Optisk antenne spreder forskellige farver af lys i forskellige retninger

(Phys.org) – Forskere har fremstillet en optisk siliciumantenne, der ligner en ekstremt lille, speciel slags prisme. Dette skyldes, at når et rødt lys skinner på den optiske antenne, lyset drejer til højre, men når lyset er en anden farve som orange, den drejer til venstre.

Denne usædvanlige ejendom, som kaldes "tovejs farvespredning, " gør det muligt for den optiske antenne at fungere effektivt som en passiv bølgelængde router til synligt lys. Enheden kunne have applikationer til innovative lyssensorer, let-stof manipulation, og optisk kommunikation.

Den nye optiske antenne er udviklet af et team af forskere, Jiaqi Li et al ., ved imec (Interuniversity MicroElectronics Center) og University of Leuven (KU Leuven), både i Leuven, Belgien. Deres arbejde er offentliggjort i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Selvom optiske antenner er et relativt nyt forskningsområde, de er simpelthen den optiske version af radio- og mikrobølgeantennerne, som de fleste kender, som almindeligvis bruges til at modtage og sende signaler i radioer, mobiltelefoner, og Wi-Fi.

Generelt, en antennes størrelse svarer til de bølgelængder, den er designet til. Da radio- og mikrobølgebølger er på skalaen fra millimeter til kilometer, disse antenner kan være ret store. Da bølgelængden af ​​synligt lys er på skalaen af ​​et par hundrede nanometer, tuning ind på disse signaler kræver antenner i nanostørrelse, som er meget sværere at fremstille.

Et specielt formet stykke silicium

I løbet af de sidste par år, imec og KU Leuven-teamet har undersøgt mulighederne for retningsbestemt lysmanipulation på disse længdeskalaer ved hjælp af en antenne, der kun består af et enkelt element. I 2013 ved hjælp af guld nanoantenner, de var i stand til at demonstrere verdens mindste ensrettede optiske antenne, i form af bogstavet V. Disse metalliske antenner understøtter såkaldte "plasmoniske tilstande, ", som er fundamentalt forskellige fra de optiske tilstande, der understøttes af en dielektrisk antenne.

Nu, ved at skifte til en dielektrisk V-formet antenne lavet af silicium, forskerne kunne opnå tovejsspredning, i modsætning til ensrettet spredning ved brug af guld. Ved tovejsspredning, spredningsretningen afhænger af bølgelængden af ​​det indkommende (indfaldende) lys. Skiftet i retning er gradvist. For eksempel, da bølgelængden falder fra 755 nm til 660 nm, spredningsretningen skifter gradvist fra venstre til højre. De specifikke bølgelængder kan indstilles ved at lave små justeringer af antennens størrelse og form.

"Med vores arbejde, vi demonstrerer, at ved omhyggeligt at konstruere geometrien af ​​et enkelt stykke silicium med dimensioner mindre end lysets bølgelængde, det er muligt effektivt at rette synligt og nær-infrarødt lys af forskellige farver i forskellige retninger, "medforfatter Niels Verellen, en fysiker ved imec og KU Leuven, fortalte Phys.org . "Det her, for eksempel, var ikke muligt med kun symmetriske partikler eller lignende formede metalliske (plasmoniske) antenner."

At bruge silicium giver flere fordele i forhold til at bruge guld. For eksempel, silicium omgår ohmske absorptionstab, hvilket er en af ​​de største ulemper ved plasmoniske nanoantenner. Ud over, siliciumantennerne har et stort spredningstværsnit, hvilket betyder, at de kan interagere med lys meget effektivt. Silicium er også et fuldt CMOS-kompatibelt materiale, tillader ligetil integration i storstilet opto-elektronisk enhedsfremstilling.

"Vores meget små optiske siliciumantenner nærmer sig grænserne for, hvor lille en funktionel optisk komponent kan være, " sagde Li. "De udgør en bro mellem den makroskala optik, som de fleste mennesker er meget fortrolige med, og mikro- og nanoskalaen af ​​moderne elektronik, og endda den molekylære og atomare skala."

Når man undersøger den underliggende fysik af den tovejs spredning, forskerne fandt ud af, at den tovejseffekt opstår fra interferens mellem alle de forskellige elektromagnetiske tilstande, der understøttes af antennen. Alle antennens elektriske og magnetiske tilstande spreder indfaldende lys i forskellige vinkler og mønstre, og det endelige mønster kan beskrives som kombinationen af ​​alle disse tilstande, eller multipoler. Ved at nedbryde dette totale spredningsmønster, forskerne kunne afgøre, hvilke multipoler der dominerer spredningen. Det viser sig, at den samtidige excitation af to af de dominerende multipoler (en magnetisk dipol og en elektrisk quadrupol) kun er mulig i den asymmetrisk formede antenne, understreger vigtigheden af ​​antennegeometrien.

Lille antenne, mange anvendelser

Med hensyn til applikationer, den tovejs optiske antenne kunne bruges til at gøre mere kompakt, billigere, og mere effektive enheder til lysmåling, såsom optiske sensorer og fotodetektorer. Disse enheder bruges i en række forskellige områder, herunder biovidenskab, solcelleanlæg, optiske fibre, miljøovervågning, LIDAR, holografi, og kvanteberegning. Forskerne planlægger at udforske disse applikationer og mange andre i fremtiden.

"Dielektriske antenner danner lovende byggeklodser med et meget lille fodaftryk til mikroskopiske eller nanostørrelser optiske systemer, " Verellen sagde. "Selektiv afsendelse eller modtagelse af fotoner i eller fra bestemte retninger er vigtigt i dette felt. For eksempel, i fotoniske integrerede kredsløb (PIC), gitterkoblere bruges til at sende lys fra en laser eller optisk fiber ind i en bølgeleder på chippen. Disse ristkoblinger er relativt store komponenter, flere bølgelængder i størrelse, som potentielt kan erstattes af en eller nogle få retningsbestemte optiske antenner.

"Især i nanofotoniske applikationer, hvor hver foton tæller, man drager umiddelbart fordel af rettet foton routing (bølgefrontsteknik) til effektiv fotonopsamling – tænk, for eksempel, af Raman-spektroskopi og kvanteoptik. Lys routing kan, for eksempel, bruges til at transmittere signaler eller øge signal-til-støj-forholdet for en detektor.

"Bølgelængdeafhængig retningsbestemmelse er også lovende til skalering af lysbaserede sensorer (f.eks. biologisk eller kemisk). Sensorer er ofte baseret på detektering af ændringer i lysspektret, der kommer fra en prøve, såsom spredt, transmitteret eller fluorescerende lys. Evaluering af den spektrale information udføres ved hjælp af gitre eller filtre. Disse komponenter er store og svære at miniaturisere. Hvis den spektrale information allerede ville være til stede i sprednings- eller emissionsmønstrene, der kommer fra en retningsbestemt optisk antenne, der er placeret i umiddelbar nærhed af prøven, dette kunne forenkle spektralanalyse, hvilket kan resultere i billigere og mere kompakte enheder."

I fremtidig forskning, forskerne planlægger at undersøge, hvordan den nye optiske antenne håndterer lys fra en meget lille lyskilde, såsom en kvanteprik. De ønsker også at udforske aktivt at manipulere lyset.

"I øjeblikket, funktionaliteten af ​​siliciumantennen er passiv, " sagde Li. "Dette betyder, at en gang fabrikeret, antennen vil altid dirigere de samme farver i de samme retninger. Imidlertid, vi kunne give antennen et lille motivationsboost og gøre den aktiv ved at modulere dens optiske egenskaber. Ved at anvende en ekstern cue, vi kan så grundlæggende fortælle antennen, hvilken farve vi vil rette i hvilken retning."

© 2016 Phys.org