無線通信系統(tǒng)中光學(xué)天線的思考與研究

　　天線，按維基百科的定義，“是一種用來發(fā)射或接收無線電波—或更廣泛來講—電磁波的器件”。例如，在無線通信系統(tǒng)中，天線被用于發(fā)射與接收射頻與微波波段的電磁波。而在我們的智能手機中，就有內(nèi)置的平面倒F天線（PIFA），用于接收和輻射射頻波段在2.4GHz和5GHz的電磁波信號。

　　偶極子天線

　　由于天線對電磁波的調(diào)控作用服從經(jīng)典電磁學(xué)的基礎(chǔ)方程，也即麥克斯韋方程（MaxwellEquations），而麥克斯韋方程在形式上具有頻率（波長）不變性，也就是說，麥克斯韋方程組并沒有限制天線的工作波長。因此，在射頻波段電磁天線的諸多功能（例如頻率選擇表面，相控陣?yán)走_(dá)等），邏輯上也可以在光頻段實現(xiàn)［1］。

　　從尺度上來看，天線的工作波長λ與天線尺度L是線性相關(guān)的。以最簡單的1/2波長偶極子天線（dipole antenna）為例，它由兩根1/4波長單極子天線（monopole antenna）組成，其長度是工作波長λ的一半。對于工作900MHz的射頻天線，其長度為估算為 L = λ / 2= （3e8 m/s / 900e6 /s） /2 = 0.167m。而工作波長在可見光的天線，其長度估算為 L = λ /（2n），這里n為天線所處的介質(zhì)環(huán)境的折射率。對于工作波長為680nm（紅光）的光學(xué)天線，假設(shè)其制備襯底為硅，則L = λ / （2n）= 680 nm / 2 / 3.4 = 100 nm。可見，對光學(xué)天線（光頻段電磁天線）的研究，首先要解決的是要能實驗制備與光波長尺度可比擬，乃至比光波長尺度還要小的微納結(jié)構(gòu)［2］。

　　光學(xué)天線

　　近年來，隨著以電子束刻蝕（Electron Beam Lithography）和聚焦離子束刻蝕（Focused Ion Beam Lithography）為代表的“至頂向下”式納米加工技術(shù)的日趨成熟，大規(guī)模加工納米尺度的金屬與介質(zhì)結(jié)構(gòu)成為可能，光頻段電磁天線（簡稱光學(xué)天線）的研究也隨之成為研究熱點。

　　電子束曝光

　　對光學(xué)天線的研究很廣泛，這里只做大致的梳理與分類，以拋磚引玉。

　　1. 亞波長尺度的光場聚焦：與射頻波段的偶極子天線相類比，光學(xué)天線可以將自由空間中的光頻電磁波匯聚于天線表面亞波長尺度的空間內(nèi)，極大提高了光子的態(tài)密度，因此被廣泛應(yīng)用于突破衍射極限，并增強光與物質(zhì)的相互作用（light-matterinteraction）。

　　2. 光吸收與光熱轉(zhuǎn)換：制備光學(xué)天線的材料與制備微波波段電磁天線的材料一樣，可以是金，銀，鋁，銅等常見金屬。然而，金屬材料在光頻段已經(jīng)不再像微波波段那樣可以等效為完純導(dǎo)體，而是對電磁波具有巨大損耗，也即材料折射率的虛部相對實部不再是無窮大。這一特性使得光學(xué)天線對光的損耗增大，可以用作光學(xué)吸收器（absorber）。而光學(xué)天線吸收的光能最后被轉(zhuǎn)化成熱能，體現(xiàn)為溫度的上升。該特性被用于熱紅外探測器，太陽能（thermal photovoltaic），以及腫瘤的治療。

　　3. 光學(xué)濾波，偏振選擇與相位操控：當(dāng)光學(xué)天線被制備成陣列，又有了諸多新奇而有趣的特性。前面說過，在微波波段，有頻率選擇表面（Frequency Selective Surface）和相控陣?yán)走_(dá)（Phased Array Antenna）的概念。而在光頻段，同樣可以利用光學(xué)天線陣列實現(xiàn)光波的濾波，偏振選擇，以及相位操控。例如，最新一期的science封面文章，就是利用基于光學(xué)天線陣列（Nanoantenna array）的光學(xué)超表面（Metasurface），對平面圓偏振光各點的相位進(jìn)行調(diào)控，從而實現(xiàn)可見光波段的超薄平面式成像透鏡?？梢姡?jīng)過巧妙設(shè)計的光學(xué)天線及其陣列，有望將傳統(tǒng)光學(xué)元件（濾光片，偏振片，成像透鏡等等）的諸多功能壓縮至光學(xué)薄膜的厚度上加以實現(xiàn)，也即平面光學(xué)元件（FlatOptics）。

　　目前光學(xué)天線是科研界的一個研究熱點，研究角度與應(yīng)用場合也較為廣泛，各種基于光學(xué)天線的新研究領(lǐng)域?qū)映霾桓F，因此本文難免掛一漏萬，只能起到拋磚引玉的作用。