天线结构、发光装置和设计天线结构的方法与流程

本发明的实例设计一种天线结构、一种发光器件以及一种用于设计天线结构的方法。因此，本发明涉及用于引导和收集幅射，尤其是光学频率范围内幅射的天线领域。

背景技术：

1、在大多数情况下，发光装置的可用性取决于从发光装置出射的光的光场空间分布。尤其是当出射光需要耦合到波导中时，需要合适且可靠的光场空间分布来增加出射光的耦合效率。

2、单光子源被认为是应用于基于单光子的量子技术中最有前景的仪器之一。然而，实际应用往往需要将单光子的幅射光明亮、准定性地发射到特定的空间模式中。传统对于引导光辐射成合适的空间分布大多基于单光子源与纳米线或微腔模式的耦合。然而，制造这种结构需要精细的蚀刻技术，因此会导致较高的制造成本。

3、如果某种解决方案允许光以合适的光场分布耦合出射，从而进一步提高对出射光的利用，那么不论是单光子发射器，还是其他传统的发光装置都可以从这种可靠且低成本的解决方案中受益。

4、使用介质光栅从量子光源收集出射光虽然已有报道(optics express,vol.25,issue 26,pp.32420-32435(2017))。但是仍然存在一些其他客观技术问题，比如如何有效地将由发光装置发射的光耦合到可用的空间光场分布，例如高斯基模。

技术实现思路

1、具有各个独立权利要求特征的本发明的实例可以解决以上提到的各种技术问题。而在从属权利要求和以下描述中指定了可选实施例。

2、在其中一个实例中，本发明的一个实例涉及到一种引导光定向幅射的天线结构。天线结构包括具有反射面的反射器、布置在反射面上并沿着垂直于反射面的中心轴同心延伸的环形介质光栅和被环形介质光栅所包围的低折射率中心区域形成的全向反射器。天线结构可以使得从低折射率中心区域沿着中心轴出射到介质光栅上方的光相对于高斯光束的投影效率η至少达到65％。

3、在另一个实例中，本发明涉及一种发光装置，包括根据前述权利要求中任意一项所述的天线结构和布置在所述天线结构低折射率中心区域的一个或多个光源，其中从低折射率中心区域出射的光是由这一个或多个光源发出。

4、本发明还涉及一种用于设计具有预定发射波长的发光装置中天线结构的方法。该方法包括确定环形介质光栅第一层的厚度和第二层的厚度并沿着垂直于反射面的中心轴方向额外部件从而形成一个包围低折射率中心区域的全向反射器，其中第一层与第二层的厚度是通过将每层的光学厚度与预定发射波长的四分之一长度相比较从而确定的。该方法还包括通过数值模拟优化第一、二层的厚度、介质光栅的高度、光源在低折射率中心区域的位置和低折射率中心区域的直径，从而使得从光源出射到仪器外部的光相对于高斯光的投影效率η最大。

5、这些实例的优点是，从低折射率中心区域沿着天线结构中心轴出射的光能被有效地收集，并耦合到合适的光场空间分布中，从而允许在进一步应用中能被有效地使用。例如，如果出射光相对于高斯光束的光场空间分布高度重合，就可以确保出射光可以有效地聚焦和(或)耦合到波导中，例如单模光纤。

6、这些实例还具备其他优点，即天线结构的制造程序简洁、工作量少，因此允许提供具有合适的天线结构和发光装置以满足发射光的高度通用性。

7、所述介质光栅的环形并不一定是完美的圆形。根据可选实例所述，环可以是完美的圆形，而根据其他实例，环可以是偏离完美圆形，例如椭圆形。

8、低折射率中心区域是位于环状结构中心的天线结构的一部分，其折射率低于环形介质光栅的折射率。根据实例，低折射率中心部分可以是空的或填充气体，如空气或氮气。根据其他实例，低折射率中心区域可以填充比环形介质光栅折射率更低的液体或固体材料。

9、设置在天线结构低折射率中心区域中的一个或多个光源可以设置在低折射率中心区域的空腔里和/或可以嵌入在比具有介质光栅的环更低折射率的材料中。根据其他实例，一个或多个光源可以填充低折射率中心区域的一部分或者全部。

10、由发射器发射和/或由天线结构定向的光。可选地，其可以是紫外、可见光和/或红外光谱范围。可选地，光的中心波长范围为100纳米至3微米。

11、使用数值优化来最大化光束的投影效率包括但不限于对天线结构进行模拟，并检查天线结构内部特别是低折射率中心区域的电场强度分布。数值优化可以针对依赖于天线结构的各种参数(如空间尺寸和/或材料属性，或低折射率中心区域内一个或多个光源的位置)对应的出射光进行模拟，并通过计算出射光的投影效率实现这些参数的优化。

12、根据实例，高斯光束投影效率η表示出射光束与高斯光束空间光场分布重叠程度的度量。换句话说，出射光的高斯光束投影效率η表示这样一个参数，该参数定义了出射光与高斯光束的重叠程度。重叠程度越大，投影效率η就越大。根据实例，出射光的投影效率在0到1(0到100％)范围内。一种高斯光束表示横模tem00。此处，高斯光投影效率η被定义为出射光场分布与拥有合适束腰的tem00场分布重叠积分的平方。合适束腰是通过最大化不同束腰tem00的投影效率η确定的。换句话说，高斯光束投影效率η的确定可包括但不限于确定实际出射光场分布与具有对应起始值束腰的高斯光束场分布的重叠程度，并改变束腰大小，直到达到投影效率极大值。其中束腰的变化范围在0.1～2.0个波长。

13、根据实例，天线结构的高斯光束投影效率η至少为70％，可选地至少为75％，可选地至少为80％，可选地至少为90％。理论上搞得高斯光束投影效率的优先度更高，然而在未来的一些应用中，高斯光束投影效率可能(下降)达到65％，出于对制造过程的考虑，实际甚至可能需要这种65％高斯光束投影效率的天线结构，因为更低的投影效率意味着对制造精度要求更低。

14、根据实例，低折射率中心区域在垂直于中心轴的至少一个方向上具有延伸，延伸长度为d。低折射率中心区域可以在垂直于中心轴的至少一个平面内具有圆形横截面形状，并且该圆的直径对应于延伸长度d。根据具体的实施例，低折射率中心区域可以具有多边形截面形状，如矩形、六边形或八边形等。其中延伸长度d表示多边形对边(对角)之间的距离。

15、额外部件长度d可选地不大于1毫米，可选地不大于100微米，可选地不大于10微米，可选地不大于1微米。这些小的额外部件允许在低折射率中心区域限制一个或多个光源。由于工艺制造的工作量会随着尺寸的增加而增加，因此小的扩展结构可以减少天线结构制造的工作量。对于一个小的光源，如荧光或磷光分子，量子点或纳米颗粒，一个小的额外部件长度d是合适的。

16、根据实例，额外部件长度d至少为100纳米，可选地至少为200纳米。以便提供足够的空间放置一个或多个光源。

17、根据实例，环形介质光栅沿中心轴的高度不大于d，可选地不超过d/2。换句话说，环形介质光栅的高度可能取决于低折射率中心部分在与反射器反射面平行的平面上的空间尺寸，其可选高度不大于延伸长度d，可选地不大于延伸长度d的一半。这对出射光具有高的高斯光束投影效率有利。根据高度不超过低折射率中心区域额外部件长度d的可选实例，对天线结构和发光器进行数值模拟表明，可以实现高斯光束投影效率η大于85％设置大于90％。因此选择唤醒介质光栅沿中心轴的高度不大于低折射率中心区域的额外部件长度d，可能有利于实现具备非常高的高斯光束投影效率η的天线结构。此外，限制额外部件长度d也是进一步限制了制造介质光栅所需的工作量。

18、根据实例，环形介质光栅沿中心轴的高度不超过10毫米，可选地不超过5毫米，可选地不超过1毫米，可选地不超过100微米，可选地不超过10微米，可选地不超过1微米，可选地不超过0.5微米，可选地不超过0.1微米。这样可以确保良好的耦合效率。此外，介质光栅的有限高度也有利于保持低的制造所需工作量。

19、根据实例，环形介质光栅由具有折射率n1的第一层和具有折射率n2的第二层两层交替排布而成，其中所述折射率n2大于折射率n1，低折射率中心区域的折射率小于折射率n1。这样的结构可以有效地在低折射率中心区域形成一个全向反射器。在所述第一层和第二层之间不设置具有不同于第一层、第二层折射率的其他层。

20、根据实例，具有折射率n2的第二层形成限制低折射率中心区域的最内层。换句话说，其中具有较高折射率的一层形成了包围和限制低折射率中心区域的最内层。这确保了全向反射器的良好反射率，从而导致天线结构高的收集效率和投影效率。

21、根据实例，折射率n2的数值大于1.75和/或折射率n1的值在1.1到1.75之间。这样的取值有利于介质光栅形成一个全向反射器。具有折射率n1的介质层可以选择由以下至少一种材料组成：二氟化镁、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲酯、金刚石、立方氧化锆、砷化镓、磷化铟镓、铟砷化镓和砷化铝镓。具有折射率n2的介质层可以选择由以下至少一种材料组成：二氧化钛、砷化镓、金刚石和铟砷化镓。这些材料允许通过外延生长的方式制造环形介质光栅。

22、根据实例，各层可具有其各自的光学厚度以匹配预期发射光波长的四分之一，其中光学厚度表示厚度乘以折射率。因此，天线结构可针对特定波长发射光设计。而对于偏离设计波长的情形，天线结构也可以呈现接近最佳性能。

23、环形介质光栅至少包括两层两种类型的层，即两个第一层和两个第二层。可选地每种层至少三层、可选地每种层至少十层。每种类型的层数越多，其全向反射效果越好。然而，对于更多的层数，天线结构的制造工作量可能会增加。此外，不同的层可以具有不同的光学厚度从而能适用于各种不同的波长的光，甚至设计成具备带宽的全向反射装置。

24、根据实例，低折射率中心区域是空的或者至少部分填充折射率低于折射率n1的材料，并且低折射率中心区域至少部分填充了空气或氮气。填充材料的折射率需要低于环形介质光栅的第一层和第二层的材料。可选地，低折射率中心区域的折射率范围是1至1.1。这使得低折射率中心区域的折射率与围绕低折射率中心区域的第二层折射率之间的差别特别大。低折射率中心区域的折射率，第一层的折射率n1、第二层的折射率n2三者之间数值差别越大，环形介质光栅的全向反射性能越好。

25、根据实例，低折射率中心区域使得从低折射率中心区域内部出射的光沿着中心轴建立类似于驻波的电场强度分布，并且驻波沿中心轴存在至少两个电场强度极大值点。其中低折射率中心区域内部的电场强度分布可以从天线结构或环形介质光栅或发光器的数值模拟中得到。此外，低折射率中心区域内部的电场强度分布可以通过数值优化。例如对介质光栅的空间尺寸，如平面内尺寸，高度，通过对层的厚度和折射率以及低折射率中心区域的空间尺寸和折射率进行数值优化，可以使得发射光在低折射率中心区域的电场强度呈现理想分布。

26、根据实例，环形介质光栅的高度需要使得介质光栅的上端位于电场强度极大值的0.3倍至0.8倍之间。换句话说，光场在低折射率中心区域沿着中心轴呈现驻波的分布，其中电场强度分布的几个极大值科研这中心轴周期性或非周期性的排列。极大值的位置可用于选择介质光栅的高度，使得高斯光束投影效率至少65％。可选地，可以对截断的介质光栅的精确高度进行数值优化。然而，数值模拟表明，至少对于某些实例，在电场强度极大值的0.3倍至0.8倍之间截断，将导致高斯光束的投影效率η为至少65％。

27、根据实例，低折射率中心区域可放置至少一个光源。所述光源可包括但不限于单光子光源、量子光源、荧光和/或磷光光源。

28、根据实例，天线结构还包括环形介质光栅上方的顶部元件。这种顶部元件可用于进一步影响出射光的收集效率和投影效率。此外，这种顶层元件也可以避免流体或固体进入低折射率中心区域，氧化或降解部分材料从而造成污染。根据另一实例，顶层元件具有半球形状并且可选地为固体浸没透镜。