Integriertes optisches Strahllenkungsgerät mit schaltbaren Nanoantennen und einer reflektierenden Metalllinse

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7099 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird ein integriertes optisches Gerät vorgeschlagen, bei dem eine reflektierende Metalinse und fünf schaltbare Nanoantennen kombiniert werden, um eine optische Strahllenkung bei der Standard-Telekommunikationswellenlänge von 1550 nm zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wird ein auf Graphen basierender schaltbarer Leistungsteiler entwickelt und mit Nanoantennen integriert, um den Lichtfluss zu steuern, der in das Gerät eintritt. Um eine höhere Winkelgenauigkeit der abgestrahlten Strahlen zu erreichen, wird ein neuer Algorithmus vorgeschlagen und verwendet, um die Position der einspeisenden Nanoantennen entsprechend der reflektierenden Metalinse zu optimieren. Um eine minimale Schwankung der Lichtintensität zu erreichen, wenn die Strahlen im Raum gedreht werden, wird ein Algorithmus entwickelt, um optimale Elementarzellen für die konstruierte Metalinse auszuwählen. Das gesamte Gerät wird mithilfe elektromagnetischer Vollwellensimulationen numerisch analysiert und zeigt eine optische Strahllenkung mit hoher Genauigkeit (besser als 1 Grad) in der Strahlrichtung und einer geringen Variation (weniger als 1 dB) in der abgestrahlten Lichtintensität. Das vorgeschlagene integrierte Gerät kann für viele Anwendungen wie optische Inter- und Intra-Chip-Verbindungen, optische drahtlose Kommunikationssysteme und fortschrittliche integrierte LIDARs verwendet werden.

Optische Nanoantennen sind Geräte zur Steuerung des Lichtprofils in Mikro- und Nanometerdimensionen1,2,3,4. Ihre Fähigkeit, das Licht zu steuern, kann in vielen verschiedenen Anwendungen genutzt werden, darunter optische drahtlose Kommunikationssysteme5,6,7,8, plasmonische Biosensoren9, Subwellenlängen-Bildgebungsinstrumente10,11,12 und auch Lichteinfang in Solarzellen13,14. Die dynamische Steuerung des Strahlungsmusters von Nanoantennen, die so genannte Strahllenkungsfähigkeit, kann für mehr Flexibilität in den oben genannten Anwendungen sorgen, insbesondere wenn sie für Authentifizierung15, optische Kommunikation6, Holographie16, Bildgebung17 und LIDARs 18,19 verwendet werden.

Zur Realisierung der optischen Strahllenkung stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, darunter Phasenarray-Antennen20,21,22,23, Leckwellenantennen27,28,29,30,31,32 und Metaoberflächen mit abstimmbaren Elementarzellen33,34,35,36,37,38 bisher vorgeschlagen. Alle zuvor entwickelten Techniken haben jedoch ihre eigenen Einschränkungen und Nachteile, die die Entwicklung neuer Techniken und Methoden zur Realisierung der optischen Strahllenkung zu einem fortlaufenden Forschungszweig machen.

Phased-Array-Antennen, die im Mikrowellenbereich häufig zur Strahlabtastung eingesetzt werden, bestehen aus einem Satz identischer optischer Nanoantennen, bei denen der Strahl durch einstellbare Phasenschieber gesteuert wird, die an jedes Antennenelement angeschlossen sind. Schmale Strahlbreite, breite Strahlabtastung und hohe Auflösung sind die Vorteile optischer Phased-Array-Antennen. Allerdings schränken einige Einschränkungen und Nachteile wie langsam einstellbare Phasenschieber20, große Abmessungen20,21,22,23 und ein hohes Maß an störenden Keulen22,23 ihre Anwendungen ein. Die integrierten Strukturen, ausgestattet mit einer Lüneburg-Linse24 oder Rotman-Linse25, erfordern keine Phasenschieber und ermöglichen die Strahllenkung über einen großen Scanbereich. Sie weisen jedoch einen hohen Verlust und eine hohe Herstellungskomplexität auf24,25,26.

In einem anderen Ansatz werden Leckwellenstrukturen verwendet, um die Abmessungen zu reduzieren und den Bedarf an Phasenschiebern zu eliminieren. Diese Strukturen können in Einzel- und Mehrtongruppen eingeteilt werden. Bei Mehrton-Leckwellenantennen wird die Rotation des Strahls durch Änderung der Strahlungswellenlänge erreicht, was den Zugriff auf teure Laser mit hoher Bandbreite erfordert27,28,29,30. Eintonstrukturen basieren jedoch auf der Variation des Brechungsindex über eine einzige Wellenlänge. Bei dieser Methode wird der Brechungsindex hauptsächlich thermisch verändert, was es zu einer langsamen Technik macht31,32. Darüber hinaus können das kleine Sichtfeld (FOV) und der hohe Verlust als weitere Nachteile von Leckwellenantennen angesehen werden27,28,29,30,31,32.

Eine andere Möglichkeit, abgestrahlte Strahlen zu steuern, ist die Verwendung abstimmbarer Metaoberflächen33,34,35,36,37,38. Metaoberflächen sind zweidimensionale Versionen von Metamaterialien, die aus einer Reihe von Nanoantennen bestehen, die jeweils eine spezifische reflektierte Amplitude und Phase liefern. Abstimmbare Materialien wie Vanadiumdioxid (VO2)33,34, Indiumzinnoxid (ITO)35,36 und Phasenwechselmaterialien (PCMs)37,38 können beim Aufbau von Metaoberflächen verwendet werden, wodurch ihre Reaktion dynamisch kontrollierbar wird. Abstimmbare Metaoberflächen sorgen bei der Strahlsteuerung für einen schmalen Strahlungsstrahl, ein breites Sichtfeld und eine relativ schnelle Steuerung. Da jedoch jede Elementarzelle, die beim Aufbau von Metaoberflächen verwendet wird, individuell abgestimmt werden sollte, erhöht dies die Komplexität und die Kosten dieser Strukturen33,34,35,36,37,38. Um dieses Problem zu lösen, wurden linsenbasierte Strukturen eingeführt, die im Mikrowellen-57,58,59 und optischen49,50,51,52,53,54,55-Bereich arbeiten.

Um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen, wird in diesem Artikel ein integriertes Gerät vorgeschlagen, in dem eine Anordnung von Nanoantennen, ein schaltbarer Leistungsteiler auf Graphenbasis und eine reflektierende Metaoberfläche miteinander kombiniert werden, um eine optische Strahllenkung zu ermöglichen. Alle Elemente sind in einem Siliziumdioxidmedium integriert, wodurch ein kompaktes Gerät mit den Abmessungen \(10,2\times 16,3\times 6,5\, \upmu {\text{m}}^{3}\) entsteht. Die Struktur ist so konzipiert, dass sie mit Standardtechniken der Nanotechnologie hergestellt werden kann. Die Strahllenkung erfolgt durch Umschalten zwischen speisenden Nanoantennen, die durch einen entworfenen und optimierten schaltbaren Leistungsteiler auf Graphenbasis realisiert werden, der auf angelegten Spannungen arbeitet, die das chemische Potenzial von Graphenschichten steuern. Da die Strahllenkung elektronisch erfolgt, erreicht das Gerät eine höhere Geschwindigkeit im Vergleich zu Konstruktionen und Methoden, die den Strahlungsstrahl mechanisch oder thermisch steuern. Da die in diesem Entwurf verwendete Metaoberfläche nicht abstimmbar ist, bestand einer der größten Herausforderungen darin, Einheitszellen zu entwerfen, die gleichzeitig verschiedene geeignete Phasen für verschiedene speisende Nanoantennen bereitstellen, um die Komplexität bei Herstellung und Steuerung zu vermeiden. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wird eine neue Methode vorgeschlagen, die mithilfe der Holographietechnik erforderliche Phasen berechnet und dann durch Definition einer geeigneten Phasenfehlerfunktion optimale Standorte für die Speisung von Nanoantennen auswählt, die die definierte Funktion minimieren. Die gesamte Struktur wird numerisch analysiert und ihre Leistung mithilfe elektromagnetischer Vollwellensimulationen untersucht. Die Ergebnisse dieser Simulation zeigen mehrere Vorteile für die entworfene Struktur im Vergleich zu zuvor gemeldeten Arbeiten, darunter eine hohe Genauigkeit der entworfenen Strahlungswinkel, niedrige Nebenkeulenpegel und geringe Schwankungen der abgestrahlten Leistungsintensität bei der Strahllenkung.

Der Aufbau des Papiers ist wie folgt. Zunächst wird der vorgeschlagene Aufbau vorgestellt und dessen Funktionsweise erläutert. In diesem Teil des Papiers werden die Komponenten, aus denen das Gerät besteht, Nanoantennen, Metaoberflächen-Elementarzellen und Graphen-basierter Schalter, einzeln beschrieben und ihre Leistungen einzeln numerisch untersucht. Darüber hinaus wird der Algorithmus erläutert, der zur Berechnung der für Metaoberflächen-Elementarzellen erforderlichen Phase und zur Ermittlung der optimalen Standorte für die Speisung von Nanoantennen zur Minimierung des resultierenden Phasenfehlers verwendet wird. Anschließend wird die gesamte vorgeschlagene Strahllenkungsvorrichtung numerisch analysiert und ihre Ergebnisse bei der Verwendung zur Strahllenkung vorgestellt und diskutiert. In diesem Teil wird auch die Fähigkeit der vorgeschlagenen Struktur untersucht, erweitert zu werden, um eine höhere Auflösung und einen schmaleren Strahl zu erreichen. Im letzten Abschnitt schließlich schließen wir die Arbeit ab.

Die vorgeschlagene integrierte Strahllenkungsvorrichtung ist in Abb. 1 dargestellt. Wie in dieser Abbildung dargestellt, besteht die entworfene Struktur aus einer Linse auf Metaoberflächenbasis, in die fünf Nanoantennen integriert sind, die mit einem optischen Schalter auf Graphenbasis verbunden sind. Die gesamte Struktur hat eine Abmessung von \(10,2\times 16,3\times 6,5\, \upmu {\text{m}}^{3}\) und ist in Siliziumdioxid integriert, das als Hintergrundmaterial fungiert. Das Gerät ist so konzipiert, dass es mit Standard-Nanotechnologie-Fertigungstechniken hergestellt werden kann. Die Metalinse besteht aus \(17\times 17\) plasmonischen Elementarzellen, die aus Silizium- und SiO2-Schichten bestehen, die zwischen zwei Silberschichten eingebettet sind.

(a) Perspektivische Ansicht (b) Seitenansicht der vorgeschlagenen Strahllenkungsvorrichtung, bestehend aus einer reflektierenden Metalinse, speisenden Nanoantennen und einem schaltbaren Leistungsteiler auf Graphenbasis. Die Maßstäbe sind nicht proportional. \({W}_{m}=9,6 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Agu}^{M}=20 \, {\text{nm}}, \, {t}_{Agd}^{M}=50 \, {\text{nm}}, \, {t}_{{SiO}_{2}}^{M}=100 \, {\text{ nm}}, \, {t}_{Si}^{M}=10 \, {\text{nm}},{W}_{f}=10.1 \, \upmu {\text{m}}, \, {Z}_{f}=6,05 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Ag}^{F}=100 \, {\text{nm}}, \, {{t}_{{SiO}_{2}}^{F}=20 \, {\text{nm}}, t}_{Si}^{F}=150 \, {\text{nm} }\).

Der aus dem Gerät austretende Strahl wird hauptsächlich von der reflektierenden, auf Metaoberflächen basierenden Linse bereitgestellt. Diese Metalinse formt das von den Nanoantennen auf sie einfallende Licht, um die Strahlung in die gewünschte Richtung zu richten. Die Metalinse ist so konzipiert, dass sie bei Beleuchtung durch unterschiedliche Einspeisungen Strahlung in verschiedene Richtungen abgibt. Daher wird die Strahllenkung durch Auswahl unter den abgestrahlten Nanoantennen bereitgestellt. Diese Auswahl wird mithilfe eines steuerbaren Leistungsteilers auf Graphenbasis (siehe Abb. 1) realisiert, indem geeignete Spannungen an die bei seiner Konstruktion verwendeten Graphenschichten angelegt werden. Das einfallende Licht gelangt zunächst in den auf Graphen basierenden schaltbaren Leistungsteiler und wird entsprechend der an den Schalter angelegten einstellbaren Spannungen zu einem der fünf Ausgangsanschlüsse geleitet, die die entsprechende Nanoantenne versorgen. Die vom Schalter gespeiste ausgewählte Nanoantenne strahlt das Licht normal in den Raum. Das abgestrahlte Licht wird auf die vor den Antennen platzierte Metalinse gestrahlt und dann von der Linse in eine bestimmte Richtung reflektiert. Im Folgenden erläutern wir weitere Einzelheiten zu den einzelnen Komponenten der vorgeschlagenen Struktur.

Um eine hochpräzise Strahllenkung zu erreichen, werden die Metalinse und die Positionen der speisenden Nanoantennen mithilfe der Holographiemethode entworfen39,40,41,42,43,44,45,46,47,48. Bei der klassischen Holographiemethode interferieren die von einer Quelle erzeugte einfallende Welle und die durch Streuung eines Objekts erhaltene andere Welle auf dem Hologramm, und ihr Interferenzmuster wird auf einem fotografischen Film aufgezeichnet48. Durch die Beleuchtung des Films mit der Referenzwelle wird dann eine Kopie der ursprünglichen Objektwelle gestreut. Das Interferenzmuster auf dem Hologramm enthält einen Term proportional zu48:

Dabei ist \({\psi }_{i}\) die einfallende Welle, \({\psi }_{o}\) die Objektwelle und \(H\) das gewünschte Hologrammmuster. Wenn das aufgezeichnete Hologramm von der einfallenden Welle beleuchtet wird, ergibt die vom Hologramm gestreute Welle \(H\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right) .{\psi }_{i}\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)={\psi }_{o}\left( {x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|{\psi }_{i}^{2}\left({x}^{^{\ prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|\), was eine Kopie der Objektwelle ist. Bei Verwendung der Holographietechnik zum Entwerfen von Metalinsen stellt \({\psi }_{i}\) das auf die Metalinse einfallende Licht dar, und \(H\) stellt die Reaktion der bereitgestellten Metalinse dar durch geeignetes Design von Elementarzellen, und (\({\psi }_{o}\)) stellt das gewünschte reflektierte Muster dar.

Bei diesem Entwurf wird die einfallende Welle \({\overline{\psi }}_{i}\) durch die speisenden Nanoantennen bestimmt. Unter der Annahme einer TM-Polarisation für die einfallenden und gestreuten Wellen kann daher \({\overline{\psi }}_{i}\) wie folgt geschrieben werden:

wobei \({A}_{i}\) die Amplitude der auf die Metalinse einfallenden Welle ist, \({k}_{0}\) die Wellenzahl im freien Raum ist, \({\overline{ R} }_{i}\) ist ein Vektor, der die Mitte der Metalinse mit der Position der Nanoantenne verbindet und kann geschrieben werden als \({\overline{R} }_{i}={R}_{ i}\mathrm{sin}{\theta }_{i}cos{\varphi }_{i} \widehat{x}+ {R}_{i}\mathrm{sin}{\theta }_{i} sin{\varphi }_{i} \widehat{y}+ {R}_{i}\mathrm{cos}{\theta }_{i} \widehat{z}\) und \({\overline{ R} }^{^{\prime}}={x}^{^{\prime}}\widehat{x}+{y}^{^{\prime}}\widehat{y}\) ist ein Vektor Verbinden der Mitte der Metalinse mit jeder Elementarzelle. In der obigen Beziehung sind \({\theta }_{i}\), \({\varphi }_{i}\) die sphärische Höhe bzw. der Azimutwinkel der einfallenden Wellen.

Andererseits kann die Objektwelle \({\bar{\psi }}_{o}\), die das Ausgabemuster in die gewünschte Richtung darstellt, wie folgt geschrieben werden:

wobei \({A}_{o}\) die Amplitude der Ausgangswelle ist und der Fernfeldvektor \({\overline{R} }_{o}\) als \({\widehat{R} }_{o}=\mathrm{sin}{\theta }_{o}cos{\varphi }_{o} \widehat{x}+ \mathrm{sin}{\theta }_{o}sin{\ varphi }_{o} \widehat{y}+ cos{\theta }_{o} \widehat{z}\), wobei \({\theta }_{o}\), \({\varphi } _{o}\) bestimmen die Richtung des abgestrahlten Strahls. Durch die Kombination von (1)–(3) wird schließlich die gewünschte Phase, die von der Metalinse bereitgestellt wird, wie folgt abgeleitet:

wobei \(\varphi \left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)\) die gewünschte Phase auf der Metalinse ist, die bereitgestellt werden soll die entworfenen Elementarzellen. Wie Gl. (4) zeigt, dass die von der Metaoberfläche bereitgestellte Phase eine Funktion von \({R}_{i}\), dem Standort der Nanoantenne, und auch von \({\theta }_{o}\), \( {\varphi }_{o}\), die Richtung des abgestrahlten Strahls. Andererseits wird in unserem Design die Strahlabtastung durch Umschalten der versorgenden Nanoantennen bereitgestellt. Daher variieren für jeden Strahlungsstrahl \({\theta }_{o}\), \({\varphi }_{o}\) und \({R}_{i}\), was zu unterschiedlichen Werten für führt das Phasenprofil auf der Metaoberfläche, während unsere Metaoberfläche nicht abstimmbar ist und sich daher ihre Phase nicht dynamisch ändert. Um dieser Herausforderung zu begegnen, definieren wir eine Fehlerfunktion, die die Phasenschwankung auf der Metaoberfläche darstellt, wenn sich die Speiseantenne und der Strahlungsstrahl ändern, und minimieren diese Funktion, indem wir die Position der Speise-Nanoantennen optimieren. Zu diesem Zweck wurde die Phasenvariation der in der Mitte befindlichen Nanoantenne als Referenz ausgewählt und die Standorte anderer speisender Nanoantennen (\({R}_{i},{\theta }_{i }\),\({\varphi }_{i}\)) werden optimiert, um die geringste Phasendifferenz mit der Referenzantenne zu finden, die sich bei (\({R}_{ir},{\theta }_{ir} \),\({\varphi }_{ir}\)). Der Einfachheit halber wird angenommen, dass die Parameter \({R}_{i},{\theta }_{i}\) für alle speisenden Nanoantennen fest sind (\({R}_{i}=7,68\mu). m,{\theta }_{i}={38}^{\circ}\) ) und wir werden nur nach optimalen Werten für \({\varphi }_{i}\) suchen. Die Fehlerfunktion, die minimiert werden muss, ist definiert als:

wobei \({N}_{x}, {N}_{y}\) jeweils die Anzahl der Metaoberflächenelemente in den \(x,y\)-Richtungen darstellt. Die Referenzantenne befindet sich auf der x-Achse (\({\varphi }_{ir}={0}^{\circ}\)) und die Einfallswinkel anderer Antennen (\({\varphi }_{i}\ )) werden durch Minimierung der Kostenfunktion und Erzielung minimaler Phasenvariationsfehler berechnet. Zur Strahlumschaltung in 5 Azimutwinkeln von (\({\varphi }_{o}=[14{0}^{\circ},16{0}^{\circ},18{0}^{\circ} ,20{0}^{\circ},22{0}^{\circ}]\)), werden die optimalen Standorte berechnet und die Ergebnisse sind in Abb. 2b dargestellt, als \({\varphi }_{i }=[-43.{9}^{\circ},-21.{2}^{\circ},{0}^{\circ},21.{2}^{\circ},43.{ 9}^{\circ}]\). Wie in den Gleichungen dargestellt. (1)–(4) kann die Metaoberfläche so konstruiert werden, dass sie das gewünschte Fernfeldstrahlungsmuster ergibt. Hier bestand unser Ziel für das Strahlungsmuster darin, eine Strahlbreite mit halber Leistung von 20° und Nebenkeulenpegel von besser als −20 dBc zu erreichen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist die Größe der Metaoberfläche einer der Schlüsselparameter. Im Allgemeinen führt eine Vergrößerung der Strahlungselemente (hier der Metaoberfläche) zu schmaleren Strahlen, erhöht jedoch gleichzeitig die Höhe der Nebenkeulen. Daher gibt es hier einen Kompromiss. Um die oben genannten Ziele für das Fernfeldmuster zu erreichen, haben wir die Abmessungen der Metaoberfläche optimiert und die Größe von \(10,2\times 10,2 \, \upmu {\text{m}}^{2}\) oder \(17 \times 17\) Elementarzellen für die entworfene Metaoberfläche. Mit (4) wird die gewünschte Phase auf dieser Metalinse berechnet und die Ergebnisse sind in Abb. 2a dargestellt.

(a) Gewünschte Phase auf der Metalinse, wenn die Referenz-Nanoantenne angeregt wird, (b) die optimalen Positionen der speisenden Nanoantennen bei \(z=6,05 \, \upmu {\text{m}}\ ) Flugzeug.

Das Erreichen einer gleichmäßigen Strahlformung mit minimalen Schwankungen der Strahlungsintensität ist eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Entwicklung von Meta-Linsen für Strahllenkungsanwendungen. Der Grund für diese Herausforderung besteht darin, dass die Phasen- und Amplitudenschwankungen auf der Metaoberfläche für jede der Speiseantennen unterschiedlich sind49,50,51,52,53 und die Auswahl der optimalen Elementarzelle einen Kompromiss zwischen den gewünschten Reflexionsphasen jeder Speiseantenne darstellt . Um dieses Problem zu lösen, schlagen wir hier eine neuartige Optimierungsmethode vor, die auf der Auswahl gewichteter, sich verjüngender Elementarzellen basiert. Bei dieser Methode definieren wir eine Fehlerfunktion basierend auf dem durchschnittlichen Quadratverhältnis der Strahlungsmuster der Speiseantennen als:

wobei \({N}_{Feed}\) die Anzahl der Feeds ist, \({\varphi }_{gewünscht, i}\) und \({\varphi }_{Einheitszellen}\) die gewünschten darstellen, und verfügbare (bzw.) Phasenverschiebungen auf der Metaoberfläche, wenn die \({i}\)-te Speiseantenne verwendet wird. Außerdem geben \(E{f}_{i}\), \(E{f}_{r}\) die elektrischen Feldamplituden (auf der Metaoberfläche) für die \({i}\)-te Speiseantenne an und jeweils die Referenzantenne. Unter Verwendung von (6) wird die gewünschte Phase für jede Einheitszelle von jeder Speiseantenne optimiert, um den minimalen gewichteten Gesamtfehler \({Error}_{UC}\) bei der Wellenlänge von 1550 nm zu erreichen. Daher ist die Auswahl von Meta-Linsen-Einheitszellen im vorgeschlagenen Verfahren ein Kompromiss zwischen den gewünschten Strahlungsmustern.

Nachdem nun die erforderlichen Phasen bestimmt sind, müssen wir eine geeignete Elementarzelle auswählen, um die geeignete Phasenverschiebung bereitzustellen. Die vorgeschlagene Elementarzelle ist in Abb. 3a dargestellt. Wie in dieser Abbildung dargestellt, besteht es aus vier Schichten, in denen Silizium- und Siliziumdioxidschichten zwischen zwei Silberschichten eingebettet sind. Die Silberschicht an der Unterseite reflektiert das Licht und verhindert, dass es durch die Struktur dringt. Die obere Silberschicht, die aus zwei ähnlichen Armen und drei variablen Parametern besteht, sorgt für unterschiedliche Reflexionsphasen. Diese Symmetrie der Elementarzelle führte dazu, dass sie bei unterschiedlichen Polarisationen des einfallenden Lichts ein ähnliches Verhalten zeigte. Dieses Verhalten ist in Abb. 3b dargestellt, wo die Reaktion der Zelle sowohl für TM- als auch TE-Polarisationen des einfallenden Lichts bei der Wellenlänge von 1550 nm dargestellt ist. Aufgrund der Tatsache, dass ein großer Teil der Rückwellen innerhalb der Silizium- und Siliziumdioxidschichten konzentriert ist, wurde der Verlust der Elementarzelle drastisch reduziert. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Wiederholungsperiode der Elementarzelle. Gemäß der Theorie der periodischen Oberflächen und Floquet-Wellen54,55 sollten die Abmessungen der Zelle kleiner sein als:

(a) Perspektivische Ansicht der vorgeschlagenen Elementarzelle. (b) Elektrische Feldantwort der Elementarzelle für die Moden TM (links) und TE (rechts) bei der Wellenlänge von 1550 nm. (c) Simulationsaufbau der Struktur. Zur Berechnung der Reflexionsphasen jedes Elementarzellenelements werden die Anregung ebener Wellen und periodische Randbedingungen verwendet.

In der obigen Beziehung ist \(p\) die Wiederholungsperiode der Elementarzelle, \({\theta }_{imax}\) der maximale Einfallswinkel in Bezug auf die Elementarzelle und \({n}_{ d}\) ist der Brechungsindex des umgebenden Materials, hier Siliziumdioxid, mit (\({n}_{d}=1,45\)). Unter Berücksichtigung von \({\uptheta }_{imax}\cong {50}^{\circ}\) wurde die Periode als \(p=600 nm\) (\(0,39\lambda \) bei der Wellenlänge von ausgewählt 1550 nm). Die anderen Parameter der Elementarzelle sind in Tabelle 1 dargestellt. Wie in dieser Tabelle gezeigt, verfügt die vorgeschlagene Elementarzelle über drei variable Parameter: Wc, Lc und Gc, wodurch 204 Zelltypen entstehen, um unterschiedliche Phasenvariationen auf der Metalinse zu erreichen . Aufgrund der Komplexität der vorgeschlagenen Struktur wurde die Vollwellen-CST-Software60 verwendet, um reflektierte Wellen von Elementarzellen zu simulieren. In dieser Simulation wird die Elementarzelle in eine SiO2-Umgebung gebracht und die periodischen Randbedingungen (PBC) werden um die Zelle herum angewendet. Abbildung 3c zeigt den Simulationsaufbau, der für die Zellcharakterisierung verwendet wurde.

Abbildung 4a und b zeigen die reflektierte Amplitude und Phase der Elementarzelle als Funktion der Wellenlänge und für verschiedene Lc-Werte. Wie in dieser Abbildung gezeigt, kann durch abwechselndes Lc ein Bereich von \({0}^{\circ}\) bis \({320}^{\circ}\) Phasenverschiebung bei der Wellenlänge von 1550 nm abgedeckt werden. Darüber hinaus ist nach den Ergebnissen dieser Abbildung die Reflexionsamplitude höher als 0,7. Abbildung 4c und d vergleichen die Reflexionsphase und -amplitude mit anderen Parametern bei der Wellenlänge von 1550 nm. Wie in dieser Abbildung gezeigt, sorgt die Abstimmung von Gc und Wc für unterschiedliche Phasengradienten und kann verwendet werden, um beliebige Phasenvariationen an den Matten-Linsen-Einheitszellen zu realisieren. Auch die Tatsache, dass alle Elementarzellen eine Reflexionsamplitude von 0,7 oder höher unterstützen können, ermöglicht es, eine hohe Effizienz für die entworfene Metalinse zu erreichen.

(a) Phase und (b) Amplitudenverhältnis der reflektierten Welle als Funktion von Wellenlänge und Lc. Reflexion (c) Amplitude und (d) Phase gegenüber geometrischen Parametern bei der Wellenlänge von 1550 nm. Die für alle geometrischen Parameter verwendete Einheit ist nm.

Schließlich verwendet man Gl. (6) und die Ergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt. Die Metaoberflächen-Einheitszellen werden ausgewählt, um eine gleichmäßige Strahlabtastung zu erreichen. Die vorgeschlagene Metalinse ist in Abb. 5 dargestellt. Die realisierte Reflexionsamplitude und -phase der entworfenen Metalinse sind in Abb. 6a bzw. b dargestellt. Dieser Zahl zufolge reflektiert die entworfene Metaoberfläche mehr als 80 % der einfallenden Wellen und sorgt so für eine hohe Effizienz des gesamten Antennensystems. In Abb. 6c und d wird für jeden Abstrahlwinkel die realisierte Phase auf der Metalinse mit den gewünschten Phasen darauf verglichen. Diesen Zahlen zufolge nehmen die Phasenfehler an den Rändern der Metaoberfläche zu, was sich jedoch nur auf die Nebenkeulenniveaus im Strahlungsmuster auswirken kann.

Vorderansicht des entworfenen Metaobjektivs.

Realisierte Reflexion (a) Phase, (b) Amplitude, (b) der entworfenen Metalinse. Die realisierte Phase (dargestellt mit Punkten) wird mit der gewünschten Phase verglichen, die für jede Speiseantenne (c) in den x = 0- und (d) in den y = 0-Ebenen erforderlich ist.

Eine perspektivische Ansicht der speisenden Nanoantenne ist in Abb. 7a dargestellt. Die vorgeschlagene Nanoantenne basiert auf hybriden plasmonischen Strukturen, bei denen eine Schicht mit niedrigem Brechungsindex (hier Siliziumdioxid) zwischen einem Metall (hier Silber) und einem Dielektrikum mit hohem Brechungsindex (hier Silizium) liegt5,6 ,7,8. Abbildung 7b zeigt den im Wellenleiter angeregten Modus, der die entworfene Nanoantenne speist. Wie in dieser Abbildung gezeigt, ist das Licht in der dünnen SiO2-Schicht eingeschlossen, wie es für hybride plasmonische Strukturen zu erwarten ist5,6,7,8. Die speisenden Nanoantennen basieren auf dem in5 entwickelten Modell für Antennen, die von plasmonischen Wellenleitern gespeist werden. Wie in 5 bewiesen, ist im hybriden plasmonischen Wellenleiter, der die Nanoantenne speist, die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes entlang der Ausbreitungsrichtung viel kleiner als seine Normalkomponente, und daher kann der im Wellenleiter angeregte TM-Modus durch einen TEM-Modus angenähert werden . Dadurch ist es möglich, die Übertragungsleitungstheorie zur präzisen Modellierung und Gestaltung der Struktur5 zu nutzen. Für die beste Übereinstimmung wird davon ausgegangen, dass die Breite der hybriden plasmonischen Linie mit der des Graphenschalters übereinstimmt und gleich \({w}_{l}=100 \, {\text{nm}}\) ist ein hoher Einschluss innerhalb der dünnen SiO2-Schicht, die Dicke dieser Schicht, \({t}_{Si{o}_{2}}^{F}\) wird mit 20 nm gewählt. Für die Länge \({L}_{p}\) und die Breite \({w}_{p}\) des plasmonischen Hybridflecks haben wir das in5 entwickelte Übertragungsleitungsmodell verwendet, um zu ermitteln Anfangswerte für das Design ermittelt und diese Parameter dann leicht angepasst, um das gewünschte Muster für die Antenne zu erreichen. Schließlich werden die Größe des Einsatzteils, \({L}_{g}\) und \({W}_{g}\) basierend auf der in25 erläuterten Technik ausgewählt. Der Einsatzteil wird verwendet, um eine bessere Impedanzanpassung zwischen der Nanoantenne und dem speisenden hybriden plasmonischen Wellenleiter zu gewährleisten.

(a) Perspektivische Ansicht der entworfenen speisenden Nanoantenne mit den Abmessungen \({{t}^{F}}_{Ag}=100 {\text{nm}}, \, {{t}^{F} }_{{SiO}_{2}}=20 {\text{nm}}, \, {{t}^{F}}_{Si}=150 {\text{nm}}\), \( W\_ant=2000 \, {\text{nm}},\) \({W}_{p}=1150 \, {\text{nm}}, {L}_{p}=640 \, { \text{nm}}, { W}_{g}=10 \, {\text{nm}}, {L}_{g}=160 \, {\text{nm}}\) (b) Dominant TM-Modus der speisenden Nanoantenne, bei dem das Licht stark in der dünnen SiO2-Schicht eingeschlossen ist. (c) Streuparameter der fütternden Nanoantennen. Die Rückflussdämpfung der Antenne Nr. 1 (S11) sowie die Kopplung zwischen Nanoantennen sind in dieser Abbildung dargestellt. (d) Fernes 3D-Strahlungsmuster der speisenden Nanoantenne bei der Wellenlänge von 1550 nm.

Die entworfenen Nanoantennen werden dann an optimalen Orten platziert, die nach Gleichung berechnet werden. (5). Die Streuparameter (S-Parameter) der Speisung von Nanoantennen in Abhängigkeit von der Wellenlänge sind in Abb. 7c dargestellt. In dieser Abbildung sind die Rückflussdämpfung der speisenden Nanoantenne Nr. 1 (siehe Abb. 1a) sowie die gegenseitige Kopplung zwischen Nanoantennen dargestellt. Wie in dieser Abbildung dargestellt, beträgt die dargestellte Rückflussdämpfung weniger als −9 dB, was auf eine gute Impedanzanpassung für die entworfene Antenne hinweist. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Abbildung, dass zwischen den entworfenen Antennen eine geringe gegenseitige Kopplung besteht (weniger als –12 dB). In Abb. 7d ist das Strahlungsmuster der entworfenen Nanoantenne dargestellt. Nach diesem Ergebnis weist die vorgeschlagene speisende Nanoantenne eine hohe Richtwirkung von 10,2 dB und eine Winkelabweichung von \({38}^{\circ}\) (in Bezug auf die z-Achse) auf. Aus diesem Grund wurden die Speiseantennen in einem Winkel von \({38}^{\circ}\) zur Metalinse angeordnet.

Bei der vorgeschlagenen Methode wird die Rotation des Strahls durch die Auswahl einer der zu versorgenden Nanoantennen erreicht. Daher ist ein steuerbarer Leistungsteiler erforderlich, um zwischen den Antennen auszuwählen. Abbildung 8a zeigt die Struktur des entworfenen Schalters auf Graphenbasis. Wie in dieser Abbildung gezeigt, basiert der Schalter auch auf der Grundlage einer hybriden plasmonischen Struktur, bei der eine Schicht aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 20 nm zwischen zwei Schichten aus Silber und Silizium mit einer Dicke von jeweils 100 nm und 150 nm angeordnet ist. Außerdem wurde für den Speisewellenleiter eine Linienbreite von 800 nm gewählt.

(a) Perspektivische Ansicht des entworfenen schaltbaren Leistungsteilers, (b) Perspektivische Ansicht der Vorspannungsschaltung, die zum Anlegen der gewünschten Spannung an Graphenschichten verwendet wird, (c) Elektrische Feldstärke auf dem Leistungsteiler bei der Wellenlänge von 1550 nm, wenn (c ) alle Zweige sind eingeschaltet (d) nur ein Zweig ist eingeschaltet und andere sind ausgeschaltet.

Aufgrund der ungleichmäßigen Verteilung des Feldes über die Breite des speisenden Wellenleiters wurden asymmetrische Leitungsbreiten verwendet, um die Felder gleichmäßig auf die Zweige aufzuteilen. Der Abstand zwischen den Teilungszweigen wird ebenfalls entsprechend der Position der speisenden Nanoantennen gewählt. Die Graphenschicht befindet sich in der Mitte der SiO2-Schicht und ist über den in Abb. 8b gezeigten Schaltkreis mit der Vorspannung verbunden. Spannungsreize ermöglichen die Variation des chemischen Potenzials von Graphenschichten, was zu einer Modulation der Leitfähigkeit von Graphen führt25. Der maximale Verlust bei der Wellenlänge von 1550 nm (Aus-Zustand des Schalters) kann erhalten werden, wenn das chemische Potenzial von Graphen 0,51 eV beträgt, und der minimale Verlust (Ein-Zustand des Schalters) kann für ein chemisches Potenzial erhalten werden von 0 eV auf der Graphenschicht25.

Die numerisch berechneten elektrischen Felder am vorgeschlagenen Leistungsteiler sind in Abb. 8c und d dargestellt. Abbildung 8c zeigt die Ergebnisse, wenn alle Ausgangszweige eingeschaltet sind, während Abb. 8d die Ergebnisse zeigt, wenn nur ein Zweig eingeschaltet ist und andere ausgeschaltet sind.

In diesem Abschnitt untersuchen wir die Leistung des vorgeschlagenen Geräts, indem wir die gesamte Struktur numerisch analysieren. Die numerische Simulation wird mit der CST-Vollsoftware60 durchgeführt. In dieser Simulation wird das Fernfeldstrahlungsmuster der reflektierenden Metaoberfläche durch Lösen von Integralgleichungen unter Verwendung der Momentenmethode berechnet, und für die Anregung wird das Strahlungsmuster der Nanoantennen (berechnet mit der Finite-Elemente-Methode und in Abb. 7d dargestellt) verwendet. Die Ergebnisse dieser Simulation sind in den Abbildungen dargestellt. 9 und 10. Abbildung 9 zeigt das Strahlungsmuster in der UV-Ebene, wenn verschiedene Nanoantennen angeregt werden. Eine u-v-Ebene ist eine geometrische Ebene, um das 3D-Muster in der 2D-Kreisfigur darzustellen. In der u-v-Ebene sind die Achsen definiert als \(u=\mathrm{sin\theta }cos\varphi , v= \mathrm{sin\theta sin\varphi }\). Wie in dieser Abbildung dargestellt, wird die Strahllenkung durch Umschalten zwischen Speiseantennen realisiert. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Abbildung, dass für das Gerät eine Richtwirkung von 15 dBi erreicht wird. Zur weiteren Verdeutlichung des resultierenden Musters zeigt Abb. 10 a das Strahlungsmuster im 2D-Format (für ein festes \(\theta \) und verschiedene Werte von \(\varphi \)), was die Strahllenkung deutlicher veranschaulicht. Darüber hinaus zeigen die Ergebnisse dieser Abbildung, dass es eine geringe Variation (weniger als 1 dB) in der erreichten Richtwirkung für alle unterschiedlichen Strahlrichtungen gibt, was einen wichtigen Vorteil dieser Arbeit im Vergleich zu zuvor veröffentlichten Arbeiten zur optischen Strahllenkung darstellt49,50, 51,52,53,54,55. Diese Abbildung zeigt auch, dass für alle unterschiedlichen Abstrahlwinkel ein Nebenkeulenpegel von weniger als 15 dB erreicht wird, was einen weiteren Vorteil der vorgeschlagenen Struktur darstellt.

Das Strahlungsmuster des Geräts in der UV-Ebene, wenn verschiedene speisende Nanoantennen ausgewählt werden. Die Strahlsteuerung ist in dieser Abbildung deutlich dargestellt.

(a) 2D-Strahlungsmuster des Geräts bei \({\theta }_{o}={38}^{\circ}\), für verschiedene Speiseantennen. (b) Realisierte Strahlungsgenauigkeit, die erreicht wird, wenn verschiedene speisende Nanoantennen ausgewählt werden. Beide Abbildungen zeigen die Ergebnisse bei der Betriebswellenlänge von 1550 nm.

Genauigkeit der vorgeschlagenen Methode zum Erreichen der gewünschten Strahlungswinkel (\({\theta }_{o}={38}^{\circ}, \, {\varphi }_{o}=[14{0}^{\ circ},\, 16{0}^{\circ},\,18{0}^{\circ}, \, 20{0}^{\circ}, \, 22{0}^{\circ} ]\)) ist in Abb. 10b dargestellt. Diese Abbildung zeigt den Unterschied zwischen der gewünschten Richtung und der erreichten Richtung. Wie in dieser Abbildung gezeigt, ist der Unterschied für beide \({\theta }_{o}, {\varphi }_{o}\) kleiner als \({1}^{\circ}\), was ein sehr gutes Beispiel darstellt Genauigkeit für das vorgeschlagene Gerät. Ein vorgeschlagenes Herstellungsverfahren für das vorgeschlagene Gerät ist in Abb. 11 dargestellt. Wie in dieser Abbildung gezeigt, umfasst das Herstellungsverfahren drei Schritte zur Herstellung der Metaoberfläche, der Nanoantennen, des schaltbaren Leistungsteilers und schließlich der Vorspannungsschaltung. Wie in dieser Abbildung dargestellt, kann das vorgeschlagene Gerät mit Standard-Nanofertigungstechniken hergestellt werden.

Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren für die vorgeschlagene Struktur. (a–d) veranschaulichen den Herstellungsprozess der vorgeschlagenen Metaoberfläche: (a) Metaoberflächenschichten (Ag, SiO2, Si und erneut Ag) werden auf dem Substrat abgeschieden. (b) Die obere Ag-Schicht wird strukturiert, um Elementarzellen der zu bilden Metaoberfläche mittels Elektronenstrahllithographie (EBL) und Plasmaätzen (c) Die SiO2-Schicht wird abgeschieden, um die Zwischenräume zwischen den Elementarzellen zu füllen. (d) Auflösen des Resists in einem Lösungsmittel und Entfernen der überschüssigen Materialien. (e–n) Veranschaulichung des Herstellungsprozesses der vorgeschlagenen Nanoantennen, des Schalters und des Teilers: (e) Die SiO2-Schicht wird auf der hergestellten Metaoberfläche abgeschieden. (f) EBL- und Plasmaätzverfahren werden angewendet, um die Struktur für die gewünschte Form von Nanoantenne, Teiler und Schalter vorzubereiten. (g) Die 150 nm dicke Siliziumschicht und eine 10 nm dicke SiO2-Schicht werden abgeschieden. (h) Auflösen des Resists in einem Lösungsmittel und Entfernen des überschüssigen Si und SiO2. (i) Graphen mit der Katalysatorschicht wird auf die SiO2-Schicht übertragen. (j) Der Laserstrahl erzeugt Muster in der Katalysatorschicht und ermöglicht die Strukturierung der Graphenschicht. (k) Die 10 nm dicken SiO2- und 100 nm dicken Ag-Schichten werden abgeschieden. (l) EBL- und Plasmaätzverfahren werden angewendet, um die Ag- und SiO2-Materialien zu strukturieren und so Nanoantennen, Teiler und Schalter herzustellen. (m) Die Platin- und Goldschichten werden abgeschieden. (n) EBL- und Plasmaätzverfahren werden angewendet, um die Au- und Pt-Schichten zu strukturieren und die Vorspannungsschaltung des schaltbaren Leistungsteilers zu erzeugen.

Um die Fähigkeit der vorgeschlagenen Methode zu veranschaulichen, erweitert zu werden, um einen schmaleren Strahl und eine höhere Auflösung bei der Strahllenkung zu erreichen, berichten wir hier über die Ergebnisse für ein Gerät mit 23 speisenden Nanoantennen, deren Standorte mithilfe von () optimiert wurden. 5). Für diesen Entwurf werden die Metaoberflächenabmessungen als \(39\times 39 \mu {m}^{2}\) angenommen und die optimalen Elementarzellen werden ausgewählt, um einen minimalen Phasenfehler zu erreichen, der mit (6) berechnet wird. Die resultierenden Strahlungsmuster, berechnet mit der Fourier-Transformationsmethode56, sind in Abb. 12a dargestellt. Wie in dieser Abbildung gezeigt, wird die Strahllenkung für Winkel im Bereich von \(-{45}^{\circ}:{45}^{\circ}\) mit 23 Schritten erreicht. Darüber hinaus zeigen diese Ergebnisse, dass in der erweiterten Version des Geräts eine Strahlbreite halber Leistung von \({5}^{\circ}\) erreicht wird. Abbildung 12b zeigt die Genauigkeit des Strahlungsmusters und verdeutlicht die hohe Genauigkeit der vorgeschlagenen Methode.

(a) 2D-Strahlungsmuster der erweiterten Version des Geräts mit 23 speisenden Nanoantennen. (b) Realisierte Strahlungsgenauigkeit, die für die erweiterte Version des Geräts erreicht wird, wenn verschiedene speisende Nanoantennen ausgewählt werden.

Es wurde ein neues integriertes optisches Strahllenkungsgerät vorgeschlagen und untersucht. Das vorgeschlagene Gerät besteht aus einer Metalinse, die von fünf schaltbaren Nanoantennen beleuchtet wird, die alle in ein SiO2-Medium integriert sind. Um eine hohe Genauigkeit in der Richtung der abgestrahlten Strahlen, niedrige Nebenkeulenpegel (SLL) und geringe Schwankungen der Strahlungsintensität zu erreichen, wurden analytische Algorithmen entwickelt und verwendet, um die Position der versorgenden Nanoantennen und auch der Elementarzellen, aus denen sie bestehen, zu optimieren Meta-Objektiv. Numerische Vollwellensimulationsergebnisse zeigten, dass das Gerät eine Richtwirkung von besser als 15 dBi für alle fünf Strahlungswinkel im Sichtfeld von 100 Grad, eine Strahlungswinkelgenauigkeit von besser als einem Grad und einen SLL von besser als 15 dB aufweist. Eine erweiterte Version des vorgeschlagenen Geräts mit 23 speisenden Nanoantennen wurde ebenfalls entworfen und analysiert. Die Ergebnisse der erweiterten Version des Geräts zeigten außerdem eine hohe Genauigkeit und geringe Schwankungen der Strahlungsintensität, was die Eignung der Entwurfsmethodik für die Verwendung bei erweiterten Geräten verdeutlicht. Das vorgeschlagene Gerät kann in vielen optischen Anwendungen eingesetzt werden, von optischen Kommunikationssystemen mit mehreren Fokussierungen bis hin zu hochintegrierten LIDAR-Systemen.

Um die Leistung der gesamten Struktur zu analysieren, wurde eine numerische 3D-Vollwellensimulation mit der CST-Software60 durchgeführt und dafür der unidirektionale Simulationsaufbau verwendet. In dieser Simulation wurde die vorgeschlagene Struktur im SiO2-Hintergrund platziert und die Randbedingungen wurden als Open-Add-Space (Modellierung der Strahlungsbedingungen) definiert. Die Simulation wurde in zwei Schritten durchgeführt. Im ersten Schritt wurden die Nanoantennen und der auf Graphen basierende schaltbare Leistungsteiler mithilfe eines Wellenleiteranschlusses angeregt und die Struktur mithilfe der Finite-Elemente-Methode analysiert. Im zweiten Schritt wurde die Metalinse mit dem Strahlungsmuster des elektrischen Feldes beleuchtet, das aus den Ergebnissen des ersten Schritts erzielt wurde. In diesem Teil wurde das gesamte Strahlungsmuster des Geräts mithilfe der Momentenmethode extrahiert.

Der während der aktuellen Studie verwendete und/oder analysierte Datensatz ist auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Vahid Ghaffari & Leila Yousefi

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VG führte Berechnungen und Simulationen sowie die Analyse durch. LY leitete die Forschung. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Leila Yousefi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

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Eingegangen: 18. Januar 2023

Angenommen: 21. April 2023

Veröffentlicht: 02. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33939-w

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