基于變電站巡檢機器人的耦合器設計

梁國堅，李福鵬，王 霞，鄭洪波

(1.廣東電網有限責任公司 中山供電局，廣東 中山 528400；2.浙江國自機器人技術有限公司，杭州 310053)

基于變電站巡檢機器人的耦合器設計

梁國堅1，李福鵬1，王 霞2，鄭洪波2

(1.廣東電網有限責任公司 中山供電局，廣東 中山 528400；2.浙江國自機器人技術有限公司，杭州 310053)

采用典型的金屬-介質-金屬中刻蝕2條緊鄰的縫隙結構，設計了一種新型的定向耦合器。分析本征模式的波導方程、反轉粒子數與時間關系得到了定向耦合器的耦合條件。耦合器特性表明：設計的縫隙結構表面等離子能夠通過縫隙1向縫隙2滲透，實現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為線性的關系，當縫隙設計成小于100 nm時，能夠實現更高的耦合效率，更短的耦合距離；設計的定向耦合器可以通過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； 縫隙結構； 耦合距離； 耦合效果

0 引 言

表面等離子體激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由于金屬微結構發生變化而產生的電磁模式，其是在金屬-介質交界面上傳播，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、光計算等領域發揮重要的作用，較為典型的代表性器件就是MgF2層銀膜中增加CdS納米線結構，其光源設計為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，輸出光強表現為激光特性[4-6]。還有典型的就是近場掃描光學顯微鏡下設計的V形SPP波導，實現了波分復用、Bragg光柵濾波等作用。然而，盡管研究人員實現了將光場約束到幾十納米的量級，但設計的波導器件損耗依然很大[7-9]。目前，SPP波導器件面臨的主要困難在于歐姆效應導致的強烈衰減，550 nm的可見光在理想單一界面中傳輸距離僅2 μm左右，這顯然無法實現光子器件的應用[10-13]。基于上述背景，本文設計一種新型的微波SPP波導定向耦合器，為實現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所示為設計的SPP波導的定向耦合器結構，它是典型的金屬-介質-金屬結構中刻蝕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，這樣的結構能夠實現定向耦合。需要描述這一定向耦合的過程，就需要分析金屬-介質的SPP本征模式的波導方程，

▽Θ(r)▽φn(r)=sn▽2φn(r)

(1)

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

s(ω)=εd/[εd-εm(ω)]

(2)

圖1 波導定向耦合器的結構示意圖

2 耦合特性分析

對上述結構進行耦合電磁場分析，設采用的介質的折射率為1.5，入射光波長采用650 nm，金屬采用金，此波長條件下金的有效折射率為0.154+3.812i。設計采用的金屬厚度對稱為200 nm。對稱縫隙寬度采用60 nm，縫隙之間間隔采用70 nm。圖2給出了縫隙的電場分布圖，從圖中可以看出，在Ex場表現為對稱分布形式，Eg場表現為反對稱分布形式。

電場傳播如圖3所示，分析傳播結果可以認定SPP通過縫隙1向縫隙滲透，能夠實現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強度會有明顯的減弱，SPP傳播在2 μm左右，這也進一步說明設計定向耦合器需要盡量短。

圖2 縫隙電場分布

圖3 縫隙傳播過程

3 結構特性分析

3.1縫隙大小對耦合效果影響

圖4所示為耦合長度Lc隨縫隙變寬H之間的關系。由圖中可知，在一定范圍內耦合距離與金屬大小表現為線性關系，而如果將縫隙設計成小于100 nm，即上述分析小于金屬層厚度時，能夠實現更高的耦合效率，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域，這樣能夠提高SPP傳播的瞬時場，增強耦合效果。

圖5 縫隙大小100 nm時的能流分布

3.2縫隙間隔的影響分析

通過以上分析可以知道，設計的耦合器SPP能量沿著兩縫隙之間導波，即當縫隙1能量不斷降低時，縫隙2能量將會相應地增加。前期研究發現，因為SPP波導損耗的影響，當縫隙2能量達到最大值時，縫隙1能量在此之前已經減小到最小值，存在一定的相移。為了明確能量功率的特點，圖6給出了歸一化后的能量最大值轉移Pmax與縫隙間隔之間的關系。從圖中可以發現，歸一化后的能量最大值轉移與縫隙間隔存在負線性的關系，即縫隙間隔越小，耦合轉移能量的相移越大。上述結果驗證了設計的定向耦合器可以通過減小縫隙間隔提高SPP傳播的耦合效果；反之，會降低耦合效果。

圖6 Pmax與縫隙間隔之間的關系

4 結 語

文中設計了一種新型微波定向耦合器，分析了縫隙大小、縫隙間隔傳播過程的電場和能流分布。結果發現通過減小縫隙間隔和縫隙大小都能提供耦合效果，但電場分布結果表明耦合長度不能設計過長。研究結果可為SPP耦合器應用提供模型和參數依據，為實現SPP波導的光電集成提供了新方法。

[1] Liu Linzhong,Yang Juhua,Mu Haibo,etal.Exact algorithms for multi-criteria multi-modal shortest path with transfer delaying and arriving time-window in urban transit network[J].Applied Mathematical Modelling,2014,38(9/10):2613-2629.

[2] Kim Sun Ae,Yu Ji Hyun,Rhee Min Suk,etal.A rapid and simple screening method of Cronobacter spp.in cell suspension and tofu[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2013,93(6):1520-1524.

[3] Voss M,Schrder B,Fluhrer R,etal.Mechanism,specificity,and physiology of signal peptide peptidase (SPP) and SPP-like proteases[J].Biochimicaet Biophysica Acta Biomembranes,2013,1828(12):2828-2839.

[4] 左勁風,楊明武,張祖華，等.一種任意阻抗變換比集總寬帶正交定向耦合器的分析方法[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2016,39(3):342-346.

[5] 周 越,申冀湘,宋 亮，等.電感補償高方向性的微帶定向耦合器[J].無線電工程,2013,43(7):38-40.

[6] 朱 君,秦柳麗,宋樹祥，等.SPASER技術的MIM波導放大器特性分析[J].紅外與激光工程,2016,45(3):0320002-1-0320002-7.

[7] Ehsan Taghizadeh Tousi,Rokiah Hashim,Sabar Bauk,etal.Some properties of particleboards produced from Rhizophora spp.as a tissue-equivalent phantom material bonded with Eremurus spp[J].Measurement,2014,54:14-21.

[8] Priti Khemariya,Sudhir Singh,Gopal Nath,etal.Subspecies-specific nested PCR assay for detection of Lactococcus lactis spp.lactis and spp.cremoris[J].Food Biotechnology,2013,27(1/4):222-234.

[9] Ruan J,Li M,Liu Y P,etal.Rapid and sensitive detection of Cronobacter spp.(previously Enterobacter sakazakii) in food by duplex PCR combined with capillary electrophoresis-laser-induced fluorescence detector[J].Journal of Chromatography,B.Analytical Technologies in the Biomedical and Life Sciences,2013,921/922:15-20.

[10] Divakara S T,Santosh P,Aiyaz M,etal.Molecular identification and characterization of fusarium spp.associated with sorghum seeds[J].Journal of the Science of Food and Agriculture,2014,94(6):1132-1139.

[11] 方舜宇,朱守正.一種新型微波大功率雙定向耦合器的設計[J].真空電子技術,2013(5):37-40

[12] 白 珍,李國林,張軍等.X波段高功率微波選模定向耦合器[J].強激光與粒子束,2013,25(7):1747-1750.

[13] 孫 鈞,胡詠梅,張立剛，等.圓波導定向耦合器在高功率微波測量中的應用[J].強激光與粒子束,2014,26(6):186-189.

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

南方電網科研項目(K-GD2014-217)

梁國堅(1973-)，男，廣東中山人，碩士，高級工程師，主要從事變電運行管理。

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

TN 202

：A

1006-7167(2017)07-0056-03