Design and analysis of plasmonic nanoantennas with ground plane and impedance matching

Abstract

Kablosuz nano bağlantı, lazer ile mesafe tespiti (LADAR), nano boyutlu dalga kılavuzları, nano boyutlu lazerler, yüksek verimlilikli güneş gözeleri, görünmezlik pelerini ve kanser tedavisi gibi çeşitli uygulamalar nedeniyle plazmonik alanında araştırmalar yaygındır. Plazmonik aygıtların ışığı kırınım limitinin altına odaklama ve yönlendirme becerisi sayesinde optik bant aralığını ve yoğun entegre devreleri birkaç mikrona sığdırmak artık mümkündür. Ancak ışığı bu boyutlara odaklamak ve bu boyutlardaki aygıtlarla eşleştirmek büyük bir zorluk teşkil etmektedir. Yakın zamanda metalik optik nanoantenler ışığın eşleştirilmesi ve odaklanması için kullanılmıştır. Nanoantenlerin yüzey plazmonlarını destekleme özelliği ve geleneksel radyo frekansı (RF) antenlerden miras aldığı özellikler, onları plazmonik uygulamalar için mükemmel adaylar pozisyonuna getirmektedir.Bu tezde sıkça kullanılan ve boynuz anten olarak bilinen radyo frekansı anteninin optik frekanslarda incelenmesi amaçlanmıştır. Boynuz nanoantenin bir iki telli iletim hattının (TWTL) tek eksende genişletilmiş bir yapıya sahiptir. Plazmonik boynuz nanoanten kolay üretim, iki telli iletim hattının (TWTL) ile doğal eşleşme, yüksek uçtan ışıma yönlülüğü ve yüksek verimlilik gibi avantajlara sahiptir. Analizimize nano antenin iki farklı yarı-sonsuz ortamı ayıran arayüzdeki ışıma davranışını inceleyerek başladık. Bu durumda nano antenlerin yüksek dielektrik geçirgenliğe sahip materyalin içine ışıma yaptığını gözlemledik, dolayısıyla artık uçtan ışıma yapmıyorlardı. Boynuz nanoantenlerin ışıma yönünü kontrol etmek için yüksek geçirgenliğe sahip alt katmanın arkasına metalik bir plaka yerleştirdik. Bu şekilde arka yüzünde metal plaka olan alt katmanın genişliğini değiştirerek ışın demetini büyük bir açı aralığında yönlendirebildik. Metal plakanın optik gücünün genişletilmiş bölümden iki telli iletim hattının düz kısmına geri yansımayı arttırdığını gözlemledik. Bu geri yansımayı en aza indirmek için, empedans eşleştirme tekniğine başvurduk. Bu teknik eşleştirmeyi %70 arttırdı ve giriş gücünün %99.75'i nanoantene iletildi. Ek olarak empedans eşleştirme tekniği için en az geri yansımayı sağlayan uygun parametreleri bulan bir analitik model önerdik.

There is wide spread ongoing research in the field of plasmonics due to its diverse applications in many fields such as wireless nano-links, laser detection and ranging (LADAR), nano-scale waveguides, high efficiency solar cell, nano-scale lasers, invisibility cloaking, and cancer treatment, to name a few. Plasmonic devices have the ability to concentrate, guide and manipulate light below diffraction limit, thus offering advantages like optical bandwidth and densely integrated circuitry within few microns. However, among many challenges, major concern is to efficiently couple and localize light at such scale. Recently, metallic optical nanoantennas are widely used for efficient coupling and concentrating of light. Nanoantennas' ability to support surface plasmons, and their inherited traits from conventional radio frequency (RF) antennas, makes them excellent candidates for plasmonic applications.This thesis investigates widely used RF antenna, known as horn antenna, in optical frequencies. Structure of horn nanoantenna consists of twtl flared in one axis. Plasmonic horn nanoantenna offer advantages like ease of fabrication, inherent matched coupling with TWTL, high end-fire directivity, and high efficiency. We start our analysis by investigating the effect on radiation behavior of the nanoantenna, when placed on the interface of two different semi-infinite substrates. In this case, we demonstrate that the nanoantenna radiates significant power into material with high permittivity, thus no longer radiating end-fire. In order to control radiation direction of the horn nanoantenna, we employ metallic ground plane at the back of substrate with high permittivity, and achieve beam steering, in wide range of radiation angles, by varying metal-backed substrate's thickness. We observe that metal-backed substrate increase the back reflection of power from the flares into TWTL. To minimize the back reflection, we employ impedance matching technique, which improves matching by more than 70%, and more than 99.75% of power is delivered to the nanoantenna. In addition, we propose analytical model for impedance matching technique which accurately predict optimal parameters to achieve minimum back reflection.