(Phys.org) – Forskare har tillverkat en optisk kiselantenn som är ungefär som en extremt liten, speciell sorts prisma. Detta beror på att när ett rött ljus lyser på den optiska antennen, ljuset svänger höger, men när ljuset är en annan färg som orange, den svänger till vänster.

Denna ovanliga egendom, som kallas "dubbelriktad färgspridning, " gör det möjligt för den optiska antennen att fungera effektivt som en passiv våglängdsrouter för synligt ljus. Enheten kan ha tillämpningar för innovativa ljussensorer, manipulation av lätt materia, och optisk kommunikation.

Den nya optiska antennen utvecklades av ett team av forskare, Jiaqi Li et al ., vid imec (Interuniversity MicroElectronics Center) och University of Leuven (KU Leuven), både i Leuven, Belgien. Deras arbete publiceras i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

Även om optiska antenner är ett relativt nytt forskningsområde, de är helt enkelt den optiska versionen av radio- och mikrovågsantennerna som de flesta känner till, som vanligtvis används för att ta emot och sända signaler i radioapparater, mobiltelefoner, och Wi-Fi.

I allmänhet, en antenns storlek motsvarar de våglängder som den är designad för. Eftersom radio- och mikrovågsvågor är på skalan från millimeter till kilometer, dessa antenner kan vara ganska stora. Eftersom våglängden för synligt ljus är på skalan av några hundra nanometer, att ställa in dessa signaler kräver nanostora antenner, som är mycket svårare att tillverka.

En speciellt formad bit kisel

Under de senaste åren, imec och KU Leuven-teamet har undersökt möjligheterna till riktningsstyrd ljusmanipulation på dessa längdskalor med hjälp av en antenn som bara består av ett enda element. Under 2013, använder guld nanoantenner, de kunde demonstrera världens minsta enkelriktade optiska antenn, i form av bokstaven V. Dessa metallantenner stöder så kallade "plasmoniska lägen, " som är fundamentalt olika från de optiska lägena som stöds av en dielektrisk antenn.

Nu, genom att byta till en dielektrisk V-formad antenn gjord av kisel, forskarna kunde uppnå dubbelriktad spridning, i motsats till enkelriktad spridning vid användning av guld. Vid dubbelriktad spridning, spridningsriktningen beror på våglängden på det inkommande (infallande) ljuset. Riktningsförskjutningen sker gradvis. Till exempel, när våglängden minskar från 755 nm till 660 nm, spridningsriktningen ändras gradvis från vänster till höger. De specifika våglängderna kan ställas in genom att göra små justeringar av antennens storlek och form.

"Med vårt arbete, vi visar att genom att noggrant konstruera geometrin hos en enda bit kisel med dimensioner mindre än ljusets våglängd, det är möjligt att effektivt rikta synligt och nära-infrarött ljus av olika färger i olika riktningar, "medförfattare Niels Verellen, en fysiker vid imec och KU Leuven, berättade Phys.org . "Detta, till exempel, var inte möjligt med bara symmetriska partiklar eller liknande formade metalliska (plasmoniska) antenner."

Att använda kisel ger flera fördelar jämfört med att använda guld. Till exempel, kisel kringgår ohmska absorptionsförluster, vilket är en av de största nackdelarna med plasmoniska nanoantenner. Dessutom, kiselantennerna har ett stort spridningstvärsnitt, vilket innebär att de kan interagera med ljus mycket effektivt. Kisel är också ett helt CMOS-kompatibelt material, möjliggör enkel integration i storskalig optoelektronisk enhetstillverkning.

"Våra mycket små optiska kiselantenner närmar sig gränserna för hur liten en funktionell optisk komponent kan vara, ", sa Li. "De utgör en bro mellan den makroskala optiken som de flesta människor är mycket bekanta med, och mikro- och nanoskalan av modern elektronik, och till och med den molekylära och atomära skalan."

När man undersöker den underliggande fysiken för dubbelriktad spridning, forskarna fann att den dubbelriktade effekten uppstår från störningar mellan alla olika elektromagnetiska lägen som stöds av antennen. Alla antennens elektriska och magnetiska lägen sprider infallande ljus i distinkta vinklar och mönster, och det slutliga mönstret kan beskrivas som kombinationen av alla dessa lägen, eller multipoler. Genom att bryta ner detta totala spridningsmönster, forskarna kunde avgöra vilka multipoler som dominerar spridningen. Det visar sig att den samtidiga exciteringen av två av de dominerande multipolerna (en magnetisk dipol och en elektrisk kvadrupol) endast är möjlig i den asymmetriskt formade antennen, betonar vikten av antenngeometrin.

Liten antenn, många användningsområden

När det gäller applikationer, den dubbelriktade optiska antennen kan användas för att göra mer kompakt, billigare, och effektivare anordningar för att mäta ljus, såsom optiska sensorer och fotodetektorer. Dessa enheter används inom en mängd olika områden, inklusive biovetenskap, solceller, optiska fibrer, miljöövervakning, LIDAR, holografi, och kvantberäkning. Forskarna planerar att utforska dessa tillämpningar och många andra i framtiden.

"Dielektriska antenner bildar lovande byggstenar med ett mycket litet fotavtryck för mikroskopiska eller nanostora optiska system, "Selektivt skicka eller ta emot fotoner i eller från vissa riktningar är viktigt i detta område," sa Verellen. Till exempel, i fotoniska integrerade kretsar (PIC), gitterkopplare används för att skicka ljus som kommer från en laser eller optisk fiber in i en vågledare på chipet. Dessa gallerkopplingar är relativt stora komponenter, flera våglängder i storlek, som potentiellt kan ersättas av en eller ett fåtal riktade optiska antenner.

"Särskilt i nanofotonikapplikationer där varje foton räknas, man drar direkt nytta av riktad fotonrouting (vågfrontsteknik) för effektiv fotoninsamling – tänk, till exempel, av Ramanspektroskopi och kvantoptik. Ljusdirigering kan, till exempel, användas för att sända signaler eller öka signal-brusförhållandet för en detektor.

"Våglängdsberoende riktbarhet är också lovande för skalning av ljusbaserade sensorer (t.ex. biologiska eller kemiska). Sensorer är ofta baserade på detektering av förändringar i ljusspektrumet som kommer från ett prov, såsom utspridda, genomsläppt eller fluorescerande ljus. Utvärdering av spektralinformationen görs med gitter eller filter. Dessa komponenter är stora och svåra att miniatyrisera. Om den spektrala informationen redan skulle finnas i spridnings- eller emissionsmönstren som kommer från en riktad optisk antenn placerad i omedelbar närhet av provet, detta skulle kunna förenkla spektralanalys, vilket kan resultera i billigare och mer kompakta enheter."

I framtida forskning, forskarna planerar att undersöka hur den nya optiska antennen hanterar ljus från en mycket liten ljuskälla, till exempel en kvantprick. De vill också utforska att aktivt manipulera ljuset.

"För närvarande, funktionaliteten hos kiselantennen är passiv, " sa Li. "Detta betyder att, en gång tillverkad, antennen kommer alltid att dirigera samma färger i samma riktningar. Dock, vi skulle kunna ge antennen en liten motivationsboost och göra den aktiv genom att modulera dess optiska egenskaper. Genom att applicera någon extern signal, vi kan då i princip tala om för antennen vilken färg vi vill rikta i vilken riktning."

© 2016 Phys.org