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(jī)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(hào)。

　　偶極子天線

　　由于天線對(duì)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(zhǎng)）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(zhǎng)。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(shí)現(xiàn)［1］。

　　從尺度上來看，天線的工作波長(zhǎng)λ與天線尺度L是線性相關(guān)的。以最簡(jiǎn)單的1/2波長(zhǎng)偶極子天線（dipole antenna）為例，它由兩根1/4波長(zhǎng)單極子天線（monopole antenna）組成，其長(zhǎng)度是工作波長(zhǎng)λ的一半。對(duì)于工作900MHz的射頻天線，其長(zhǎng)度為估算為 L = λ / 2= （3e8 m/s / 900e6 /s） /2 = 0.167m。而工作波長(zhǎng)在可見光的天線，其長(zhǎng)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(duì)于工作波長(zhǎng)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?？梢?，對(duì)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(shí)驗(yàn)制備與光波長(zhǎng)尺度可比擬，乃至比光波長(zhǎng)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(jiǎn)稱光學(xué)天線）的研究也隨之成為研究熱點(diǎn)。

　　電子束曝光

　　對(duì)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(zhǎng)尺度的光場(chǎng)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(zhǎng)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(qiáng)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(duì)電磁波具有巨大損耗，也即材料折射率的虛部相對(duì)實(shí)部不再是無窮大。這一特性使得光學(xué)天線對(duì)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(cè)器，太陽(yáng)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(shí)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(duì)平面圓偏振光各點(diǎn)的相位進(jìn)行調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)可見光波段的超薄平面式成像透鏡?？梢?，經(jīng)過巧妙設(shè)計(jì)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(shí)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(gè)研究熱點(diǎn)，研究角度與應(yīng)用場(chǎng)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。