纳米光电子技术中的光学天线及其应用

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引言
纳米光电子技术领域中，光学天线在纳米尺度的光操控中发挥着基础性作用。这些器件能够实现传播光辐射和局域能量之间的相互转换，作为多种应用的基础构建模块，包括显微技术、光伏技术等领域。
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虽然光学天线在概念上与射频天线相似，但由于光源特性的不同，其工作原理有显著区别。传统天线通过传输线供给电流，而光学天线则与局域光发射体（如量子点、分子、原子或离子）相互作用。这一根本差异使得传统天线理论需要进行修正[1]。

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图1：展示了光学天线在(a)发射和(b)接收模式下的工作原理示意图。发射器/接收器的尺寸约为工作波长的1/100。

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辐射模式分析
通过研究振荡电偶极子的行为，可以理解光学天线的辐射特性。

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图2：偶极子辐射的可视化展示，包括(a)坐标系统设置，(b)电场和磁场模式，以及(c)定向辐射模式，展现了光学天线辐射的基本原理。

% z* s6 C! B) x当与等离激元纳米球耦合时，辐射模式会发生显著改变。偶极子与球体之间的相互作用取决于多个参数，包括间距、工作波长和球体尺寸。
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高级天线构型
特定排列的多纳米粒子提供了对近场和远场特性的增强控制能力。
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图3：场分布对比，展示了(a)单纳米棒天线和(b)间隙天线构型，证明了间隙区域中的场增强效应。
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八木-宇田光学天线的设计能够实现定向发射控制。

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( D5 {- M: R& V& d图4：光学八木-宇田天线的示意图，展示了(a)等离激元纳米棒构型，(b)介质纳米球实现方案，(c)辐射模式测量设置，以及(d)方向性特征。

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2 J6 M* [; j/ Z7 a( ~: B自发辐射控制
光学天线具有调控量子发射体自发辐射率的能力。

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" ^9 @9 x7 b% F+ I图5：展示了偶极子发射体与等离激元纳米粒子耦合时的衰减率和效率，说明了通过天线耦合对发射特性的调控。
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, o/ _+ {" S$ m) o% Z发射体与光学天线之间的相互作用可以导致发射率的增强或抑制，这取决于具体的构型和参数。这种现象称为珀塞尔效应，对光源和量子光器件具有重要意义。

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图6：材料参数空间图，显示了(a)基于介电常数和磁导率的材料一般分类，以及(b)全介质超材料的子集。

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* Z6 g! d, t% N5 ~9 `4 j; D图7：双曲超材料中波的等频率面，展示了不同可能的构型及其相应的光学响应。
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图8：双曲超材料的实际实现，展示了(a)金属-介质层状结构和(b)介质基底中的金属纳米线阵列。
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4 b! E# w+ w4 q* X超表面作为超材料的二维等效结构，在波前工程和平面光学中展现出新的特性。这些结构能在超薄层内实现复杂的光学功能，改变了传统光学器件的设计理念。
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& s- e7 d" a2 s2 j$ F# s2 k通过对这些天线构型和超材料结构的精心设计和优化，研究人员实现了在纳米尺度上对光物质相互作用的精确控制，为现代光电子技术开创了多种应用可能。
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/ C7 M% t: h: S2 @实际应用挑战与技术发展
/ R* x2 ?3 n2 I% K光学天线和超材料的实际实现面临着需要仔细考虑的技术挑战。由于这些结构在光频率下工作，纳米级的偏差都会对性能产生显著影响。电子束光刻和聚焦离子束刻蚀等现代纳米加工技术使得制造越来越复杂的设计成为现实，但在大面积阵列中保持一致性仍然具有挑战性。
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. I* R, y" o. K& ~% ~图9：实现示例展示了(a-c) V形等离激元天线，(d)法布里-珀罗腔构型，(e)高效率超表面设计，以及(f)用于偏振控制的介质纳米柱结构。
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材料选择在器件性能中起着关键作用。虽然金和银等等离激元材料提供了强的光物质相互作用，但在光频率下存在固有损耗。这导致了使用硅等高折射率材料的全介质实现方案受到更多关注。

超表面的发展为平面光学应用提供了新的技术方向。这些二维结构可以在超薄层内实现复杂的波前操控。

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图10：展示了潘查拉特南-贝里相位控制，包括(a)旋转角度与相位响应的关系，(b)纳米棒阵列构型，(c)开口环结构设计，以及(d,e)反射模式下的相位和偏振特性。

研究发展方向包括：
# b1 n: U' v& d2 m; z% E0 Z主动控制：与可调材料的集成可实现光学特性的动态控制。
量子应用：通过光学天线增强的光物质相互作用可提高量子光源和探测器的效率。
集成技术：在保持高性能的同时将多种功能组合在单个器件中。
' F  G& n% c" ~$ z- g规模化制造：开发适合大规模生产且不影响精度的制造技术。
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随着对纳米尺度光物质相互作用理解的加深，新的理论框架和实验技术不断涌现，推动着更复杂器件的发展。光学天线和超材料的成功表明，在纳米尺度上控制光的技术正在推动从通信到量子计算等多个领域的技术革新。
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( h! f( @* n# H. A参考文献
8 p$ z7 \. u: ]" n. P[1] K. Yao and Y. Zheng, "Nanophotonic Devices and Platforms," in Nanophotonics and Machine Learning, Springer Series in Optical Sciences vol. 241, Cham: Springer Nature Switzerland AG, 2023, ch. 2, doi: 10.1007/978-3-031-20473-9_2
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