(Phys.org)—Onderzoekers hebben een optische antenne van silicium gefabriceerd die enigszins lijkt op een extreem kleine, speciaal soort prisma. Dit komt omdat wanneer een rood lampje op de optische antenne schijnt, het licht gaat naar rechts, maar wanneer het licht een andere kleur heeft, zoals oranje, het draait naar links.

Dit ongewone pand, die "bidirectionele kleurverstrooiing, " stelt de optische antenne in staat om effectief te functioneren als een passieve golflengterouter voor zichtbaar licht. Het apparaat zou toepassingen kunnen hebben voor innovatieve lichtsensoren, licht-materie manipulatie, en optische communicatie.

De nieuwe optische antenne is ontwikkeld door een team van onderzoekers, Jiaqi Li et al ., bij imec (Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum) en de KU Leuven (KU Leuven), zowel in Leuven, België. Hun werk is gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Hoewel optische antennes een relatief nieuw onderzoeksgebied zijn, ze zijn gewoon de optische versie van de radio- en microgolfantennes die de meeste mensen kennen, die gewoonlijk worden gebruikt voor het ontvangen en verzenden van signalen in radio's, telefoons, en wifi.

In het algemeen, de grootte van een antenne komt overeen met de golflengten waarvoor deze is ontworpen. Aangezien radio- en microgolfgolven op de schaal van millimeters tot kilometers liggen, deze antennes kunnen behoorlijk groot zijn. Aangezien de golflengte van zichtbaar licht op de schaal van enkele honderden nanometers ligt, afstemmen op deze signalen vereist antennes van nanoformaat, die veel moeilijker te fabriceren zijn.

Een speciaal gevormd stuk silicium

De afgelopen jaren is het team van imec en KU Leuven heeft de mogelijkheden van gerichte lichtmanipulatie op deze lengteschalen onderzocht met behulp van een antenne die uit slechts één enkel element bestaat. In 2013, met behulp van gouden nanoantennes, ze waren in staat om 's werelds kleinste unidirectionele optische antenne te demonstreren, in de vorm van de letter V. Deze metalen antennes ondersteunen zogenaamde "plasmonische" modi, " die fundamenteel verschillen van de optische modi die worden ondersteund door een diëlektrische antenne.

Nutsvoorzieningen, door over te schakelen naar een diëlektrische V-vormige antenne gemaakt van silicium, de onderzoekers konden bidirectionele verstrooiing bereiken, in tegenstelling tot unidirectionele verstrooiing bij gebruik van goud. Bij bidirectionele verstrooiing, de verstrooiingsrichting is afhankelijk van de golflengte van het invallende (invallende) licht. De richtingsverandering gaat geleidelijk. Bijvoorbeeld, als de golflengte afneemt van 755 nm tot 660 nm, de verstrooiingsrichting verandert geleidelijk van links naar rechts. De specifieke golflengten kunnen worden afgestemd door kleine aanpassingen te maken aan de grootte en vorm van de antenne.

"Met ons werk laten we zien dat door zorgvuldig de geometrie van een enkel stuk silicium te ontwerpen met afmetingen die kleiner zijn dan de lichtgolflengte, het is mogelijk om zichtbaar en nabij-infrarood licht van verschillende kleuren efficiënt in verschillende richtingen te richten, " coauteur Niels Verellen, een fysicus bij imec en KU Leuven, vertelde Phys.org . "Dit, bijvoorbeeld, was niet mogelijk met alleen symmetrische deeltjes of soortgelijk gevormde metalen (plasmonische) antennes."

Het gebruik van silicium biedt verschillende voordelen ten opzichte van het gebruik van goud. Bijvoorbeeld, silicium omzeilt Ohmse absorptieverliezen, dat is een van de belangrijkste nadelen van plasmonische nanoantennes. In aanvulling, de siliciumantennes hebben een grote verstrooiingsdoorsnede, wat betekent dat ze zeer efficiënt kunnen interageren met licht. Silicium is ook een volledig CMOS-compatibel materiaal, waardoor eenvoudige integratie in grootschalige fabricage van opto-elektronische apparaten mogelijk is.

"Onze zeer kleine optische siliciumantennes naderen de grenzen van hoe klein een functionele optische component kan zijn, "Zei Li. "Ze vormen een brug tussen de optica op macroschaal waar de meeste mensen erg bekend mee zijn, en de micro- en nanoschaal van moderne elektronica, en zelfs de moleculaire en atomaire schaal."

Bij het onderzoeken van de onderliggende fysica van de bidirectionele verstrooiing, de onderzoekers ontdekten dat het bidirectionele effect voortkomt uit interferentie tussen alle verschillende elektromagnetische modi die door de antenne worden ondersteund. Alle elektrische en magnetische modi van de antenne verstrooien invallend licht onder verschillende hoeken en patronen, en het uiteindelijke patroon kan worden omschreven als de combinatie van al deze modi, of multipolen. Door dit totale verstrooiingspatroon te ontleden, de onderzoekers konden bepalen welke multipolen de verstrooiing domineren. Het blijkt dat de gelijktijdige excitatie van twee van de dominante multipolen (een magnetische dipool en een elektrische quadrupool) alleen mogelijk is in de asymmetrisch gevormde antenne, benadrukt het belang van de antennegeometrie.

kleine antenne, veel gebruik

Op het gebied van toepassingen, de bidirectionele optische antenne zou kunnen worden gebruikt om compacter te maken, goedkoper, en efficiëntere apparaten voor het meten van licht, zoals optische sensoren en fotodetectoren. Deze apparaten worden op verschillende gebieden gebruikt, inclusief de levenswetenschappen, fotovoltaïsche, optische vezels, milieu Controle, LIDAR, holografie, en kwantumcomputers. De onderzoekers zijn van plan om deze toepassingen en vele andere in de toekomst te verkennen.

"Diëlektrische antennes vormen veelbelovende bouwstenen met een zeer kleine voetafdruk voor microscopische of nano-optische systemen, Verellen zei. "Het selectief verzenden of ontvangen van fotonen in of uit bepaalde richtingen is belangrijk in dit veld. Bijvoorbeeld, in fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC), roosterkoppelingen worden gebruikt om licht afkomstig van een laser of optische vezel in een golfgeleider op de chip te lanceren. Deze roosterkoppelingen zijn relatief grote componenten, verschillende golflengten in grootte, die mogelijk kan worden vervangen door een of enkele directionele optische antennes.

"Vooral in nanofotonica-toepassingen waar elk foton telt, men profiteert onmiddellijk van gerichte fotonenroutering (wavefront-engineering) voor efficiënte fotonenverzameling - denk, bijvoorbeeld, van Raman-spectroscopie en kwantumoptica. Lichtroutering kan, bijvoorbeeld, worden gebruikt om signalen uit te zenden of de signaal-ruisverhouding van een detector te vergroten.

"Golflengteafhankelijke gerichtheid is ook veelbelovend voor het schalen van op licht gebaseerde sensoren (bijv. biologisch of chemisch). Sensoren zijn vaak gebaseerd op de detectie van veranderingen in het lichtspectrum afkomstig van een monster, zoals verspreid, doorvallend of fluorescerend licht. Het evalueren van de spectrale informatie gebeurt door roosters of filters. Deze componenten zijn groot en moeilijk te miniaturiseren. Als de spectrale informatie al aanwezig zou zijn in de verstrooiings- of emissiepatronen afkomstig van een directionele optische antenne die dicht bij het monster is geplaatst, dit zou de spectrale analyse kunnen vereenvoudigen, wat zou kunnen resulteren in goedkopere en compactere apparaten."

In toekomstig onderzoek, de wetenschappers zijn van plan te onderzoeken hoe de nieuwe optische antenne omgaat met licht van een zeer kleine lichtbron, zoals een kwantumpunt. Ze willen ook onderzoeken hoe ze het licht actief kunnen manipuleren.

"Momenteel, de functionaliteit van de siliciumantenne is passief, " zei Li. "Dit betekent dat, eenmaal gefabriceerd, de antenne zal altijd dezelfde kleuren in dezelfde richting sturen. Echter, we zouden de antenne een kleine motivatieboost kunnen geven en hem actief kunnen maken door zijn optische eigenschappen te moduleren. Door een externe cue toe te passen, dan kunnen we de antenne in principe vertellen welke kleur we in welke richting willen sturen."

© 2016 Fys.org