切り替え可能なナノアンテナと反射メタレンズを使用した統合光ビームステアリングデバイス

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7099 (2023) この記事を引用

756 アクセス

12 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この論文では、反射メタレンズと 5 つの切り替え可能なナノアンテナを組み合わせて、標準通信波長 1550 nm で光ビームステアリングを提供する集積光学デバイスを提案します。 この目的のために、グラフェンベースの切り替え可能な電力分配器が設計され、ナノアンテナと統合され、デバイスに入る光の流れを制御します。 放射ビームのより高い角度精度を達成するために、新しいアルゴリズムが提案され、反射メタレンズに従って給電ナノアンテナの位置を最適化するために利用されます。 ビームが空間内で回転するときの光強度の変動を最小限に抑えるために、エンジニアリングされたメタレンズに最適な単位セルを選択するアルゴリズムが開発されました。 デバイス全体は、電磁全波シミュレーションを使用して数値解析され、ビーム方向の高精度 (1 度以上) と放射光強度の低い変動 (1 dB 未満) による光ビームステアリングを示します。 提案された統合デバイスは、チップ間およびチップ内の光相互接続、光無線通信システム、高度な統合 LIDAR などの多くのアプリケーションに使用できます。

光ナノアンテナは、マイクロおよびナノメートルの寸法で光プロファイルを制御するように設計されたデバイスです1、2、3、4。 光を制御するその能力は、光無線通信システム 5、6、7、8、プラズモニック バイオセンサー 9、サブ波長イメージング機器 10、11、12、さらには太陽電池内の光トラップ 13、14 など、さまざまな用途に使用できます。 ビームステアリング機能と呼ばれるナノアンテナの放射パターンの動的制御は、前述のアプリケーション、特に認証 15、光通信 6、ホログラフィー 16、イメージング 17 および LIDAR 18、19 に使用する場合に、より高い柔軟性を提供できます。

光ビームステアリングを実現するには、フェーズアレイアンテナ20、21、22、23、漏洩波アンテナ27、28、29、30、31、32、および調整可能なユニットセルを備えたメタサーフェス33、34、35、36、37、38を含むさまざまな方法が必要です。これまで提案されてきました。 しかし、これまでに開発された技術にはいずれも独自の限界と欠点があり、そのため光ビームステアリングを実現するための新しい技術や方法の開発が継続的な研究の流れになっています。

ビーム走査を行うためにマイクロ波領域で広く使用されているフェーズド アレイ アンテナは、各アンテナ素子に接続された調整可能な移相器によってビームが制御される一連の同一の光ナノ アンテナで構成されています。 狭いビーム幅、広いビーム走査、および高解像度は、光フェーズド アレイ アンテナの利点です。 ただし、調整が遅い移相器20、大きな寸法20、21、22、23、および高レベルの煩わしいローブ22、23などのいくつかの制限と欠点により、その用途が制限されます。 リューネブルグレンズ 24 またはロットマンレンズ 25 を備えた統合構造は位相シフターを必要とせず、広い走査範囲にわたってビームステアリングを可能にします。 ただし、損失が高く、製造が複雑であるという問題があります24、25、26。

別のアプローチでは、漏洩波構造を使用して寸法を削減し、移相器の必要性を排除します。 これらの構造は、シングルトーン グループとマルチトーン グループに分類できます。 マルチトーン漏洩波アンテナでは、ビームの回転は、高価で高帯域幅のレーザーへのアクセスを必要とする放射波長を変更することによって実現されます27、28、29、30。 ただし、シングルトーン構造は、単一波長にわたる屈折率の変化に基づいて動作します。 この方法では、屈折率は主に熱的に変化するため、低速な技術になります 31,32。 さらに、漏洩波アンテナの他の欠点として、狭い視野 (FOV) と高損失が考えられます 27、28、29、30、31、32。

放射ビームを制御する別の方法は、調整可能なメタサーフェスを使用することです33、34、35、36、37、38。 メタサーフェスは、それぞれが特定の反射振幅と位相を提供する一連のナノ アンテナで構成されるメタマテリアルの 2 次元バージョンです。 二酸化バナジウム (VO2)33,34、インジウムスズ酸化物 (ITO)35,36、相変化材料 (PCM)37,38 などの調整可能な材料をメタサーフェスの構築に使用すると、その応答を動的に制御できます。 ビームステアリングに使用される調整可能なメタサーフェスは、狭い放射線ビーム、広い FOV、および比較的高速なステアリングを提供します。 ただし、メタサーフェスの構築に使用される各単位セルは個別に調整する必要があるため、これらの構造の複雑さとコストが増加します 33、34、35、36、37、38。 この問題を克服するために、マイクロ波 57,58,59 および光学 49,50,51,52,53,54,55 領域で動作するレンズベースの構造が導入されました。

上述の課題に対処するために、この論文では、ナノアンテナのアレイ、グラフェンベースの切り替え可能なパワーディバイダー、および反射メタサーフェスを組み合わせて光ビームステアリングを提供する統合デバイスを提案します。 すべての要素は二酸化ケイ素媒体内に統合されており、\(10.2\times 16.3\times 6.5 \, \upmu {\text{m}}^{3}\) の寸法を持つコンパクトなデバイスを形成します。 この構造は、標準的なナノテクノロジー技術で製造できるように設計されています。 ビームステアリングは、グラフェンシートの化学ポテンシャルを制御する印加電圧に基づいて動作する、設計され最適化されたグラフェンベースの切り替え可能な電力分配器によって実現される給電ナノアンテナを切り替えることによって提供されます。 ビームステアリングは電子的に実現されるため、このデバイスは放射線ビームを機械的または熱的に制御する設計や方法と比較して高速になります。 この設計で使用されるメタサーフェスは調整できないため、製造と制御の複雑さを避けるために、最も困難な部分の 1 つは、異なる給電ナノ アンテナに異なる適切な位相を同時に提供するユニット セルを設計することでした。 この課題に対処するために、ホログラフィー技術を使用して必要な位相を計算し、適切な位相誤差関数を定義することで、定義された関数を最小化するナノアンテナへの給電に最適な位置を選択する新しい方法が提案されています。 全体の構造は数値的に解析され、電磁全波シミュレーションを使用してその性能が調査されます。 このシミュレーションの結果は、以前に報告された研究と比較した場合、設計された放射角度の高精度、低いサイドローブレベル、およびビームステアリングを実行する際の放射パワー強度の低い変動など、設計された構造のいくつかの利点を示しています。

論文の構成は以下の通りです。 まず、提案する構造を示し、その動作原理を説明します。 論文のこの部分では、デバイスを構成するコンポーネントであるナノアンテナ、メタ表面ユニットセル、グラフェンベースのスイッチについて個別に説明し、それらの性能を 1 つずつ数値的に調査します。 さらに、メタ表面ユニットセルから必要な位相を計算し、結果として生じる位相誤差を最小限に抑えるために給電ナノアンテナの最適な位置を見つけるために使用されるアルゴリズムについて説明します。 次に、提案されたビームステアリング装置全体を数値解析し、ビームステアリングに使用した場合の結果を提示して議論します。 その部分では、より高い解像度とより狭いビームを達成するために提案された構造を拡張できるかどうかも調査されます。 最後に、最後のセクションで本稿を締めくくります。

提案された統合型ビームステアリングデバイスを図1に示します。この図に示すように、設計された構造は、グラフェンベースの光スイッチに接続された5つのナノアンテナと統合されたメタサーフェスベースのレンズで構成されています。 構造全体の寸法は \(10.2\times 16.3\times 6.5 \, \upmu {\text{m}}^{3}\) で、背景素材として機能する二酸化ケイ素の内部に組み込まれています。 このデバイスは、標準的なナノテクノロジー製造技術を使用して製造できるように設計されています。 メタレンズは、2 つの銀層の間に挟まれたシリコン層と SiO2 層から構成される \(17\times 17\) プラズモニック単位セルで構成されています。

(a) 斜視図 (b) 反射メタレンズ、給電ナノアンテナ、およびグラフェンベースの切り替え可能な電力分割器で構成される、提案されたビームステアリングデバイスの側面図。 寸法スケールは比例していません。 \({W}_{m}=9.6 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Agu}^{M}=20 \, {\text{nm}}, \, {t}_{Agd}^{M}=50 \, {\text{nm}}, \, {t}_{{SiO}_{2}}^{M}=100 \, {\text{ nm}}, \, {t}_{Si}^{M}=10 \, {\text{nm}},{W}_{f}=10.1 \, \upmu {\text{m}}, \, {Z}_{f}=6.05 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Ag}^{F}=100 \, {\text{nm}}, \, {{t}_{{SiO}_{2}}^{F}=20 \, {\text{nm}}, t}_{Si}^{F}=150 \, {\text{nm} }\)。

デバイスから出てくる放射ビームは、主に反射性メタサーフェス ベースのレンズによって提供されます。 このメタレンズは、ナノアンテナによって照射された入射光を整形し、所望の方向に放射を提供します。 メタレンズは、異なるフィードで照明されたときに異なる方向に放射線を提供するように設計されています。 したがって、ビームステアリングは、放射されたナノアンテナの中から選択することによって提供されます。 この選択は、制御可能なグラフェンベースの電力分割器 (図 1 を参照) を使用し、その構築に使用されるグラフェン層に適切な電圧を印加することで実現されます。 まず、入射光はグラフェンベースの切り替え可能な電力分割器に入り、スイッチに印加される調整可能な電圧に従って、関連するナノアンテナに電力を供給する 5 つの出力ポートの 1 つに導かれます。 スイッチによって供給される選択されたナノアンテナは、通常通り空間に光を放射します。 放射された光はアンテナの前に設置されたメタレンズに照射され、レンズによって特定の方向に反射されます。 以下では、提案された構造の各コンポーネントについてさらに詳しく説明します。

高精度のビームステアリングを実現するために、メタレンズと給電ナノアンテナの位置はホログラフィー法を使用して設計されています39、40、41、42、43、44、45、46、47、48。 古典的なホログラフィー法では、一方の光源によって生成される入射波と物体の散乱から得られるもう一方の波がホログラム上で干渉し、その干渉パターンが写真フィルムに記録されます48。 次に、参照波でフィルムを照射すると、元の物体波のコピーが散乱します。 ホログラム上の干渉パターンには、次の 48 に比例する項が含まれています。

ここで、 \({\psi }_{i}\) は入射波、 \({\psi }_{o}\) は物体波、 \(H\) は目的のホログラム パターンです。 記録されたホログラムが入射波で照らされると、ホログラムからの散乱波は \(H\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right) を与えます。 .{\psi }_{i}\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)={\psi }_{o}\left( {x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|{\psi }_{i}^{2}\left({x}^{^{\ prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|\) これはオブジェクト wave のコピーです。 メタレンズの設計にホログラフィー技術を使用する場合、\({\psi }_{i}\) はメタレンズに入射する光を表し、\(H\) は提供されるメタレンズの応答を表します。単位セルの適切な設計により、(\({\psi }_{o}\)) は目的の反射パターンを表します。

この設計では、入射波 \({\overline{\psi }}_{i}\) は給電ナノ アンテナによって決定されます。 したがって、入射波と散乱波の TM 偏光を仮定すると、\({\overline{\psi }}_{i}\) は次のように書くことができます。

ここで、 \({A}_{i}\) はメタレンズへの入射波の振幅、 \({k}_{0}\) は自由空間の波数、 \({\overline{ R} }_{i}\) は、メタレンズの中心とナノアンテナの位置を結ぶベクトルであり、\({\overline{R} }_{i}={R}_{ i}\mathrm{sin}{\theta }_{i}cos{\varphi }_{i} \widehat{x}+ {R}_{i}\mathrm{sin}{\theta }_{i} sin{\varphi }_{i} \widehat{y}+ {R}_{i}\mathrm{cos}{\theta }_{i} \widehat{z}\)、および \({\overline{ R} }^{^{\prime}}={x}^{^{\prime}}\widehat{x}+{y}^{^{\prime}}\widehat{y}\) はベクトルですメタレンズの中心を各単位セルに接続します。 上記の関係において、\({\theta }_{i}\)、\({\varphi }_{i}\) はそれぞれ入射波の球面仰角と方位角です。

一方、目的の方向の出力パターンであるオブジェクト波 \({\bar{\psi }}_{o}\) は次のように記述できます。

ここで、 \({A}_{o}\) は出力波の振幅であり、遠方界ベクトル \({\overline{R} }_{o}\) は \({\widehat{R} }_{o}=\mathrm{sin}{\theta }_{o}cos{\varphi }_{o} \widehat{x}+ \mathrm{sin}{\theta }_{o}sin{\ varphi }_{o} \widehat{y}+ cos{\theta }_{o} \widehat{z}\)、ただし \({\theta }_{o}\)、\({\varphi } _{o}\) 放射されるビームの方向を決定します。 最後に、(1) ～ (3) を組み合わせると、メタレンズによって提供される望ましい位相は次のように導出されます。

ここで、 \(\varphi \left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)\) は、次によって提供される必要があるメタレンズ上の望ましい位相です。設計された単位セル。 式として (4) が示すように、メタサーフェスによって提供される位相は \({R}_{i}\)、ナノアンテナの位置、および \({\theta }_{o}\)、\( {\varphi }_{o}\)、放射されるビームの方向。 一方、私たちの設計では、給電ナノアンテナを切り替えることによってビーム走査が提供されます。 したがって、放射線ビームごとに \({\theta }_{o}\)、\({\varphi }_{o}\)、\({R}_{i}\) が変化し、その結果、メタ表面上の位相プロファイルですが、メタ表面は調整可能ではないため、その位相は動的に変化しません。 この課題に対処するために、給電アンテナと放射ビームが変化するときのメタサーフェス上の位相変化を表す誤差関数を定義し、給電ナノアンテナの位置を最適化することでこの関数を最小化します。 この目的のために、中心に位置するナノ アンテナの位相変化が基準として選択され、他の給電ナノ アンテナの位置 (\({R}_{i},{\theta }_{i }\)、\({\varphi }_{i}\)) は、(\({R}_{ir},{\theta }_{ir}) にある基準アンテナとの位相差が最小になるように最適化されます。 \)、\({\varphi }_{ir}\))。 簡単にするために、パラメータ \({R}_{i},{\theta }_{i}\) はすべての給電ナノアンテナに対して固定されていると仮定します (\({R}_{i}=7.68\mu) m,{\theta }_{i}={38}^{\circ}\) ) として、 \({\varphi }_{i}\) の最適値のみを探します。 最小化する必要がある誤差関数は次のように定義されます。

ここで、 \({N}_{x}, {N}_{y}\) は、それぞれ \(x,y\) 方向のメタサーフェス要素の数を表します。 基準アンテナは x 軸 (\({\varphi }_{ir}={0}^{\circ}\)) 上に位置し、他のアンテナの入射角は (\({\varphi }_{i}\) )) は、コスト関数を最小化し、位相変動誤差を最小限に抑えることによって計算されます。 5 つの方位角 (\({\varphi }_{o}=[14{0}^{\circ},16{0}^{\circ},18{0}^{\circ}) でのビーム切り替えの場合,20{0}^{\circ},22{0}^{\circ}]\))、最適な位置が計算され、その結果が図 2b に \({\varphi }_{i) として示されています。 }=[-43.{9}^{\circ},-21.{2}^{\circ},{0}^{\circ},21.{2}^{\circ},43.{ 9}^{\circ}]\)。 式に示すように。 (1) ～ (4) のように、メタサーフェスを操作して、目的の遠方界放射パターンを得ることができます。 ここで、放射パターンの目標は、20°の半値ビーム幅と - 20 dBc より優れたサイドローブ レベルを達成することでした。 この目標を達成するために、重要なパラメータの 1 つはメタサーフェスのサイズです。 一般に、放射素子 (ここではメタサーフェス) のサイズを大きくするとビームが狭くなりますが、同時にサイドローブ レベルも増加します。 したがって、ここにはトレードオフがあります。 ファーフィールド パターンの前述の目標を達成するために、メタサーフェスの寸法を最適化し、\(10.2\times 10.2 \, \upmu {\text{m}}^{2}\) または \(17 \times 17\) 設計されたメタサーフェスの単位セル。 (4) を使用して、このメタレンズ上の望ましい位相が計算され、結果が図 2a に示されています。

(a) 基準ナノアンテナが励起されるときのメタレンズ上の望ましい位相、(b) \(z=6.05 \, \upmu {\text{m}}\ における給電ナノアンテナの最適な位置) ） 飛行機。

放射線強度の変動を最小限に抑えて均一なビーム整形を達成することは、ビームステアリング用途のメタレンズを設計する際の最も重要な課題の 1 つです。 この課題の背後にある理由は、メタサーフェス上の位相と振幅の変化が給電アンテナごとに異なるため49、50、51、52、53、最適なユニット セルの選択が各給電アンテナの望ましい反射位相間のトレードオフになるためです。 。 この問題を解決するために、ここでは重み付きテーパ単位セル選択に基づく新しい最適化方法を提案します。 この方法では、給電アンテナの放射パターンの平均二乗比に基づいて誤差関数を次のように定義します。

ここで、 \({N}_{feed}\) はフィードの数、 \({\varphi }_{desired, i}\) と \({\varphi }_{unitcells}\) は希望するフィードの数を表します。 \({i}\) 番目の給電アンテナが使用される場合に、メタサーフェス上で利用可能な (それぞれの) 位相シフト。 また、\(E{f}_{i}\)、\(E{f}_{r}\) は、\({i}\) 番目の給電アンテナの (メタサーフェス上の) 電界振幅を示します。それぞれ基準アンテナ。 (6) を使用すると、任意の給電アンテナからの各ユニット セルの望ましい位相が最適化され、波長 1550 nm で合計最小重み付け誤差 \({Error}_{UC}\) が達成されます。 したがって、提案された方法におけるメタレンズ単位セルの選択は、所望の放射パターン間の妥協点となります。

必要な位相が決定されたので、適切な位相シフトを提供するために適切なユニット セルを選択する必要があります。 提案されたユニットセルを図3aに示します。 この図に示すように、シリコン層と二酸化シリコン層が 2 つの銀層の間に挟まれた 4 層で構成されています。 底部の銀の層が光を反射し、光が構造を通過するのを防ぎます。 2 つの同様のアームと 3 つの可変パラメータによって形成された上部銀層は、異なる反射位相を提供します。 単位セルのこの対称性により、入射光の異なる偏光に対して同様の動作が示されました。 この動作は図 3b に示されており、波長 1550 nm の入射光の TM 偏光と TE 偏光の両方に対するセルの応答が示されています。 戻り波の大部分がシリコン層と二酸化シリコン層の内部に集中するという事実により、ユニットセルの損失は劇的に減少しました。 もう 1 つの重要な点は、単位セルの繰り返し周期です。 周期表面とフロッケ波の理論によれば、グレーティング ローブを避けるために、セルの寸法は次の値より小さくなければなりません。

(a) 提案されたユニットセルの斜視図。 (b) 波長 1550 nm での TM (左) および TE (右) モードのユニットセルの電界応答。 (c) 構造のシミュレーション設定。 平面波励起と周期境界条件を利用して、各単位セル要素の反射位相が計算されます。

上記の関係において、\(p\) は単位格子の繰り返し周期、\({\theta }_{imax}\) は単位格子に対する最大入射角、\({n}_{ d}\) は、周囲の物質 (ここでは二酸化ケイ素) の屈折率であり、(\({n}_{d}=1.45\)) となります。 \({\uptheta }_{imax}\cong {50}^{\circ}\) を考慮すると、周期は \(p=600 nm\) (波長では \(0.39\lambda \) として選択されています。 1550nm）。 ユニットセルのその他のパラメータを表1に示します。この表に示すように、提案されたユニットセルにはWc、Lc、Gcの3つの可変パラメータがあり、メタレンズの異なる位相変化を実現するために204種類のセルを作成します。 。 提案された構造は複雑であるため、単位セルからの反射波をシミュレートするために全波 CST ソフトウェア 60 が使用されてきました。 このシミュレーションでは、単位セルが SiO2 環境に配置され、周期境界条件 (PBC) がセルの周囲に適用されます。 図 3c は、セルの特性評価に使用されるシミュレーション設定を示しています。

図 4a と b は、Lc のさまざまな値に対する単位セルの反射振幅と位相と波長の関係を示しています。 この図に示すように、Lc を交互に変化させることにより、波長 1550 nm で \({0}^{\circ}\) から \({320}^{\circ}\) までの範囲の位相シフトをカバーできます。 さらに、この図の結果によれば、反射振幅は 0.7 より大きくなっています。 図 4c と d は、1550 nm の波長における反射位相と振幅と他のパラメータを比較しています。 この図に示されているように、Gc と Wc を調整すると、異なる位相勾配が得られ、マット レンズ ユニット セル上で任意の位相変化を実現するために使用できます。 また、すべてのユニットセルが 0.7 以上の反射振幅をサポートできるため、設計されたメタレンズの高い効率を実現できます。

波長と Lc の関数としての反射波の (a) 位相と (b) 振幅比。 波長 1550 nm での反射 (c) 振幅、および (d) 位相と幾何学的パラメータの関係。 すべての幾何学的パラメータに使用される単位は nm です。

最後に、式を使用します。 式（６）および図４に示される結果から、均一なビーム走査を達成するためにメタ表面ユニットセルが選択される。 提案されたメタレンズを図5に示します。設計されたメタレンズの実現された反射振幅と位相をそれぞれ図6aと図6bに示します。 この図によると、設計されたメタサーフェスは入射波の 80% 以上を反射し、アンテナ システム全体に高い効率を提供します。 図6cとdでは、メタレンズ上で実現された位相が、放射角ごとにメタレンズ上の望ましい位相と比較されます。 これらの図によれば、位相エラーはメタサーフェスのエッジで増加しますが、これは放射パターンのサイド ローブ レベルにのみ影響を及ぼします。

設計されたメタレンズの正面図。

設計したメタレンズの反射(a)位相、(b)振幅、(b)を実現しました。 実現された位相 (点で表示) は、各給電アンテナに必要な望ましい位相 (c) x = 0 および (d) y = 0 平面で比較されます。

給電ナノアンテナの斜視図を図７ａに示す。 提案されたナノアンテナは、ハイブリッドプラズモン構造に基づいて設計されており、低屈折率層（ここでは二酸化シリコン）が金属（ここでは銀）と高屈折率誘電体（ここではシリコン）の間に挟まれている5,6。 、7、8。 図7bは、設計されたナノアンテナに給電する導波路内で励起されるモードを示しています。 この図に示されているように、ハイブリッド プラズモニック構造で予想されるように、光は薄い SiO2 層の内側に閉じ込められています 5、6、7、8。 給電ナノアンテナは、プラズモニック導波路によって給電されるアンテナ用に開発されたモデルに基づいて設計されています。 5 で証明されているように、ナノアンテナに給電するハイブリッド プラズモニック導波路では、伝播方向に沿った電場の接線成分は通常の成分よりもはるかに小さいため、導波路内で励起される TM モードは TEM モードで近似できます。 。 これにより、伝送線路理論を使用して構造を正確にモデル化し、設計することが可能になります5。 最適なマッチングを実現するには、ハイブリッド プラズモニック ラインの幅がグラフェン スイッチと同じで、\({w}_{l}=100 \, {\text{nm}}\) に等しいと考えられます。薄い SiO2 層内に高度に閉じ込められるため、この層の厚さ \({t}_{Si{o}_{2}}^{F}\) は 20 nm に等しくなるように選択されます。 プラズモニックハイブリッドパッチの長さ \({L}_{p}\) と幅 \({w}_{p}\) については、5 で開発された伝送線路モデルを使用して、設計の初期値を設定し、アンテナに必要なパターンを実現するためにこれらのパラメータをわずかに調整します。 最後に、差し込み部分のサイズ \({L}_{g}\) と \({W}_{g}\) を 25 で説明した手法に基づいて選択します。 はめ込み部分は、ナノアンテナと給電ハイブリッドプラズモニック導波路との間のより良好なインピーダンスマッチングを提供するために使用される。

(a) \({{t}^{F}}_{Ag}=100 {\text{nm}}, \, {{t}^{F} の寸法で設計された給電ナノアンテナの斜視図}_{{SiO}_{2}}=20 {\text{nm}}, \, {{t}^{F}}_{Si}=150 {\text{nm}}\), \( W\_ant=2000 \, {\text{nm}},\) \({W}_{p}=1150 \, {\text{nm}}, {L}_{p}=640 \, { \text{nm}}, { W}_{g}=10 \, {\text{nm}}, {L}_{g}=160 \, {\text{nm}}\) (b) ドミナント給電ナノアンテナの TM モード。光は薄い SiO2 層内に高度に閉じ込められます。 (c) 給電ナノアンテナの散乱パラメータ。 この図には、アンテナ #1 (S11) のリターン ロスとナノ アンテナ間の結合が示されています。 (d) 波長 1550 nm における給電ナノアンテナの遠方 3D 放射パターン。

設計されたナノアンテナは、式 (1) によって計算された最適な位置に配置されます。 (5)。 給電ナノアンテナの散乱パラメータ（Sパラメータ）と波長の関係を図7cに示します。 この図では、給電ナノアンテナ #1 (図 1a を参照) のリターンロスとナノアンテナ間の相互結合が示されています。 この図に示すように、図示のリターン ロスは -9 dB 未満であり、設計されたアンテナのインピーダンス マッチングが良好であることを示しています。 さらに、この図の結果は、設計されたアンテナ間の相互結合が低い (-12 dB 未満) ことを示しています。 図7dには、設計されたナノアンテナの放射パターンが示されています。 この結果によると、提案した給電ナンアンテナは 10.2 dB の高い指向性と \({38}^{\circ}\) (z 軸に対する) の角度偏差を持っています。 これが、給電アンテナをメタレンズに対して \({38}^{\circ}\) の角度で配置する理由です。

提案された方法では、ビームの回転は、給電ナノアンテナの中から選択することによって得られます。 したがって、アンテナを選択するには、制御可能な電力分割器が必要です。 図8aは、設計されたグラフェンベースのスイッチの構造を示しています。 この図に示すように、このスイッチもハイブリッド プラズモニック構造に基づいて設計されており、厚さ 20 nm の二酸化シリコンの層が、それぞれ厚さ 100 nm と 150 nm の銀とシリコンの 2 つの層の間に挟まれています。 また、給電導波路の線幅は800nmを選択しました。

(a) 設計された切り替え可能な電力分割器の斜視図、(b) グラフェン シートに望ましい電圧を印加するために使用されるバイアス回路の斜視図、(c) (c) の場合の波長 1550 nm での電力分割器の電界強度) すべてのブランチがオンになります (d) 1 つのブランチのみがオンになり、他のブランチはオフになります。

給電導波路の幅全体にわたる電界の分布が不均一であるため、電界を分岐に均等に分割するために非対称の線幅が使用されてきました。 分割ブランチ間の距離も、給電ナノアンテナの位置に応じて選択されます。 グラフェンシートはSiO2層の中央に位置し、図8bに示す回路を通じてバイアス電圧に接続されています。 電圧刺激によりグラフェン シートの化学ポテンシャルを変化させることができ、その結果グラフェンの導電率が調節されます25。 波長 1550 nm での最大損失 (スイッチのオフ状態) は、グラフェンの化学ポテンシャルが 0.51 eV に等しい場合に得られ、最小損失 (スイッチのオン状態) は、化学ポテンシャルに対して得られます。グラフェンシート上の0 eV 25．

提案された電力分配器上の数値的に計算された電界を図8cおよびdに示します。 図 8c は、すべての出力ブランチがオンになった場合の結果を示し、図 8d は、1 つのブランチのみがオンになり、他のブランチがオフになった場合の結果を示します。

本節では、全体構造を数値解析することにより、提案デバイスの性能を調査します。 数値シミュレーションは CST フル ソフトウェア 60 を使用して実行されます。 このシミュレーションでは、反射メタ表面の遠方界放射パターンはモーメント法を使用して積分方程式を解くことによって計算され、励起にはナノアンテナ放射パターン（有限要素法を使用して計算され、図7dに示されている）が使用されます。 このシミュレーションの結果を図２〜図５に示す。 図 9 は、さまざまなナノアンテナが励起されたときの u-v 平面の放射パターンを示しています。 u-v 平面は、2 次元の円形図形の 3 次元パターンを表現するための幾何学的平面です。 u–v 平面では、軸は \(u=\mathrm{sin\theta }cos\varphi , v= \mathrm{sin\theta sin\varphi }\) として定義されます。 この図に示すように、ビームステアリングは給電アンテナを切り替えることで実現されます。 さらに、この図の結果は、このデバイスで 15 dBi の指向性が達成されていることを示しています。 結果のパターンをさらに明確にするために、図10aは、ビームステアリングをより明確に示す2D形式の放射パターン（固定\(\theta \)および\(\varphi \)の異なる値の場合）を示しています。 さらに、この図の結果は、すべての異なるビーム方向に対して達成される指向性の変動が小さい (1 dB 未満) ことを示しています。これは、以前に報告された光ビームステアリングに関する研究と比較した場合、この研究の重要な利点です 49,50。 51、52、53、54、55。 この図は、提案された構造のもう 1 つの利点である、すべての異なるビーム角度に対して 15 dB 未満のサイドローブ レベルが達成されていることも示しています。

異なる給電ナノアンテナが選択された場合の、u-v 平面におけるデバイスの放射パターン。 この図にはビームステアリングが明確に示されています。

(a) さまざまな給電アンテナの \({\theta }_{o}={38}^{\circ}\) におけるデバイスの 2D 放射パターン。 (b) 異なる給電ナノ アンテナが選択された場合に達成される実現された放射精度。 両方の図は、動作波長 1550 nm での結果を示しています。

所望の放射角を達成するための提案された方法の精度 (\({\theta }_{o}={38}^{\circ}, \, {\varphi }_{o}=[14{0}^{\ circ}、\、16{0}^{\circ}、\、18{0}^{\circ}、\、20{0}^{\circ}、\、22{0}^{\circ} ]\)) を図 10b に示します。 この図は、望ましい方向と達成された方向の違いを示しています。 この図に示すように、両方の \({\theta }_{o}、{\varphi }_{o}\) の差は \({1}^{\circ}\) 未満であり、非常に良好な結果を示しています。提案されたデバイスの精度。 提案されたデバイスの推奨製造手順を図11に示します。この図に示すように、製造手順にはメタサーフェス、ナノアンテナ、切り替え可能な電力分配器、そして最後にバイアス回路を製造する3つのステップがあります。 この図に示すように、提案されたデバイスは標準的なナノ製造技術を使用して製造できます。

提案された構造に対して提案された製造手順。 (a – d) 提案されたメタ表面の製造プロセスを示しています。 (a) メタ表面層 (Ag、SiO2、Si、そして再び Ag) が基板上に堆積されます。 (b) 上部の Ag 層がパターン化されて、表面の単位セルが提供されます。電子ビーム リソグラフィー (EBL) とプラズマ エッチングを使用したメタサーフェス (c) SiO2 層が堆積され、ユニットセル間が埋められます。 (d) レジストを溶剤で溶解し、余分な材料を除去します。 （e – n）提案されたナノアンテナ、スイッチ、ディバイダーの製造プロセスを示しています：（e）SiO2層が製造されたメタ表面に堆積されます。 (f) EBL およびプラズマ エッチング手順を適用して、ナノ アンテナ、ディバイダー、およびスイッチの所望の形状の構造を準備します。 (g) 150 nm のシリコン層と 10 nm の SiO2 層が堆積されます。 (h) レジストを溶剤で溶解し、余分な Si と SiO2 を除去します。 (i) 触媒層を備えたグラフェンを SiO2 層上に転写します。 (j) レーザー ビームは触媒層にパターンを作成し、グラフェン層のパターン化を可能にします。 (k) 10 nm の SiO2 層と 100 nm の Ag 層が堆積されます。 (l) EBL およびプラズマ エッチング手順を適用して、Ag および SiO2 材料をパターン化し、ナノアンテナ、ディバイダー、およびスイッチを作成します。 (m) 白金層と金層が堆積されます。 (n) EBL とプラズマ エッチング手順を適用して、Au 層と Pt 層をパターン化し、切り替え可能な電力分割器のバイアス回路を作成します。

ビームステアリングでより狭いビームとより高い解像度を達成するために提案された方法を拡張できることを説明するために、ここでは、( 5)。 この設計では、メタサーフェスの寸法は \(39\times 39 \mu {m}^{2}\) であるとみなされ、式 (6) を使用して計算された位相誤差が最小になるように最適な単位セルが選択されます。 フーリエ変換法 56 を使用して計算された結果の放射パターンを図 12a に示します。 この図に示すように、ビームステアリングは \(-{45}^{\circ}:{45}^{\circ}\) の範囲の角度で 23 ステップで実現されます。 さらに、これらの結果は、デバイスの拡張バージョンでは \({5}^{\circ}\) の半値ビーム幅が達成されることを示しています。 図 12b は、提案された方法の高い精度を示す放射パターンの精度を示しています。

(a) 23 個の給電ナノ アンテナを備えたデバイスの拡張バージョンの 2D 放射パターン (b) 異なる給電ナノ アンテナが選択された場合に、デバイスの拡張バージョンで達成される実際の放射精度。

新しい統合光ビームステアリングデバイスが提案され、調査されました。 提案されたデバイスは、5 つの切り替え可能な給電ナノ アンテナによって照明されるメタレンズで構成され、すべてが SiO2 媒体内に統合されています。 放射ビームの方向の高精度、低いサイドローブ レベル (SLL)、および放射強度の低い変動を達成するために、解析アルゴリズムが開発され、給電ナノ アンテナの位置と、アンテナを構成するユニット セルの最適化に利用されました。メタレンズ。 全波シミュレーションの数値シミュレーション結果から、このデバイスは 100 度の視野内で 5 つの放射角度すべてに対して 15 dBi より優れた指向性、1 度より優れた放射角度精度、および 15 dB より優れた SLL を備えていることが示されました。 23 個の給電ナノアンテナを備えた提案されたデバイスの拡張バージョンも設計され、分析されました。 デバイスの拡張バージョンの結果でも、放射線強度の高精度と低い変動が示され、拡張デバイスに使用できる設計手法の能力が示されました。 提案されたデバイスは、多焦点光通信システムから高度に統合された LIDAR システムまで、多くの光学アプリケーションで使用できます。

構造全体の性能を解析するために、CST ソフトウェア 60 を使用して 3D 全波数値シミュレーションを実行し、それに単方向シミュレーション セットアップを使用しました。 このシミュレーションでは、提案された構造が SiO2 バックグラウンドに配置され、境界条件はオープン追加スペース (放射条件のモデル化) として定義されました。 シミュレーションは 2 つのステップで実行されました。 最初のステップでは、ナノアンテナとグラフェンベースの切り替え可能な電力分割器が導波管ポートを使用して励起され、有限要素法を使用して構造が解析されました。 ステップ 2 では、ステップ 1 の結果から得られた電界放射パターンでメタレンズが照明されました。 この部分では、デバイスの全体的な放射パターンがモーメント法を使用して抽出されました。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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ヴァヒド・ガファリ & レイラ・ユセフィ

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VG は解析だけでなく計算とシミュレーションも実行しました。 LY が研究を指導しました。 著者全員が原稿をレビューしました。

レイラ・ユセフィへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Ghaffari, V.、Yousefi, L. 切り替え可能なナノアンテナと反射メタレンズを使用した統合光ビームステアリングデバイス。 Sci Rep 13、7099 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33939-w

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受信日: 2023 年 1 月 18 日

受理日: 2023 年 4 月 21 日

公開日: 2023 年 5 月 2 日

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