CN117795777A - 波导、波束调控装置、波束调控方法和制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种波导，包括：具有长方体形状的金属壳体的一个侧面设置有开口；容纳在金属壳体中的慢波介质；分别位于金属壳体的两端、穿过金属壳体插入到慢波介质中的馈电探针；覆盖金属壳体的开口的包括多个缝隙的缝隙板；布置在缝隙板上的多个二极管和多个光电探测器，多个二极管、多个光电探测器以及多个缝隙一一对应，每个二极管横跨对应的缝隙，并且每个二极管的负极与所述金属壳体电连接，正极与对应的光电探测器电连接。本公开还涉及包括该波导的波束调控装置、应用于该波束调控装置的波束调控方法，以及一种用于光电探测器的制造方法，该光电探测器可应用于该波导。

Description

波导、波束调控装置、波束调控方法和制造方法 技术领域

本公开涉及可重构天线领域，具体而言，涉及一种波导和包括该波导的波束调控装置，并且还涉及一种可应用于该波束调控装置的波束调控方法，以及一种光电探测器的制造方法。

背景技术

对于无线通信系统而言，天线起着关键的作用，其特性甚至可以直接决定整个无线通信系统的特性好坏。随着科技的发展，人们对天线性能的要求也越来越高。除了对传统的增益、极化等传统指标的高要求以外，很多时候还要求天线具有低剖面、重量轻、易于共形等特性。全息天线的概念来源于光学全息原理，其原理为：通过目标波和参考波干涉形成干涉表面，再由参考波照射干涉表面反演得到目标波。由于超材料的出现，使得在微波波段实现全息天线成为可能。全息天线作为一种高增益天线，能同时满足低剖面、轻重量、加工简单、成本低廉、易于共形等要求，因而，非常具有发展潜力。

此外，近代天线的一个重要方面是可重构性，其能够大大提高天线的复用性，减少天线系统的成本和复杂度。例如，如果全息天线采用了可重构单元，拥有了可重构性，则一个全息表面就可以实现波束扫描、多波束综合、极化重构等多种功能，其应用潜力非常大。

然而，传统的全息天线大多采用方形或圆形金属贴片单元，一旦结构固定就无法改变，无法实现可重构。另外，由于全息天线的单元众多，一些情形中可高达甚至几百上千个，使得对每个单元实施动态调控的过程十分困难。

发明内容

根据本公开的第一个方面，提供了一种波导，包括：金属壳体，所述金属壳体具有长方体的形状，并且所述金属壳体的一个侧面中设置有开口，所述开口的面积小于所述侧面的面积；慢波介质，所述慢波介质的折射率大于1，被容纳在所述金属壳体内，具有长方体的形状，并且所述金属壳体的各个内表面与所述慢波介质的对应的表面接触； 两个馈电探针，所述两个馈电探针分别位于所述金属壳体的两端，每一个馈电探针穿过所述金属壳体插入到所述慢波介质中；缝隙板，所述缝隙板覆盖所述金属壳体的开口，与所述慢波介质贴合，并且所述缝隙板被布置成在所述慢波介质的一侧形成包括多个缝隙的金属层；布置在所述缝隙板上的多个二极管，所述多个二极管与所述多个缝隙一一对应，每一个二极管被布置成横跨所述对应的缝隙，并且每一个二极管的负极与所述金属壳体电连接；布置在所述缝隙板上的多个光电探测器，所述多个光电探测器与所述多个二极管一一对应，每一个光电探测器与对应的二极管的正极电连接。

根据本公开的一些示例性实施例，所述多个二极管中的每一个二极管是PIN二极管。

根据本公开的一些示例性实施例，所述多个光电探测器中的每一个光电探测器包括光电转换模块，所述光电转换模块包括：基底，所述基底被配置成进行支撑并且引出所生成的电流；热电转换层，所述热电转换层位于所述基底上，并且被配置成将所接收的热转换成电；传热层，所述传热层位于所述热电转换层上，并且被配置成将所接收的热传导至所述热电转换层；光热转换层，所述光热转换层位于所述传热层上，并且被配置成吸收入射光并将其转换成热。

根据本公开的一些示例性实施例，在光电转换模块中：所述基底由硅形成；所述热电转换层由氮化铝形成；所述传热层由金形成；所述光热转换层包括多个纳米银粒子。

根据本公开的一些示例性实施例，所述多个纳米银粒子中的每一个银纳米粒子具有长方体的形状，所述长方体的顶面和底面均为边长在45nm至65nm的范围中的正方形，高度在50nm至80nm的范围中。

根据本公开的一些示例性实施例，多个光电探测器中的每一个光电探测器还包括光学透镜模块，所述光学透镜模块被配置成对入射光束进行聚集，以生成聚焦在所述光电转换模块的光热转换层上的聚焦光束。

根据本公开的一些示例性实施例，所述光学透镜模块包括超透镜结构，并且所述超透镜结构包括：透明的圆盘形基底；布置在所述圆盘形基底的表面上的多个纳米柱，每一个纳米柱由二氧化钛制成，具 有圆柱形状，高度为600nm，直径在40nm至200nm的范围中，其中，从所述圆盘形基底的圆心到边缘，所述多个纳米柱中各纳米柱的直径逐渐变小。

根据本公开的一些示例性实施例，从所述圆盘形基底的圆心到边缘，所述多个纳米柱中各纳米柱的直径以抛物线形式逐渐变小。

根据本公开的一些示例性实施例，所述缝隙板包括透明基底和形成在所述透明基底的第一侧上的包括所述多个缝隙的金属层，所述金属层贴合所述慢波介质，所述多个二极管和所述多个光电探测器被布置在所述透明基底的与所述第一侧相反的第二侧上。

根据本公开的一些示例性实施例，所述透明基底由玻璃形成。

根据本公开的一些示例性实施例，所述缝隙板是包括所述多个缝隙的金属板。

根据本公开的一些示例性实施例，所述慢波介质由聚四氟乙烯形成。

根据本公开的一些示例性实施例，该波导还包括至少一个支撑柱，所述至少一个支撑柱在所述金属壳体的与所述开口相对的一侧，穿过所述金属壳体并抵接所述慢波介质。

根据本公开的一些示例性实施例，所述多个缝隙被布置成沿所述缝隙板的长边的延伸方向以直线形式排列的一行缝隙，每一个缝隙的长度L、宽度W、以及所述多个缝隙的周期距离P，通过以下等式确定：L＝(λ _g/5)～(λ _g/2)，W＝L/10，P＝(λ _g/5)～(λ _g/3)，λ _g＝λ/neff，其中，λ _g为电磁波在所述波导中的传输波长，λ是所述电磁波的输入波长，neff是所述波导的慢波介质的等效折射率，并且，各缝隙沿缝隙的长度的延伸方向彼此平行。

根据本公开的一些示例性实施例，所述多个缝隙被布置成沿所述缝隙板的长边的延伸方向以直线形式排列的一行缝隙，每一个缝隙的长度为5.1mm，宽度为0.5mm，所述多个缝隙的周期距离为3.9mm，并且各缝隙沿缝隙的长度的延伸方向彼此平行。

根据本公开的第二个方面，提供了一种波束调控装置，包括：根据本公开的第一个方面及其各示例性实施例所述的波导；光控装置，包括：包括多个发光二极管的发光二极管阵列，其中，所述多个发光二极管与所述多个光电探测器一一对应；控制器，其被配置成独立地 控制所述发光二极管阵列中每一个发光二极管的点亮和关闭，并且还被配置成响应于所接收的二进制数形式的控制信号，点亮对应的发光二极管，以照射对应的光电探测器。

根据本公开的第三个方面，提供了一种波束调控方法，其应用于根据根据本公开的第二个方面所述的波束调控装置，包括：获取所述二进制数形式的控制信号；响应于所述控制信号，点亮所述多个发光二极管中对应的发光二极管。

根据本公开的第四个方面，提供了一种用于光电探测器的制造方法，所述光电探测器被应用于根据本公开的波导，所述制造方法包括：在第一基底上形成热电转换层；在所述热电转换层上形成传热层；在所述传热层上形成光热转换层；在第二基底上沉积二氧化钛层；对所述二氧化钛层进行图案化以生成包括多个纳米柱的超透镜结构；利用光学粘合剂将所述超透镜结构与所述光热转换层粘合在一起。

附图说明

下面将结合附图对本公开的具体实施例进行详细的描述，以便能够对本公开的更多细节、特征和优点具有更加充分的认识和理解；在附图中：

图1a以立体图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种波导的结构；

图1b示出了图1a中所示的波导沿其纵轴线进行剖切所得到的纵截面剖视图；

图1c是图1a中的A部分的电路原理示意图；

图2根据本公开的一些示例性实施例，示意性地示出了图1a和图1b所示的波导中的光电探测器的结构；

图3根据本公开的一些示例性实施例，示意性地示出了图2所示的光电探测器中的光电转换模块的一种结构；

图4a根据本公开的一些示例性实施例，进一步示意性地示出了图3所示的光电转换模块的细节；

图4b、图4c和图4d以仿真图的形式，示意性地显示了图4a所示的光电转换模块中包括纳米银粒子的光热转换层对入射光的吸收效果；

图5根据本公开的一些示例性实施例，示意性地示出了图2所示的光电探测器中的光学透镜模块的一种结构；

图6根据本公开的一些示例性实施例，示意性地示出了图5所示的光学透镜模块中纳米柱的一种分布模式；

图7根据本公开的另一些示例性实施例，示意性地示出了图5所示的光学透镜模块中纳米柱的一种分布模式；

图8以仿真图的形式，示意性地显示了具有图7所示的纳米柱分布模式的光学透镜模块的聚焦效果；

图9以框图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种波束调控装置的结构；

图10示出了根据本公开的示例性实施例的一种光控装置以及该光控装置中的发光二极管被点亮时的情形；

图11示意性地示出了对图10所示的光控装置进行的控制以及波导中各缝隙对应的情形；

图12以流程图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种波束调控方法；

图13以仿真图的形式示意性地示出了对三个角度的波束指向的控制；

图14示意性地示出了图13所示的三个角度的波束指向对应的Smith圆图；

图15以流程图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种用于光电探测器的制造方法。

图16示意性地示出了制造根据本公开的示例性实施例的一种光电探测器的工艺流程。

应理解的是，附图中显示的内容都仅仅是示意性的，因此其不必按照比例进行绘制。此外，在全部附图中，相同或相似的特征由相同或相似的附图标记指示。

具体实施方式

下面的描述提供了本公开的各示例性实施例的特定细节，以便本领域的技术人员能够充分理解和实施根据本公开的技术方案。

参见图1a和图1b，它们共同示意性地示出了根据本公开的示例性 实施例的一种波导的结构。图1a是波导100的立体图，图1b是沿波导100的纵轴线进行剖切的纵截面剖视图。如图所示，波导100包括：金属壳体110、慢波介质120、两个馈电探针130、包括多个缝隙150的缝隙板140、多个二极管160、多个光电探测器170、以及多个支撑柱180。

金属壳体110具有长方体的形状，长方体形状的金属壳体110的一个侧面设置有开口，该开口的面积小于金属壳体110的设有开口的侧面的面积。应理解的是，在本公开中，对于一个长方体，术语“侧面”是指该长方体中平行于其纵轴线的表面，术语“端面”是指该长方体中垂直于其纵轴线的表面。金属壳体110可以由任何合适的、具有高导电率的金属制成。作为非限制性示例，金属壳体110可以由铝或者铜制成。慢波介质120被容纳在金属壳体110内，也具有长方体的形状，并且金属壳体110的各个内表面与慢波介质120的对应的表面接触。慢波介质120用于降低电磁波在波导100中的传播速度，以使电磁波在波导100中的传播更加稳定，因此，其可以由折射率大于1的材料制成。作为非限制性示例，慢波介质120可以由聚四氟乙烯形成(即，PTFE)形成。两个馈电探针130分别位于金属壳体110的两端，每一个馈电探针130穿过金属壳体110并且插入到慢波介质120中，其中，一个馈电探针130用于将电磁波输入到慢波介质120中，并且另一个馈电探针130用于电磁波从慢波介质120中输出。应理解的是，图1b中示出的是馈电探针130从金属壳体110的与开口相对的一侧穿过金属壳体110并插入到慢波介质120中。然而，应理解的是，图1b所示的馈电探针130的这种布置仅仅是示例性的，并非是限制性的。在本公开的另一些示例性实施例中，馈电探针130也可以从金属壳体110的其他侧面或者端面穿过金属壳体110并插入慢波介质120中。本公开对馈电探针130在金属壳体110的端部以何种形式穿过金属壳体110并插入慢波介质120不作任何限制，只要它们分别在波导100的两端用于电磁波的输入和输出便可。

缝隙板140覆盖金属壳体110中的开口，并且与慢波介质120的对应表面接触，由此，缝隙板140布置成在慢波介质120的上方形成包括多个缝隙150的金属层。在图1b所示的示例性实施例中，缝隙板140可以包括透明基底140-1和形成在透明基底140-1的第一侧上的包 括多个缝隙150的金属层140-2。如图1b所示，透明基底140的第一侧是其邻近慢波介质120的一侧，其第二侧是与第一侧相反并且远离慢波介质120的一侧。在图1b所示的情形中，多个二极管160和多个光电探测器170被布置在透明基底140-1的第二侧上，这将在下文中详细描述。在本公开的一些示例性实施例中，透明基底140-1可以由玻璃形成。金属层140-2可以由任何合适的、具有高导电率的金属形成。作为非限制性示例，金属层140-2可以由铝、铜或银形成。应理解的是，图1b所示的缝隙板140的结构仅仅是示例性的，并非是限制性的。根据本公开的另一些示例性实施例，缝隙板140也可以是包括多个缝隙150的金属板。因此，本公开对缝隙板140的具体结构不作任何限制，只要其能够被布置成在慢波介质120的上方形成包括多个缝隙150的金属层便可。在图1a和图1b所示的示例性实施例中，缝隙板140上的多个缝隙150被布置成沿着波导100的纵长方向以直线形式排列的一行，并且各缝隙150沿缝隙的长度的延伸方向彼此平行。然而，多个缝隙150的这种布置仅仅是示例性的，并非是限制性的。在本公开的另一些示例性实施例中，根据实际所需的缝隙分布图案，多个缝隙150也可以被排列成两行或更多行，或者可以以其他图案模式进行排列。

根据本公开，在波导100中，缝隙150的长度L、宽度W、以及并且多个缝隙150的周期距离P可以根据如下等式来确定：L＝(λ _g/5)～(λ _g/2)，W＝L/10，P＝(λ _g/5)～(λ _g/3)，λ _g＝λ/neff，其中，λ _g为电磁波在波导100中的传输波长，λ是该电磁波的输入波长，neff是波导100中的慢波介质120的等效折射率。需要说明的是，多个缝隙150的周期距离是指相邻两个缝隙150的相同侧边(例如，图1a和图1b中相邻两个缝隙150的相同长边)之间的距离。在一些示例性实施例中，波导100的缝隙150的长度L可以为5.1mm，宽度W可以为0.5mm，并且多个缝隙150的周期距离可以为3.9mm。应理解的是，从上述等式可知，根据实际应用中电磁波的工作频段，缝隙150的长度、宽度以及周期距离均可以进行相应的调整。

多个二极管160和多个光电探测器170都被布置在缝隙板140上，如图1b所示，布置在缝隙板140的第二侧上。多个二极管160与多个缝隙150一一对应，并且每一个二极管被布置成在对应的缝隙150的 长边的大致中间位置处横跨该对应的缝隙150。每一个二极管160的负极均接地，例如，电连接到波导100的金属壳体110。多个光电探测器170与多个二极管160一一对应，并且每一个光电探测器170与对应的二极管160的正极电连接。参见图1c，其显示了图1a中的A部分的电路原理，图1a中的A部分包括缝隙板140上的一个缝隙150及其对应的二极管160和光电探测器170。如图1c所示，二极管160被布置成在对应的缝隙150的长边的大致中间位置处(该位置并非必需的，更偏向一侧的位置也是可能的)横跨该对应的缝隙150，二极管160的负极接地(例如，波导100的金属壳体110)，二极管160的正极与对应的光电探测器170电连接。应理解的是，二极管160可以是任何合适的二极管，作为非限制性示例，二极管160可以是正-本征-负二极管(即，PIN二极管)。在本公开的另外一些示例性实施例中，二极管160也可以采用肖特基二极管。本公开对二极管的具体类型不作任何限制。

如图1b所示，波导100还包括至少一个支撑柱180。至少一个支撑柱180在金属壳体110的与其开口相对的一侧穿过金属壳体110并抵接慢波介质120。支撑柱180用于对慢波介质120施加一定的力，以使其能够与缝隙板140保持接触。然而，应该理解的是，支撑柱180并不是必需的。在本公开的另一些示例性实施例中，波导100也可以不包括支撑柱180。

在波导100的应用过程中，当光电探测器170未被光照时，二极管160处于断开状态，从而使得波导100中传输的电磁波的能量能够从该缝隙150中辐射出；而当光电探测器170被用于驱动的光控装置照射时，光电探测器170吸收入射光并生成相应的电流提供给二极管160，该电流可作为用于二极管160的电调控信号，其使二极管160从断开状态转变为导通状态，使得电流经由二极管160横跨缝隙150流过，由此，使得波导100中传输的电磁波的能量无法从该缝隙150中辐射出。因此，根据本公开的示例性实施例的波导100能够仅仅通过光控来实现对波导100中的多个缝隙150的缝隙分布图案的动态调控，从而能够相应地实现对缝隙辐射能量的动态调谐，而无需在波导100上另外进行布线以连接相应的电平控制器或电路，由此，大幅度简化了波导的结构及其控制方式。此外，根据本公开的示例性实施例的波导100通过对多个缝隙150的动态调控，能够实现对缝隙辐射能量的 动态调谐，由此，在波束调控过程中，能够通过在波导阵面上进行不同位置缝隙辐射能量的大小控制实现波束的不同指向，从而提升了波束赋形特性。因此，根据本公开的示例性实施例的波导100具有可重构特性。

参见图2，其以框图的形式示意性地示出了根据本公开的一种光电探测器的结构，该光电探测器可以被应用于图1a和图1b中所示的波导100中。如图2所示，光电探测器170可以包括光电转换模块170-1和光学透镜模块170-2。光电转换模块170-1用于吸收入射光，并将吸收的入射光转变为电信号，即，可用于对应的二极管160的电调控信号。光学透镜模块170-2用于对入射光束进行聚集，以生成聚焦在光电转换模块170-1的光热转换层上的聚焦光束，从而提升对入射光的收集效果。光学透镜模块170-2可以具有任何合适的结构，包括但不限于，超透镜结构、微透镜阵列等等，本公开对光学透镜模块170-2的具体结构不作限制。此外，应理解的是，图2所示的光电探测器的结构仅仅是示例性的，并非是限制性的。根据本公开的另一些示例性实施例，光电探测器可以只包括光电转换模块170-1，而没有光学透镜模块170-2。

参见图3，其根据本公开的一些示例性实施例，示意性地示出了图2所示的光电探测器中的光电转换模块的结构。如图3所示，光电转换模块170-1包括：基底170-1a、热电转换层170-1b、传热层170-1c和光热转换层170-1d。基底170-1a用于支撑其余各层，并且还用于输出所生成的电流。热电转换层170-1b位于基底170-1a上，用于实现所接收的热到电的转换。传热层170-1c位于热电转换层170-1b上，用于将所接收的热向下传导给热电转换层170-1b。光热转换层170-1d位于传热层170-1c上，用于对入射光进行强吸收，并将光转化成热。由此，光电转换模块170-1能够吸收入射光，并相应地生成可用作电调控信号的电流。在一些示例性实施例中，基底170-1a可以由硅形成，热电转换层170-1b可以由氮化铝形成，传热层170-1c可以由具有高导热性的金属(例如，金、银、铝等等)形成，光热转换层170-1d可以包括多个纳米银粒子171-1e。纳米银粒子171-1e可以对入射光进行强吸收，以将其转换成热，这在下文将详细描述。

参见图4a，其根据本公开的一些示例性实施例，进一步示意性地 示出了图3所示的光电转换模块的细节。图4a所示的光电转换模块的结构与与图3所示的光电转换模块的结构相似，差别仅在于图4a中示出了银纳米粒子170-1e的形状。因此，下面将仅就该差别进行描述，其余方面不再赘述。如图4a所示，光电转换模块170-1包括的多个银纳米粒子170-1e中的每一个均具有长方体的形状，该长方体的顶面和底面均为边长在45nm至65nm的范围中的正方形，并且该长方体的高度在50nm至80nm的范围中。

参见图4b、图4c和图4d，它们分别是示意性地显示了图4a所示的光电转换模块中包括纳米银粒子的光热转换层对入射光的吸收效果的仿真图。如图4b所示，其显示了图4a的光电转换模块中的单个纳米银粒子170-1e对入射光的吸收效果的仿真结果。从该图中可以看到，单个纳米银粒子170-1e对入射光具有较强的吸收，尤其是在图4b显示的z轴为0nm的位置，即纳米银粒子170-1e与传热层170-1c的结合处，由于传热层170-1c(一般由金、银或铝形成)的强反射特性以及无透射特性，因此存在对入射光的强烈吸收。因此，单个纳米银粒子与基底构成的结构具有完美吸收特性。此外，如图4c所示，其显示了包括纳米银粒子170-1e的光热转换层170-1d对不同波长的入射光的吸收效果的仿真结果。如该图所示，图4a所示的包括纳米银粒子170-1e的光热转换层170-1d对波长大约540nm的光几乎能够全部吸收。最后，如图4d所示，其显示了包括纳米银粒子170-1e的光热转换层170-1d对以不同入射角度照射的入射光的吸收效果的仿真结果。如该图所示，对于入射角度θ从0°(垂直入射)到±60°倾斜角的情况下，包括纳米银粒子170-1e的光热转换层170-1d的吸收率基本保持不变，并且一直接近完美吸收，由此，能够降低光照角度变化带来的问题，从而极大地提升了光吸收的效率。

参见图5，其根据本公开的一些示例性实施例，示意性地示出了图2所示的光电探测器中的光学透镜模块的一种结构。如图5所示，光学透镜模块170-2包括超透镜结构，其能够对入射光进行聚焦，以将其汇聚成位于光电转换模块的光热转换层170-1d上的聚焦光斑，由此，能够将入射光的能量尽可能多地聚焦在光热转换层170-1d上，从而大大提升了对入射光的光束收集能力。因此，包括超透镜结构的光学透镜模块170-2基于平面层的构造实现了类似凸透镜的聚焦效果。光学透镜 模块170-2包括基底170-2a，该基底具有圆盘形状并且是透明的，光学透镜模块170-2还包括布置在基底170-2a的表面上的多个纳米柱170-2b。每一个纳米柱170-2b由二氧化钛制成，具有圆柱形状，高度为600nm，直径在40nm至200nm的范围中。

多个纳米柱170-2b在基底170-2a可以具有一定的分布模式，以实现光学透镜模块170-2所需的整体相位分布。参见图6，其示意性地示出了多个纳米柱在基底上的一种分布模式。如图6所示，从圆盘形的基底170-2a的圆心到边缘，多个纳米柱170-2b中各纳米柱的直径逐渐变小。也就是说，越靠近圆盘形的基底170-2a的圆心，纳米柱170-2b的直径越大，越靠近圆盘形的基底170-2a的边缘，纳米柱170-2b的直径越小。图6中的图示内容清楚地显示了这种分布。

参见图7，其示意性地示出了多个纳米柱在基底上的另一种分布模式。如图7所示，从圆盘形的基底170-2a的圆心到边缘，多个纳米柱170-2b中各纳米柱170-2b的直径以抛物线形式逐渐变小。图7中的视图(a)显示了各纳米柱170-2b的半径相对于其在圆盘形的基底170-2a中的位置的关系，其中，在圆心处(即，图7中的视图(a)中位置为0μm处)的纳米柱170-2b的半径最大，从该圆心处到边缘，各纳米柱170-2b的半径以抛物线形式逐渐变小。图7中的视图(b)显示了，基于视图(a)所示的纳米柱170-2b的半径分布，光学透镜模块170-2的整体相位分布情况。应理解的是，图7中的视图(b)中的坐标x和y对应的是图5中所示的坐标x和y。

参见图8，其以仿真图的形式，示意性地显示了具有图7所示的纳米柱分布模式的光学透镜模块的聚焦效果。图8分别示出了具有图7所示的纳米柱分布模式的光学透镜模块对蓝光、绿光、红光各自的聚焦效果，例如，其分别在xz平面和xy平面中的光斑形状，以焦点处的场强。从这些仿真图可见，该光学透镜模块能够实现对入射光的很好的聚焦效果。由此，具有图7所示的纳米柱分布模式的光学透镜模块基于平面层的构造实现了类似凸透镜的聚焦效果。此外，应理解的是，图8的各视图中的坐标x、y和z对应的是图5中所示的坐标x、y和z。

参见图9，其以框图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种波束调控装置的结构。如图9所示，波束调控装置300包 括前面根据图1a、图1b描述的波导100、以及光控装置310。光控装置310包括发光二极管阵列320和控制器330。发光二极管阵列320包括多个发光二极管，其中，多个发光二极管与波导100中的多个光电探测器170一一对应。应理解的是，任何合适类型的发光二极管都可以用于形成发光二极管阵列320，本公开对发光二极管的具体类型不作任何限制。控制器330被配置成独立地控制发光二极管阵列320中每一个发光二极管的点亮和关闭，并且还被配置成响应于所接收的二进制数形式的控制信号，点亮对应的发光二极管，以照射对应的光电探测器170。参见图10，其示出了根据本公开的示例性实施例的一种光控装置，以及该光控装置中的发光二极管被点亮时的情形。在图10所示的光控装置中，多个发光二极管沿直线排成一行，并且可在控制器的控制下发光。该光控装置可用于对图1a、图1b所示的波导100进行光控。此外，参见图11，其示意性地示出了对图10所示的光控装置进行的控制以及波导中各缝隙的对应情形。如图11所示，光控装置310的控制器接收二进制数形式的控制信号，例如图中所示的二进制数“0101110……”。该二进制数的每一位对应于发光二极管阵列320中的一个发光二极管。在图11所示的情形中，“0”表示对应的发光二极管被点亮，“1”表示对应的发光二极管被关闭。当发光二极管被点亮时，对应的二极管160导通，使得电流横跨缝隙150流过，当发光二极管关闭时，对应的二极管160关断，此时没有电流横跨缝隙150流过。在图11的下方视图中显示了基于二进制数形式的控制信号，波导100中各缝隙150的情形，其中，对应于被点亮的发光二极管的缝隙150无法辐射能量，而对应于被关闭的发光二极管的缝隙150能够辐射能量。

波束调控装置300基于全息原理，从而能够通过在波导阵面上进行不同位置缝隙辐射能量的大小控制，以实现对波束的不同指向的控制。

根据全息原理，目标波的波函数可以被表示如下：

其中，r表示波导阵面距离目标波源的距离，θ ₀是目标波的指向相对于水平面的角度，即俯仰角， 是目标波的指向在水平面中的偏转 角度。

参考波的波函数可以表示如下：

因此，利用全息原理，可以获得阵面的干涉图案如下：

利用幅度采样函数进行分析如下：

其中， 表示了阵面的干涉图案的幅度。

将以上幅度采样代入以下公式，可以计算远场辐射方向图：

上述的式6和式7中，μ ₀是空气磁导率，a _f是衰减量，D _s是周期缝隙之间的间距，A _c是矩形波导在传输方向上的横截面面积，Re{η}表示波阻抗的实部。

基于获得的远场辐射方向图，可以进行二值采样，由此，可以获得对应的二进制数(即，0和1)。该二进制数可以作为控制信号提供给光控装置310的控制器330，用于控制发光二极管阵列320中多个发光二极管的点亮和关闭。相应地，光控装置310对波导100进行光控，从而控制对应的二极管160的导通和关断，从而实现对各缝隙150能否辐射能量的控制，最终实现对波束的不同指向的控制。也就是说，利用全息原理结合二值法，算法计算出不同的缝隙分布图案，将获得的二进制数作为控制信号输入光控装置310，利用对应的光照在波导 100上实现该缝隙分布图案，从而实现对波束指向的控制。

参见图12，其以流程图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种波束调控方法，该波束调控方法可以被应用于图9所示的波束调控装置300。如图12所示，波束调控方法500包括步骤510和520：

在步骤510中，获取所述二进制数形式的控制信号；

在步骤520中，响应于所述控制信号，点亮所述多个发光二极管中对应的发光二极管。

波束调控方法500可以应用于图9所示的波束调控装置300，因此，当基于二进制数形式的控制信号，点亮多个发光二极管中对应的发光二极管时，波束调控装置300中的波导100被相应的光照驱动，使得其包括的多个缝隙150会具有相应的打开(即，允许辐射能量)和关闭(禁止辐射能量)状况以生成相应的缝隙分布图案，从而能够实现对波束的不同指向的控制。

参见图13，以仿真图的形式示意性地示出了对三个角度的波束指向的控制。如前面已经详细描述的，利用全息原理结合二值法，算法计算出不同的缝隙分布图案，可以获得与不同波束指向对应的二进制数，该二进制数可以作为控制信号提供给光控装置，以实现对波导中缝隙的控制，从而实现对波束指向的控制。在图13所示的仿真图中，利用HFSS对不同缝隙能量强弱分布进行仿真获得以下三个指向角：-30°、0°和30°，波导上的缝隙为单行直线排列且总数为64个。对于每一个角度，二进制数的前10位分布如下：11001001100……、0111001110……、0000111110……(具体的二进制数可参见图13中对应的视图)。仿真的三个辐射方向图分别如图13中的三个视图所示。

参见图14，其示意性地示出了图13所示的三个指向角的波束指向下对应的Smith圆图。如图14所示，在与三个指向角对应的Smith圆图中，各自的图形均集中在圆图的中心区域。这表示根据本公开的原理设计的波导在该三个指向角处实现了在该特定频率范围的端口阻抗完美匹配，从而保证了高效的输入能量。

参见图15，其以流程图的形式示意性地示出了根据本公开的示例性实施例的一种用于光电探测器的制造方法，该光电探测器例如是如图2所示的光电探测器170，因此，可应用于根据本公开的波导。如图 15所示，制造方法700包括步骤710、720、730、740、750和760：

在步骤710中，在第一基底上形成热电转换层；

在步骤720中，在所述热电转换层上形成传热层；

在步骤730中，在所述传热层上形成光热转换层；

在步骤740中，在第二基底上沉积二氧化钛层；

在步骤750中，对所述二氧化钛层进行图案化以生成包括多个纳米柱的超透镜结构；

在步骤760中，利用光学粘合剂将所述超透镜结构与所述光热转换层粘合在一起。

应理解的是，制造方法700中的步骤710、720、730用于制造光电转换模块，例如光电转换模块170-1，制造方法700中的步骤740、750用于制造光学透镜模块，例如光电透镜模块170-2，其包括超透镜结构。根据本公开的一些示例性实施例，第一基底可以由硅形成，热电转换层可以由氮化铝形成，传热层由可以金形成，光热转换层可以包括多个纳米银粒子。此外，传热层也可以由银或铝形成，只要其具有良好的导热性便可。第二基底也可以由硅形成。在步骤760中，光学粘合剂可以是聚甲基丙烯酸甲酯(即，PMMA)。然而应理解的是，任何合适的光学粘合剂都可以被用于根据本公开的制造方法中，本公开对光学粘合剂的具体类型不作任何限制。

参见图16，其示意性地示出了制造根据本公开的示例性实施例的一种光电探测器的工艺流程。利用该工艺流程制造的光电探测器对应于图2所示的光电探测器，其包括光学透镜模块和光电转换模块。如图16所示，为了制造光学透镜模块，在硅基底的表面上利用原子层沉积工艺(即ALD)形成二氧化钛层，然后利用旋涂工艺在二氧化钛层的表面形成光阻剂层(即PR层)，最后利用纳米压印工艺(即NIL)和感应耦合等离子刻蚀工艺(即ICP)，在二氧化钛层中进行图案化以形成多个纳米柱，由此，制成光学透镜模块；为了制造光电转换模块，在硅+氮化铝基底上利用电子束蒸镀工艺形成金层，然后通过在氮气中侵旋、清洗、干燥(即，点旋涂工艺)，以在金层上形成多个纳米银粒子，由此，制成光电转换模块；最后，利用PMMA将光电转换模块的点旋涂有银纳米粒子的一侧与光学透镜模块的包括多个纳米柱的一侧粘合在一起，由此，制成光电探测器。应理解的是，通过图16的工艺 流程制成的光电探测器可应用于根据本公开的各示例性实施例的波导，例如，图1a和图1b中示出的波导100。

本文中使用的术语仅用于描述本公开中的实施例，并不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。还要理解的是，术语“包括”和“包含”当在本公开中使用时，是指所述及的特征的存在，但不排除一个或多个其他特征的存在或者添加一个或多个其他特征。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合。将理解的是，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用来描述各种特征，但是这些特征不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个特征与另一个特征相区分。

应理解的是，本公开中采用的诸如“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”之类的方位术语，其描述的方位应以附图中显示的方位布置为参考，除非本公开中另外具有明确的定义。

除非另有定义，本公开中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。还要理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本公开中明确地如此定义。

在本公开的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点被包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本公开中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本公开中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

应理解的是，在流程图中表示或在此以其他方式描述的方法的各个步骤仅仅示例性的，并不意味着所图示或描述的方法的步骤必须按照所示或所述的步骤执行。相反，在流程图中表示或在此以其他方式描述的方法的各个步骤可以按照与本公开中不同的顺序被执行，或者 可以同时被执行。此外，根据需要，在流程图中表示或在此以其他方式描述的方法还可以包括其他附加的步骤。

尽管已经结合一些示例性实施例详细地描述了本公开，但是其不旨在被限制于在本文中所阐述的特定形式。相反，本公开的范围仅由所附权利要求来限定。

Claims (18)

1. 一种波导，包括：

   金属壳体，所述金属壳体具有长方体的形状，并且所述金属壳体的一个侧面中设置有开口，所述开口的面积小于所述侧面的面积；

   慢波介质，所述慢波介质的折射率大于1，被容纳在所述金属壳体内，具有长方体的形状，并且所述金属壳体的各个内表面与所述慢波介质的对应的表面接触；

   两个馈电探针，所述两个馈电探针分别位于所述金属壳体的两端，每一个馈电探针穿过所述金属壳体插入到所述慢波介质中；

   缝隙板，所述缝隙板覆盖所述金属壳体的开口，与所述慢波介质贴合，并且所述缝隙板被布置成在所述慢波介质的一侧形成包括多个缝隙的金属层；

   布置在所述缝隙板上的多个二极管，所述多个二极管与所述多个缝隙一一对应，每一个二极管被布置成横跨所述对应的缝隙，并且每一个二极管的负极与所述金属壳体电连接；

   布置在所述缝隙板上的多个光电探测器，所述多个光电探测器与所述多个二极管一一对应，每一个光电探测器与对应的二极管的正极电连接。
2. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个二极管中的每一个二极管是PIN二极管。
3. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个光电探测器中的每一个光电探测器包括光电转换模块，所述光电转换模块包括：

   基底，所述基底被配置成进行支撑并且引出所生成的电流；

   热电转换层，所述热电转换层位于所述基底上，并且被配置成将所接收的热转换成电；

   传热层，所述传热层位于所述热电转换层上，并且被配置成将所接收的热传导至所述热电转换层；

   光热转换层，所述光热转换层位于所述传热层上，并且被配置成吸收入射光并将其转换成热。
4. 根据权利要求3所述的波导，其中：

   所述基底由硅形成；

   所述热电转换层由氮化铝形成；

   所述传热层由金形成；

   所述光热转换层包括多个纳米银粒子。
5. 根据权利要求4所述的波导，其中，所述多个纳米银粒子中的每一个银纳米粒子具有长方体的形状，所述长方体的顶面和底面均为边长在45nm至65nm的范围中的正方形，高度在50nm至80nm的范围中。
6. 根据权利要求3所述的波导，其中，多个光电探测器中的每一个光电探测器还包括光学透镜模块，所述光学透镜模块被配置成对入射光束进行聚集，以生成聚焦在所述光电转换模块的光热转换层上的聚焦光束。
7. 根据权利要求6所述的波导，其中，所述光学透镜模块包括超透镜结构，并且所述超透镜结构包括：

   透明的圆盘形基底；

   布置在所述圆盘形基底的表面上的多个纳米柱，每一个纳米柱由二氧化钛制成，具有圆柱形状，高度为600nm，直径在40nm至200nm的范围中，其中，从所述圆盘形基底的圆心到边缘，所述多个纳米柱中各纳米柱的直径逐渐变小。
8. 根据权利要求7所述的波导，其中，从所述圆盘形基底的圆心到边缘，所述多个纳米柱中各纳米柱的直径以抛物线形式逐渐变小。
9. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述缝隙板包括透明基底和形成在所述透明基底的第一侧上的包括所述多个缝隙的金属层，所述金属层贴合所述慢波介质，所述多个二极管和所述多个光电探测器被布置在所述透明基底的与所述第一侧相反的第二侧上。
10. 根据权利要求9所述的波导，其中，所述透明基底由玻璃形成。
11. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述缝隙板是包括所述多个缝隙的金属板。
12. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述慢波介质由聚四氟乙烯形成。
13. 根据权利要求1所述的波导，还包括至少一个支撑柱，所述至少一个支撑柱在所述金属壳体的与所述开口相对的一侧，穿过所述金属壳体并抵接所述慢波介质。
14. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个缝隙被布置成沿所述缝隙板的长边的延伸方向以直线形式排列的一行缝隙，每一个缝隙的长度L、宽度W、以及所述多个缝隙的周期距离P，通过以下等式确定：

    L＝(λ _g/5)～(λ _g/2),

    W＝L/10,

    P＝(λ _g/5)～(λ _g/3),

    λ _g＝λ/neff，

    其中，λ _g为电磁波在所述波导中的传输波长，λ是所述电磁波的输入波长，neff是所述波导的慢波介质的等效折射率，并且各缝隙沿缝隙的长度的延伸方向彼此平行。
15. 根据权利要求1所述的波导，其中，所述多个缝隙被布置成沿所述缝隙板的长边的延伸方向以直线形式排列的一行缝隙，每一个缝隙的长度为5.1mm，宽度为0.5mm，所述多个缝隙的周期距离为3.9mm，并且各缝隙沿缝隙的长度的延伸方向彼此平行。
16. 一种波束调控装置，包括：

    根据权利要求1至15中任一项所述的波导；

    光控装置，包括：

    包括多个发光二极管的发光二极管阵列，其中，所述多个发光二极管与所述多个光电探测器一一对应；

    控制器，其被配置成独立地控制所述发光二极管阵列中每一个发光二极管的点亮和关闭，并且还被配置成响应于所接收的二进制数形式的控制信号，点亮对应的发光二极管，以照射对应的光电探测器。
17. 一种波束调控方法，其应用于根据权利要求16所述的波束调控装置，包括：

    获取所述二进制数形式的控制信号；

    响应于所述控制信号，点亮所述多个发光二极管中对应的发光二极管。
18. 一种用于光电探测器的制造方法，所述光电探测器被应用于根据权利要求7所述的波导，所述制造方法包括：

    在第一基底上形成热电转换层；

    在所述热电转换层上形成传热层；

    在所述传热层上形成光热转换层；

    在第二基底上沉积二氧化钛层；

    对所述二氧化钛层进行图案化以生成包括多个纳米柱的超透镜结构；

    利用光学粘合剂将所述超透镜结构与所述光热转换层粘合在一起。