基于变电站巡检机器人的耦合器设计

梁国坚，李福鹏，王 霞，郑洪波

(1.广东电网有限责任公司 中山供电局，广东 中山 528400；2.浙江国自机器人技术有限公司，杭州 310053)

基于变电站巡检机器人的耦合器设计

梁国坚1，李福鹏1，王 霞2，郑洪波2

(1.广东电网有限责任公司 中山供电局，广东 中山 528400；2.浙江国自机器人技术有限公司，杭州 310053)

采用典型的金属-介质-金属中刻蚀2条紧邻的缝隙结构，设计了一种新型的定向耦合器。分析本征模式的波导方程、反转粒子数与时间关系得到了定向耦合器的耦合条件。耦合器特性表明：设计的缝隙结构表面等离子能够通过缝隙1向缝隙2渗透，实现表面等离子在缝隙间的周期性传播，表面等离子传播在2 mm左右；耦合距离与缝隙大小表现为线性的关系，当缝隙设计成小于100 nm时，能够实现更高的耦合效率，更短的耦合距离；设计的定向耦合器可以通过减小缝隙间隔提高表面等离子传播的耦合效果。

定向耦合器； 缝隙结构； 耦合距离； 耦合效果

0 引 言

表面等离子体激元(Surface Plasmon Polariton,SPP)是由于金属微结构发生变化而产生的电磁模式，其是在金属-介质交界面上传播，且不受衍射极限的限制情况下传播光能量[1-3]。上述特性使SPP光电器件在光通信、光计算等领域发挥重要的作用，较为典型的代表性器件就是MgF2层银膜中增加CdS纳米线结构，其光源设计为15 nm的SiO2球包裹14 nm金核，周围密度为6.25×1019cm-3染料分子，得到了输出光谱峰值约530 nm，输出光强表现为激光特性[4-6]。还有典型的就是近场扫描光学显微镜下设计的V形SPP波导，实现了波分复用、Bragg光栅滤波等作用。然而，尽管研究人员实现了将光场约束到几十纳米的量级，但设计的波导器件损耗依然很大[7-9]。目前，SPP波导器件面临的主要困难在于欧姆效应导致的强烈衰减，550 nm的可见光在理想单一界面中传输距离仅2 μm左右，这显然无法实现光子器件的应用[10-13]。基于上述背景，本文设计一种新型的微波SPP波导定向耦合器，为实现SPP器件的光电集成提供参考。

1 定向耦合器的模型和传输分析

图1所示为设计的SPP波导的定向耦合器结构，它是典型的金属-介质-金属结构中刻蚀2条紧邻的缝隙，2条缝隙是相互平行且大小相同的。前人研究表明，这样的结构能够实现定向耦合。需要描述这一定向耦合的过程，就需要分析金属-介质的SPP本征模式的波导方程，

▽Θ(r)▽φn(r)=sn▽2φn(r)

(1)

式中：s是本征值，n为模式系数，sn为其对应值；Θ(r)是材料的特征值函数。表面等离子频率ωn能够通过Re[s(ωn)]=sn得到，而频域函数

s(ω)=εd/[εd-εm(ω)]

(2)

图1 波导定向耦合器的结构示意图

2 耦合特性分析

对上述结构进行耦合电磁场分析，设采用的介质的折射率为1.5，入射光波长采用650 nm，金属采用金，此波长条件下金的有效折射率为0.154+3.812i。设计采用的金属厚度对称为200 nm。对称缝隙宽度采用60 nm，缝隙之间间隔采用70 nm。图2给出了缝隙的电场分布图，从图中可以看出，在Ex场表现为对称分布形式，Eg场表现为反对称分布形式。

电场传播如图3所示，分析传播结果可以认定SPP通过缝隙1向缝隙渗透，能够实现SPP在缝隙直接周期性传播。且从图中灰暗程度可以看出，随着SPP传播距离的增加电场强度会有明显的减弱，SPP传播在2 μm左右，这也进一步说明设计定向耦合器需要尽量短。

图2 缝隙电场分布

图3 缝隙传播过程

3 结构特性分析

3.1缝隙大小对耦合效果影响

图4所示为耦合长度Lc随缝隙变宽H之间的关系。由图中可知，在一定范围内耦合距离与金属大小表现为线性关系，而如果将缝隙设计成小于100 nm，即上述分析小于金属层厚度时，能够实现更高的耦合效率，更短的耦合距离。

图4 缝隙大小与耦合效果分析

从图5可以看出，耦合器的能流大部分集中在与金属条间隔较近的区域，这样能够提高SPP传播的瞬时场，增强耦合效果。

图5 缝隙大小100 nm时的能流分布

3.2缝隙间隔的影响分析

通过以上分析可以知道，设计的耦合器SPP能量沿着两缝隙之间导波，即当缝隙1能量不断降低时，缝隙2能量将会相应地增加。前期研究发现，因为SPP波导损耗的影响，当缝隙2能量达到最大值时，缝隙1能量在此之前已经减小到最小值，存在一定的相移。为了明确能量功率的特点，图6给出了归一化后的能量最大值转移Pmax与缝隙间隔之间的关系。从图中可以发现，归一化后的能量最大值转移与缝隙间隔存在负线性的关系，即缝隙间隔越小，耦合转移能量的相移越大。上述结果验证了设计的定向耦合器可以通过减小缝隙间隔提高SPP传播的耦合效果；反之，会降低耦合效果。

图6 Pmax与缝隙间隔之间的关系

4 结 语

文中设计了一种新型微波定向耦合器，分析了缝隙大小、缝隙间隔传播过程的电场和能流分布。结果发现通过减小缝隙间隔和缝隙大小都能提供耦合效果，但电场分布结果表明耦合长度不能设计过长。研究结果可为SPP耦合器应用提供模型和参数依据，为实现SPP波导的光电集成提供了新方法。

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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

南方电网科研项目(K-GD2014-217)

梁国坚(1973-)，男，广东中山人，硕士，高级工程师，主要从事变电运行管理。

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

TN 202

：A

1006-7167(2017)07-0056-03