CN112003649A - 一种基于表面等离子体激元的广角光接收器 - Google Patents

一种基于表面等离子体激元的广角光接收器 Download PDF

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张又文
廖述京
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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，接收器本体，所述接收器本体的顶部开口，所述接收器本体内设有与所述开口连通的接收腔；所述接收腔的腔底设有透射小孔和围绕所述透射小孔分布的若干条第一环状凹槽，若干条所述第一环状凹槽的半径沿所述透射小孔至所述接收腔的腔壁的方向依次增大；所述接收腔的腔壁上布设有若干条第二环状凹槽，若干条所述第二环状凹槽的半径沿所述接收腔的底部至所述开口的方向依次增大。本发明实施例提供的基于表面等离子体激元的广角光接收器，通过设计广角光接收器的亚波长结构并基于不同的中心波长确定各个参数的最优值，增大响应角度和光增益，提高广角性能。

Description

一种基于表面等离子体激元的广角光接收器
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其是涉及一种基于表面等离子体激元的广角光接收器。
背景技术
自由空间光通信相对于传统的通信方式来说具有很多优点，例如，具有更高的数据传输率、保密性强、无需申请频率、抗电磁干扰能力强等，是卫星大容量通信的最佳解决方案之一。目前自由空间光通信中，一般采用增加扫描系统、非扫描方式的多元检测阵列、角度分集技术等方式来扩大接收机的角度响应范围，但这些方式存在不少缺点，如扫描的方式会受到系统扫描速率的影响，难以实现快速的响应，多元检测阵列的视场角会受到前置的光学系统和光电检测器件的限制，角度分集技术可以实现大角度的视场接收，甚至可以达到180°，但角度分集接收机实现起来是比较复杂，限制了其实际的应用。
由于光和亚波长的金属结构相互作用会产生异常透射增强的现象，获得高增益的接收，为自由空间光通信的广角接收器提供了新的设计方向。最早利用表面等离子体激元设计的高性能的光探测器是著名的“牛眼”结构(参考文献：Analysis of thetransmission process through single apertures surrounded by periodiccorrugations)。但是基于表面等离子体激元的“牛眼”结构并不具备良好的广角性能，目前利用表面等离子体激元来设计的自由光通信广角接收器，仍然存在响应角度窄、增益不大的缺点。
发明内容
本发明提供一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，以解决现有的自由光通信广角接收器响应角度窄、增益小的技术问题，通过设计广角光接收器的亚波长结构并基于不同的中心波长确定各个参数的最优值，增大响应角度和光增益，提高广角性能。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，包括接收器本体，所述接收器本体的顶部开口，所述接收器本体内设有与所述开口连通的接收腔；
所述接收腔的腔底设有透射小孔和围绕所述透射小孔分布的若干条第一环状凹槽，若干条所述第一环状凹槽的半径沿所述透射小孔至所述接收腔的腔壁的方向依次增大；
所述接收腔的腔壁上布设有若干条第二环状凹槽，若干条所述第二环状凹槽的半径沿所述接收腔的底部至所述开口的方向依次增大。
在本发明的其中一种实施例中，所述透射小孔为宽度a、深度t、孔身垂直于所述腔底所处的平面中心的柱形孔。
在本发明的其中一种实施例中，所述第一环状凹槽的个数为2*N1，所述第二环状凹槽的个数为2*N2，其中，N1、N2均为大于0的正整数。
在本发明的其中一种实施例中，所述透射小孔的中心与其相邻的所述第一环状凹槽的中心的直线距离为d，位于所述接收腔的腔壁最底部的所述第二环状凹槽与其相邻的所述第一环状凹槽之间的距离为b。
在本发明的其中一种实施例中，若干所述第一环状凹槽在所述接收腔的底部的分布周期为L1；若干所述第二环状凹槽在所述接收腔的腔壁的分布周期为L2。
在本发明的其中一种实施例中，L1＝λSPP，L2＝nλSPP，λSPP＝λ0/nSPP；
其中，λSPP为SPP波长，λ0为入射波长，nSPP为介质对SPP波的有效折射率，n>0。
在本发明的其中一种实施例中，所述第二环状凹槽的深度为h，宽度为W，其中，W的取值范围为(0.5λSPP，0.6λSPP)，h/W的取值范围的取值范围为(0.3，0.5)。
在本发明的其中一种实施例中，所述接收器本体的材质包括，但不限于金属、半导体。
在本发明的其中一种实施例中，所述接收器本体的顶部设有用于盖合所述开口的透光部。
在本发明的其中一种实施例中，当所述广角光接收器适用于1550nm波长时，所述广角光接收器的参数为：
所述透射小孔的深度为t＝1000nm，所述透射小孔的宽度为a＝50nm；
所述第二环状凹槽的深度为h＝345nm，宽度为W＝862nm；
所述透射小孔的中心与其相邻的所述第一环状凹槽的中心的直线距离为d＝1800nm，位于所述接收腔的腔壁最底部的所述第二环状凹槽与其相邻的所述第一环状凹槽之间的距离为b＝1000nm；
所述第一环状凹槽的个数为10，所述第二环状凹槽的个数为12；
若干所述第一环状凹槽在所述接收腔的底部的分布周期为L1＝λSPP＝1540nm，若干所述第二环状凹槽在所述接收腔的腔壁的分布周期为L2＝2λSPP＝3080nm。
综上，本发明实施例提供一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，包括接收器本体，所述接收器本体的顶部开口，所述接收器本体内设有与所述开口连通的接收腔；所述接收腔的腔底设有透射小孔和围绕所述透射小孔分布的若干条第一环状凹槽，若干条所述第一环状凹槽的半径沿所述透射小孔至所述接收腔的腔壁的方向依次增大；所述接收腔的腔壁上布设有若干条第二环状凹槽，若干条所述第二环状凹槽的半径沿所述接收腔的底部至所述开口的方向依次增大。将广角接收器设计为亚波长碗状结构，单个结构的接收广角性能高达±60°，并且比目前表面等离子体光接收器具有更高增益性能。该自由空间光通信的广角接收器能够直接接收来自各个方向的光信号，减少目前APT系统设计的复杂度。
附图说明
图1是本发明实施例中的基于表面等离子体激元的广角光接收器的平面截面图；
图2是本发明实施例中的基于表面等离子体激元的广角光接收器的三维截面图；
其中，说明书附图中的附图标记如下：
1、接收器本体；2、透射小孔；3、第一环状凹槽；4、第二环状凹槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1至图2，本发明优选实施例提供了一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，包括接收器本体1，接收器本体1的顶部开口，接收器本体1内设有与开口连通的接收腔；
接收腔的腔底设有透射小孔2和围绕透射小孔2分布的若干条第一环状凹槽3，若干条第一环状凹槽3的半径沿透射小孔2至接收腔的腔壁的方向依次增大；
接收腔的腔壁上布设有若干条第二环状凹槽4，若干条第二环状凹槽4的半径沿接收腔的底部至开口的方向依次增大。
在本实施例中，广角光接收器为亚波长碗状结构，材质采用金、银贵金属或半导体等，其他部分为透光材料或者空气。广角光接收器的参数的最优质值与接收光的中心波长有关，如如对于光通信中常用的1550nm和1310nm波长，其对于最优值是不一样的，具体设计如下：
透射小孔2的宽度a、深度t、孔身垂直于腔底所处的平面中心。
第一环状凹槽3的个数为2*N1，第二环状凹槽4的个数为2*N2，其中，N1、N2均为大于0的正整数。
透射小孔2的中心与其相邻的第一环状凹槽3的中心的直线距离为d，位于接收腔的腔壁最底部的第二环状凹槽4与其相邻的第一环状凹槽3之间的距离为b。
若干第一环状凹槽3在接收腔的底部的分布周期为L1；若干第二环状凹槽4在接收腔的腔壁的分布周期为L2。
L1＝λSPP，L2＝nλSPP，λSPP＝λ0/nSPP；其中，λSPP为SPP波长，λ0为入射波长，nSPP为介质对SPP波的有效折射率，n>0。
第二环状凹槽4的深度为h，宽度为W，其中，W的取值范围为(0.5λSPP，0.6λSPP)，h/W的取值范围的取值范围为(0.3，0.5)。
接收器本体1的材质包括，但不限于金属、半导体。
接收器本体1的顶部设有用于盖合开口的透光部。
通过采用理论计算和对整个结构进行有限元数值计算仿真，可以得到各个参数的最优值。
作为示例性的，当广角光接收器适用于1550nm波长，其他地方填充物是空气时，广角光接收器的参数为：
透射小孔2的结构参量要满足类法布里-珀罗(Febry-Perot，F-P)腔共振条件，经数值模拟计算后得到透射小孔2的深度为t＝1000nm，透射小孔2的宽度为a＝50nm。
针对1550nm的波长，通过有限元数值计算仿真可以得到，单个第二环状凹槽4最有效激发表面等离子体激元时的结构参量——第二环状凹槽4的深度为h＝345nm，宽度为W＝862nm。
透射小孔2的中心与其相邻的第一环状凹槽3的中心的直线距离为d＝1800nm，位于接收腔的腔壁最底部的第二环状凹槽4与其相邻的第一环状凹槽3之间的距离为b＝1000nm。
根据实验和理论研究表明，垂直光入射下，水平部分(腔底)结构的异常透射增强来自耦合型表面等离子体极化波(surface plasmon polaritons，SPP)，其对入射光波的角度敏感，对波长不敏感。则结构凹槽阵列的最优周期为一个SPP波长。即L1＝λSPP，λSPP＝λ0/nSPP，其中λSPP为SPP波长，λ0为入射光波长，nSPP为介质对SPP波的有效折射率。当凹槽宽w处于0.5λSPP～0.6λSPP之间、凹槽深度与宽度的比值h/w＝0.4左右时，能有效地激发SPP波。若干第一环状凹槽3在接收腔的底部的分布周期为L1＝λSPP＝1540nm，若干第二环状凹槽4在接收腔的腔壁的分布周期为L2＝2λSPP＝3080nm。
倾斜部分的异常透射增强特性取决于干涉效应和SPP单向传播增强效应。通过理论计算可以得到倾斜部分的凹槽周期结构参量L2＝2λSPP＝3080nm和倾斜角θ＝30°。
通过有限元数值计算仿真可以知道水平部分的第一环状凹槽3的个数2*N1和倾斜部分的第二环状凹槽4个数2*N2；透射小孔2离第一个第一环状凹槽3距离d；倾斜部分的第一个第二环状凹槽4与水平部分连接处的距离b等参数也会对接收器的广角响应性能和透射增益性能有影响，因此通过仿真发现在1550nm的波长下，b＝1000nm，d＝1800nm，N1＝5，N2＝6(第一环状凹槽3的个数为10，第二环状凹槽4的个数为12)的情况下接收器的广角响应性能和透射增益性能最佳。
综上，本发明实施例提供一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，包括接收器本体1，包括接收器本体1，接收器本体1的顶部开口，接收器本体1内设有与开口连通的接收腔；接收腔的腔底设有透射小孔2和围绕透射小孔2分布的若干条第一环状凹槽3，若干条第一环状凹槽3的半径沿透射小孔2至接收腔的腔壁的方向依次增大；接收腔的腔壁上布设有若干条第二环状凹槽4，若干条第二环状凹槽4的半径沿接收腔的底部至开口的方向依次增大。将广角接收器设计为亚波长碗状结构，单个结构的接收广角性能高达±60°，并且比目前表面等离子体光接收器具有更高增益性能。该自由空间光通信的广角接收器能够直接接收来自各个方向的光信号，减少目前APT系统设计的复杂度。
对于自由空间光通信的接收机来说，接收的广角性能是一个重要的指标。具有很好广角性能的光接收机可以大大简化APT系统的设计。本发明的基于表面等离子体激元的广角光接收器具有很好广角度响应性能，在±60°的射入光的情况下都具有很好的增益响应，比现有的自由空间光通信的光接收器的光接收范围大。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，包括接收器本体，所述接收器本体的顶部开口，所述接收器本体内设有与所述开口连通的接收腔；
所述接收腔的腔底设有透射小孔和围绕所述透射小孔分布的若干条第一环状凹槽，若干条所述第一环状凹槽的半径沿所述透射小孔至所述接收腔的腔壁的方向依次增大；
所述接收腔的腔壁上布设有若干条第二环状凹槽，若干条所述第二环状凹槽的半径沿所述接收腔的底部至所述开口的方向依次增大。
2.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，所述透射小孔为宽度a、深度t、孔身垂直于所述腔底所处的平面中心的柱形孔。
3.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，所述第一环状凹槽的个数为2*N1，所述第二环状凹槽的个数为2*N2，其中，N1、N2均为大于0的正整数。
4.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，所述透射小孔的中心与其相邻的所述第一环状凹槽的中心的直线距离为d，位于所述接收腔的腔壁最底部的所述第二环状凹槽与其相邻的所述第一环状凹槽之间的距离为b。
5.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，若干所述第一环状凹槽在所述接收腔的底部的分布周期为L1；若干所述第二环状凹槽在所述接收腔的腔壁的分布周期为L2。
6.如权利要求5所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，L1＝λSPP，L2＝nλSPP，λSPP＝λ0/n SPP；
其中，λSPP为SPP波长，λ0为入射波长，n SPP为介质对SPP波的有效折射率，n>0。
7.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，所述第二环状凹槽的深度为h，宽度为W，其中，W的取值范围为(0.5λSPP，0.6λSPP)，h/W的取值范围的取值范围为(0.3，0.5)。
8.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，所述接收器本体的材质包括，但不限于金属、半导体。
9.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，所述接收器本体的顶部设有用于盖合所述开口的透光部。
10.如权利要求1所述的基于表面等离子体激元的广角光接收器，其特征在于，当所述广角光接收器适用于1550nm波长时，所述广角光接收器的参数为：
所述透射小孔的深度为t＝1000nm，所述透射小孔的宽度为a＝50nm；
所述第二环状凹槽的深度为h＝345nm，宽度为W＝862nm；
所述透射小孔的中心与其相邻的所述第一环状凹槽的中心的直线距离为d＝1800nm，位于所述接收腔的腔壁最底部的所述第二环状凹槽与其相邻的所述第一环状凹槽之间的距离为b＝1000nm；
所述第一环状凹槽的个数为10，所述第二环状凹槽的个数为12；
若干所述第一环状凹槽在所述接收腔的底部的分布周期为L1＝λSPP＝1540nm，若干所述第二环状凹槽在所述接收腔的腔壁的分布周期为L2＝2λSPP＝3080nm。
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