(Phys.org)—I ricercatori hanno fabbricato un'antenna ottica in silicio che è in qualche modo simile a un'antenna estremamente piccola, tipo speciale di prisma. Questo perché quando una luce rossa illumina l'antenna ottica, la luce gira a destra, ma quando la luce è di un altro colore come l'arancione, gira a sinistra.

Questa struttura insolita, che si chiama "scattering bidirezionale del colore, " consente all'antenna ottica di funzionare efficacemente come router di lunghezza d'onda passivo per la luce visibile. Il dispositivo potrebbe avere applicazioni per sensori di luce innovativi, manipolazione della materia leggera, e comunicazione ottica.

La nuova antenna ottica è stata sviluppata da un team di ricercatori, Jiaqi Li et al ., presso l'imec (Centro Interuniversitario di Microelettronica) e l'Università di Lovanio (KU Leuven), sia a Lovanio, Belgio. Il loro lavoro è pubblicato in un recente numero di Nano lettere .

Sebbene le antenne ottiche siano un'area di ricerca relativamente nuova, sono semplicemente la versione ottica delle antenne radio e microonde con cui la maggior parte delle persone ha familiarità, comunemente usati per ricevere e trasmettere segnali nelle radio, telefono cellulare, e Wi-Fi.

Generalmente, la dimensione di un'antenna corrisponde alle lunghezze d'onda per cui è stata progettata. Poiché le onde radio e a microonde sono sulla scala da millimetri a chilometri, queste antenne possono essere abbastanza grandi. Poiché la lunghezza d'onda della luce visibile è sulla scala di poche centinaia di nanometri, sintonizzarsi su questi segnali richiede antenne nanometriche, che sono molto più difficili da fabbricare.

Un pezzo di silicone dalla forma speciale

Negli ultimi anni, il team di imec e KU Leuven ha esplorato le possibilità di manipolazione della luce direzionale a queste scale di lunghezza utilizzando un'antenna costituita da un solo elemento. Nel 2013, utilizzando nanoantenne d'oro, sono stati in grado di dimostrare la più piccola antenna ottica unidirezionale al mondo, a forma di lettera V. Queste antenne metalliche supportano i cosiddetti "plasmonici modalità, " che sono fondamentalmente diversi dai modi ottici supportati da un'antenna dielettrica.

Ora, passando a un'antenna dielettrica a forma di V in silicio, i ricercatori potrebbero ottenere la diffusione bidirezionale, in contrasto con la dispersione unidirezionale nel caso dell'uso dell'oro. Nella diffusione bidirezionale, la direzione di diffusione dipende dalla lunghezza d'onda della luce (incidente) in arrivo. Il cambio di direzione è graduale. Per esempio, quando la lunghezza d'onda diminuisce da 755 nm a 660 nm, la direzione di dispersione cambia gradualmente da sinistra a destra. Le lunghezze d'onda specifiche possono essere sintonizzate modificando leggermente le dimensioni e la forma dell'antenna.

"Con il nostro lavoro, dimostriamo che ingegnerizzando attentamente la geometria di un singolo pezzo di silicio con dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda della luce, è possibile dirigere in modo efficiente la luce visibile e nel vicino infrarosso di diversi colori in direzioni diverse, " coautore Niels Verellen, un fisico presso imec e KU Leuven, detto Phys.org . "Questo, ad esempio, non era possibile solo con particelle simmetriche o antenne metalliche (plasmoniche) di forma simile."

L'utilizzo del silicio offre numerosi vantaggi rispetto all'utilizzo dell'oro. Ad esempio, il silicio aggira le perdite di assorbimento ohmico, che è uno dei principali inconvenienti delle nanoantenne plasmoniche. Inoltre, le antenne in silicio hanno una grande sezione di scattering, il che significa che possono interagire con la luce in modo molto efficiente. Il silicio è anche un materiale completamente compatibile con CMOS, consentendo un'integrazione diretta nella fabbricazione di dispositivi optoelettronici su larga scala.

"Le nostre piccolissime antenne ottiche in silicio si stanno avvicinando ai limiti di quanto piccolo possa essere un componente ottico funzionale, Li ha detto. "Costituiscono un ponte tra l'ottica su macroscala con cui la maggior parte delle persone ha molta familiarità, e la micro e nanoscala dell'elettronica moderna, e anche la scala molecolare e atomica."

Quando si studia la fisica alla base dello scattering bidirezionale, i ricercatori hanno scoperto che l'effetto bidirezionale deriva dall'interferenza tra tutti i vari modi elettromagnetici supportati dall'antenna. Tutti i modi elettrici e magnetici dell'antenna diffondono la luce incidente ad angoli e schemi distinti, e il modello finale può essere descritto come la combinazione di tutte queste modalità, o multipolari. Scomponendo questo modello di dispersione totale, i ricercatori potrebbero determinare quali multipoli dominano lo scattering. Risulta che l'eccitazione simultanea di due dei multipoli dominanti (un dipolo magnetico e un quadrupolo elettrico) è possibile solo nell'antenna di forma asimmetrica, sottolineando l'importanza della geometria dell'antenna.

Piccola antenna, molti usi

In termini di applicazioni, l'antenna ottica bidirezionale potrebbe essere utilizzata per rendere più compatto, più economico, e dispositivi più efficienti per misurare la luce, come sensori ottici e fotorivelatori. Questi dispositivi sono utilizzati in una varietà di aree, comprese le scienze della vita, fotovoltaico, fibre ottiche, monitoraggio ambientale, LIDAR, olografia, e informatica quantistica. I ricercatori hanno in programma di esplorare queste applicazioni e molte altre in futuro.

"Le antenne dielettriche formano promettenti elementi costitutivi con un ingombro molto ridotto per sistemi ottici microscopici o nanometrici, " Ha detto Verellen. "In questo campo è importante inviare o ricevere selettivamente fotoni in o da determinate direzioni. Per esempio, nei circuiti integrati fotonici (PIC), gli accoppiatori a reticolo vengono utilizzati per lanciare la luce proveniente da un laser o da una fibra ottica in una guida d'onda sul chip. Questi accoppiatori a reticolo sono componenti relativamente grandi, diverse lunghezze d'onda di dimensioni, che possono essere potenzialmente sostituiti da una o poche antenne ottiche direzionali.

"Soprattutto nelle applicazioni di nanofotonica in cui ogni fotone conta, si beneficia immediatamente dell'instradamento diretto dei fotoni (ingegneria del fronte d'onda) per un'efficiente raccolta di fotoni:pensate, ad esempio, della spettroscopia Raman e dell'ottica quantistica. Il percorso leggero può, Per esempio, essere utilizzato per trasmettere segnali o aumentare il rapporto segnale-rumore di un rilevatore.

"La direttività dipendente dalla lunghezza d'onda è anche promettente per il ridimensionamento dei sensori basati sulla luce (ad es. biologico o chimico). I sensori si basano spesso sulla rilevazione dei cambiamenti nello spettro della luce proveniente da un campione, come sparsi, luce trasmessa o fluorescente. La valutazione delle informazioni spettrali viene eseguita mediante reticoli o filtri. Questi componenti sono grandi e difficili da miniaturizzare. Se l'informazione spettrale fosse già presente negli schemi di diffusione o emissione provenienti da un'antenna ottica direzionale posta in prossimità del campione, questo potrebbe semplificare l'analisi spettrale, che potrebbe tradursi in dispositivi più economici e più compatti."

Nelle ricerche future, gli scienziati intendono studiare come la nuova antenna ottica gestisce la luce proveniente da una sorgente luminosa molto piccola, come un punto quantico. Vogliono anche esplorare la manipolazione attiva della luce.

"Attualmente, la funzionalità dell'antenna in silicio è passiva, " disse Li. "Questo significa che, una volta fabbricato, l'antenna indirizzerà sempre gli stessi colori nelle stesse direzioni. Però, potremmo dare all'antenna una piccola spinta motivazionale e renderla attiva modulando le sue proprietà ottiche. Applicando qualche segnale esterno, possiamo quindi sostanzialmente dire all'antenna quale colore vogliamo dirigere in quale direzione."

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