周期的泄露速率进行独立设计，使得天线口径场幅度满足图1(c)所示切比雪夫幅度分布，最终实现天线的低副瓣特性。仿真得到的不同波长下yoz面归一化方向图如图1(d)所示，副瓣电平低于-20dB。
图2 (a)均匀调制天线阵列SEM图；(b)所提出低副瓣天线阵列SEM图；
(c)测试的对比天线远场方向图；(d)测试的所提出天线远场方向图。
基于上述设计结果，利用电子束光刻技术加工了所提出天线构成的天线阵列（结构中最小的特征尺寸为100 nm）[图2(b)]，同时加工了均匀正弦调制的天线阵列作为对比[图2(a)]。通过在傅里叶成像光学系统下测试结果，均匀正弦调制的天线具有较高的副瓣约-10dB，如图2(c)所示。而所提出的天线在不同波长下仍然具有约-15dB以下低的副瓣电平。理论与实验的误差来源于微纳加工中结构尺寸的偏差以及光学测试中背景噪声的影响。
文中通过理论与实验结合的方法在光学频段验证了对纳米尺寸天线口径场幅相的精确控制，为实现低副瓣高方向性光学天线提供了设计方案，有助于光子集成芯片的进一步集成化。
2023年6月