基于變電站巡檢機(jī)器人的耦合器設(shè)計(jì)

梁國(guó)堅(jiān)，李福鵬，王 霞，鄭洪波

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 中山供電局，廣東 中山 528400；2.浙江國(guó)自機(jī)器人技術(shù)有限公司，杭州 310053)

基于變電站巡檢機(jī)器人的耦合器設(shè)計(jì)

梁國(guó)堅(jiān)1，李福鵬1，王 霞2，鄭洪波2

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 中山供電局，廣東 中山 528400；2.浙江國(guó)自機(jī)器人技術(shù)有限公司，杭州 310053)

采用典型的金屬-介質(zhì)-金屬中刻蝕2條緊鄰的縫隙結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的定向耦合器。分析本征模式的波導(dǎo)方程、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與時(shí)間關(guān)系得到了定向耦合器的耦合條件。耦合器特性表明：設(shè)計(jì)的縫隙結(jié)構(gòu)表面等離子能夠通過(guò)縫隙1向縫隙2滲透，實(shí)現(xiàn)表面等離子在縫隙間的周期性傳播，表面等離子傳播在2 mm左右；耦合距離與縫隙大小表現(xiàn)為線性的關(guān)系，當(dāng)縫隙設(shè)計(jì)成小于100 nm時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的耦合效率，更短的耦合距離；設(shè)計(jì)的定向耦合器可以通過(guò)減小縫隙間隔提高表面等離子傳播的耦合效果。

定向耦合器； 縫隙結(jié)構(gòu)； 耦合距離； 耦合效果

0 引 言

表面等離子體激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由于金屬微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁模式，其是在金屬-介質(zhì)交界面上傳播，且不受衍射極限的限制情況下傳播光能量[1-3]。上述特性使SPP光電器件在光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用，較為典型的代表性器件就是MgF2層銀膜中增加CdS納米線結(jié)構(gòu)，其光源設(shè)計(jì)為15 nm的SiO2球包裹14 nm金核，周圍密度為6.25×1019cm-3染料分子，得到了輸出光譜峰值約530 nm，輸出光強(qiáng)表現(xiàn)為激光特性[4-6]。還有典型的就是近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡下設(shè)計(jì)的V形SPP波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用、Bragg光柵濾波等作用。然而，盡管研究人員實(shí)現(xiàn)了將光場(chǎng)約束到幾十納米的量級(jí)，但設(shè)計(jì)的波導(dǎo)器件損耗依然很大[7-9]。目前，SPP波導(dǎo)器件面臨的主要困難在于歐姆效應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)烈衰減，550 nm的可見(jiàn)光在理想單一界面中傳輸距離僅2 μm左右，這顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)光子器件的應(yīng)用[10-13]。基于上述背景，本文設(shè)計(jì)一種新型的微波SPP波導(dǎo)定向耦合器，為實(shí)現(xiàn)SPP器件的光電集成提供參考。

1 定向耦合器的模型和傳輸分析

圖1所示為設(shè)計(jì)的SPP波導(dǎo)的定向耦合器結(jié)構(gòu)，它是典型的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)中刻蝕2條緊鄰的縫隙，2條縫隙是相互平行且大小相同的。前人研究表明，這樣的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)定向耦合。需要描述這一定向耦合的過(guò)程，就需要分析金屬-介質(zhì)的SPP本征模式的波導(dǎo)方程，

▽?duì)?r)▽?duì)課(r)=sn▽2φn(r)

(1)

式中：s是本征值，n為模式系數(shù)，sn為其對(duì)應(yīng)值；Θ(r)是材料的特征值函數(shù)。表面等離子頻率ωn能夠通過(guò)Re[s(ωn)]=sn得到，而頻域函數(shù)

s(ω)=εd/[εd-εm(ω)]

(2)

圖1 波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖

2 耦合特性分析

對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合電磁場(chǎng)分析，設(shè)采用的介質(zhì)的折射率為1.5，入射光波長(zhǎng)采用650 nm，金屬采用金，此波長(zhǎng)條件下金的有效折射率為0.154+3.812i。設(shè)計(jì)采用的金屬厚度對(duì)稱為200 nm。對(duì)稱縫隙寬度采用60 nm，縫隙之間間隔采用70 nm。圖2給出了縫隙的電場(chǎng)分布圖，從圖中可以看出，在Ex場(chǎng)表現(xiàn)為對(duì)稱分布形式，Eg場(chǎng)表現(xiàn)為反對(duì)稱分布形式。

電場(chǎng)傳播如圖3所示，分析傳播結(jié)果可以認(rèn)定SPP通過(guò)縫隙1向縫隙滲透，能夠?qū)崿F(xiàn)SPP在縫隙直接周期性傳播。且從圖中灰暗程度可以看出，隨著SPP傳播距離的增加電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有明顯的減弱，SPP傳播在2 μm左右，這也進(jìn)一步說(shuō)明設(shè)計(jì)定向耦合器需要盡量短。

圖2 縫隙電場(chǎng)分布

圖3 縫隙傳播過(guò)程

3 結(jié)構(gòu)特性分析

3.1縫隙大小對(duì)耦合效果影響

圖4所示為耦合長(zhǎng)度Lc隨縫隙變寬H之間的關(guān)系。由圖中可知，在一定范圍內(nèi)耦合距離與金屬大小表現(xiàn)為線性關(guān)系，而如果將縫隙設(shè)計(jì)成小于100 nm，即上述分析小于金屬層厚度時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的耦合效率，更短的耦合距離。

圖4 縫隙大小與耦合效果分析

從圖5可以看出，耦合器的能流大部分集中在與金屬條間隔較近的區(qū)域，這樣能夠提高SPP傳播的瞬時(shí)場(chǎng)，增強(qiáng)耦合效果。

圖5 縫隙大小100 nm時(shí)的能流分布

3.2縫隙間隔的影響分析

通過(guò)以上分析可以知道，設(shè)計(jì)的耦合器SPP能量沿著兩縫隙之間導(dǎo)波，即當(dāng)縫隙1能量不斷降低時(shí)，縫隙2能量將會(huì)相應(yīng)地增加。前期研究發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镾PP波導(dǎo)損耗的影響，當(dāng)縫隙2能量達(dá)到最大值時(shí)，縫隙1能量在此之前已經(jīng)減小到最小值，存在一定的相移。為了明確能量功率的特點(diǎn)，圖6給出了歸一化后的能量最大值轉(zhuǎn)移Pmax與縫隙間隔之間的關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，歸一化后的能量最大值轉(zhuǎn)移與縫隙間隔存在負(fù)線性的關(guān)系，即縫隙間隔越小，耦合轉(zhuǎn)移能量的相移越大。上述結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的定向耦合器可以通過(guò)減小縫隙間隔提高SPP傳播的耦合效果；反之，會(huì)降低耦合效果。

圖6 Pmax與縫隙間隔之間的關(guān)系

4 結(jié) 語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了一種新型微波定向耦合器，分析了縫隙大小、縫隙間隔傳播過(guò)程的電場(chǎng)和能流分布。結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小縫隙間隔和縫隙大小都能提供耦合效果，但電場(chǎng)分布結(jié)果表明耦合長(zhǎng)度不能設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)。研究結(jié)果可為SPP耦合器應(yīng)用提供模型和參數(shù)依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)SPP波導(dǎo)的光電集成提供了新方法。

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Design of Coupler Based on Substation Inspection Robot

LIANGGuojian1，LIFupeng1，WANGXia2，ZHENGHongbo2

(1.Zhongshan Power Supply Bureau,Guangdong Power Grid in Zhongshan,Zhongshan 528400,Guangdong,China; 2.Guozi the Robot Technology Co.,Ltd.,Hangzhou 310053,China)

In order to achieve the surface plasma photoelectric integrated device application,this paper uses the typical metal-medium-metal etching in two adjacent to the aperture structure to design a new type of directional coupler.By analyzing the waveguide intrinsic mode equation and the inversion of particle number and time relationship between directional couplers coupling conditions are obtained.Coupler features show that on the surface of the gap structure plasma can permeate from the gap 1 to the gap 2,and realize periodic transmission between the two gaps on the surface,and surface plasma spreads within 2 microns.There is a linear relationship between coupling distance and aperture size.When the gap designed is less than 100 nm,a higher coupling efficiency and shorter coupling distance can be achieved.The design of directional coupler can improve surface plasma by reducing the distance of gaps.

directional coupler; gap structure; coupling distance; coupling effect

2016-09-19

南方電網(wǎng)科研項(xiàng)目(K-GD2014-217)

梁國(guó)堅(jiān)(1973-)，男，廣東中山人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事變電運(yùn)行管理。

Tel.：0571-81119609；E-mail:18857161354@139.com

TN 202

：A

1006-7167(2017)07-0056-03