Log-periodic optical antennas

Abstract

English: In recent years optical antennas have been attracting very strong interest due to the unique possibilities they offer for manipulating light on a sub-wavelength scale. Most published work deals with relatively simple antenna designs while among the more sophisticated ones, apart from a few exceptions, the Yagi-Uda antenna has almost monopolized the field. Up to the author?s knowledge, the present work is the first systematic study of self-similar antennas of log-periodic type which, in spite of having been extensively studied at radiofrequencies, have hardly received any attention as potential optical devices. Numerical simulations using the FDTD method were performed for a number of antenna designs both in reception and emission mode thus exploring their spectral characteristics, the dynamics of their interaction with ultra-short pulses, the influence of their geometric parameters on their directivity and efficiency, the effect of using different antenna materials, the influence of the substrate etc. A series of dipole array LP antennas were fabricated by e-beam lithography and characterized experimentally by confocal microscopy and a conoscopy. A new multiple-feed configuration was implemented for driving the antennas, motivated by theoretically predicted multiband operation, and partial success was achieved for particular values of so called interelement distance which was one of the design parameters studied. Thus, a forward enhancement of about 3 dB was measured for antennas with sufficiently large interelement distance, and the possible reasons for the directivity damping observed in antennas with shorter interelement distance were discussed.

Castellano: En los últimos años las antenas ópticas han atraído un gran interés debido a las únicas posibilidades que ofrecen para manipular la luz a escala inferior a la de la longitud de onda. La mayor parte de los Trabajos publicados trata principalmente de diseños relativamente simples, mientras que entre los más sofisticados, aparte de algunas excepciones, las antenas de Yagi-Uda prácticamente han monopolizado el campo. El presente trabajo es el primer estudio sistemático de antenas auto-similares log-periódicas, que a pesar de haber sido estudiadas extensamente en radiofrequencias apenas han recibido atención como potenciales dispositivos ópticos. Se realizaron simulaciones numéricas mediante el método FDTD, para una sèrie de antenas de distintos diseños operando en modo de recepción y de emisión, explorando de esta manera sus características espectrales, la dinámica de su interacción con pulsos ultracortos, la influencia de sus parámetros geométricos sobre su directividad y eficiencia, el efecto del empleo de diferentes materiales, la influencia del sustrato etc. Una sèrie de antenas log-periódicas de dipolos en serie fueron fabricadas mediante litografía de haz de electrones y fueron caracterizadas mediante microscopía confocal y conoscopía. Una nueva configuración de alimentación con múltiples fuentes fue propuesta e implementada en base a las predicciones teóricas y un éxito parcial fue conseguido para valores particulares de la distancia entre los elementos de las antenas que fue uno de los parámetros de diseño estudiados. Así, para antenas con una separación entre los elementos suficientemente grande, fue medida una intensidad de la emisión ?hacia delante? del orden de 3 dB mayor que la emisión ?hacia atrás?. Se analizaron las posibles causas de la menor directividad en el caso de las antenas de menor espaciado.

Català: En els últims anys les antenes òptiques han atret un gran interès a causa de les úniques possibilitats que ofereixen per manipular la llum a escala inferior a la de la longitud d'ona. La major part dels treballs publicats tracta principalment de dissenys relativament simples, mentre que entre els més sofisticats, a part d'algunes excepcions, les antenes de Yagi-Uda pràcticament han monopolitzat el camp. El present treball és el primer estudi sistemàtic d'antenes auto-similars log-periòdiques, que malgrat haver estat estudiades extensament en radiofrequencies amb prou feines han rebut atenció com a potencials dispositius òptics. Es van realitzar simulacions numèriques mitjançant el mètode FDTD, de una sèrie d'antenes de diferents dissenys operant en modo de recepció i d'emissió, explorant d'aquesta manera les seves característiques espectrals, la dinàmica de la seva interacció amb polsos ultracortos, la influència dels seus paràmetres geomètrics sobre la seva directivitat i eficiència, l'efecte de l'ús de diferents materials, la influència del substrat etc. Una sèrie d'antenes log-periòdiques de dipols en sèrie van ser fabricades mitjançant litografia de raig d'electrons i van ser caracteritzades mitjançant microscopía confocal i conoscopía. Una nova configuració d'alimentació amb múltiples fonts va ser proposada i implementada sobre la base de les prediccions teòriques i un èxit parcial va ser aconseguit per a valors particulars de la distància entre els elements de les antenes que va ser un dels paràmetres de disseny estudiats. Així, per a antenes amb una separació entre els elements suficientment gran, va ser mesurada una intensitat de l'emissió cap a davant de l'ordre de 3 dB major que l'emissió cap a enrere. Es van analitzar les possibles causes de la menor directividad en el cas de les antenes de menor espaiat.