(Phys.org) —Los investigadores han fabricado una antena óptica de silicio que es algo así como una tipo especial de prisma. Esto se debe a que cuando una luz roja brilla en la antena óptica, la luz gira a la derecha, pero cuando la luz es de otro color como el naranja, gira a la izquierda.

Esta propiedad inusual, que se denomina "dispersión de color bidireccional, "permite que la antena óptica funcione eficazmente como un enrutador pasivo de longitud de onda para la luz visible. El dispositivo podría tener aplicaciones para sensores de luz innovadores, manipulación de materia ligera, y comunicación óptica.

La nueva antena óptica fue desarrollada por un equipo de investigadores, Jiaqi Li et al ., en imec (Centro Interuniversitario de MicroElectrónica) y la Universidad de Lovaina (KU Leuven), ambos en Lovaina, Bélgica. Su trabajo se publica en un número reciente de Nano letras .

Aunque las antenas ópticas son un área de investigación relativamente nueva, son simplemente la versión óptica de las antenas de radio y microondas con las que la mayoría de la gente está familiarizada, que se utilizan comúnmente para recibir y transmitir señales en radios, celulares, y Wi-Fi.

En general, El tamaño de una antena corresponde a las longitudes de onda para las que fue diseñada. Dado que las ondas de radio y microondas están en la escala de milímetros a kilómetros, estas antenas pueden ser bastante grandes. Dado que la longitud de onda de la luz visible está en la escala de unos cientos de nanómetros, sintonizar estas señales requiere antenas de tamaño nanométrico, que son mucho más difíciles de fabricar.

Una pieza de silicona con una forma especial

En los ultimos años, El equipo de imec y KU Leuven ha estado explorando las posibilidades de manipulación de la luz direccional en estas escalas de longitud utilizando una antena que consta de un solo elemento. En 2013, utilizando nanoantenas de oro, pudieron demostrar la antena óptica unidireccional más pequeña del mundo, en forma de letra V. Estas antenas metálicas soportan las llamadas "plasmónicas modos, "que son fundamentalmente diferentes de los modos ópticos soportados por una antena dieléctrica.

Ahora, cambiando a una antena dieléctrica en forma de V hecha de silicio, los investigadores pudieron lograr una dispersión bidireccional, en contraste con la dispersión unidireccional en el caso de usar oro. En dispersión bidireccional, la dirección de dispersión depende de la longitud de onda de la luz entrante (incidente). El cambio de dirección es gradual. Por ejemplo, a medida que la longitud de onda disminuye de 755 nm a 660 nm, la dirección de dispersión cambia gradualmente de izquierda a derecha. Las longitudes de onda específicas se pueden sintonizar mediante la ingeniería de pequeños ajustes en el tamaño y la forma de la antena.

"Con nuestro trabajo, demostramos que al diseñar cuidadosamente la geometría de una sola pieza de silicio con dimensiones más pequeñas que la longitud de onda de la luz, Es posible dirigir de manera eficiente la luz visible e infrarroja cercana de diferentes colores en diferentes direcciones, "el coautor Niels Verellen, un físico en imec y KU Leuven, dicho Phys.org . "Esta, por ejemplo, no era posible con sólo partículas simétricas o antenas metálicas (plasmónicas) de forma similar ".

El uso de silicio ofrece varias ventajas en comparación con el uso de oro. Por ejemplo, el silicio evita las pérdidas por absorción óhmica, que es uno de los principales inconvenientes de las nanoantenas plasmónicas. Además, las antenas de silicio tienen una gran sección transversal de dispersión, lo que significa que pueden interactuar con la luz de manera muy eficiente. El silicio también es un material totalmente compatible con CMOS, permitiendo una integración sencilla en la fabricación de dispositivos optoelectrónicos a gran escala.

"Nuestras antenas ópticas de silicio muy pequeñas se están acercando al límite de lo pequeño que puede ser un componente óptico funcional, ", Dijo Li." Constituyen un puente entre la óptica de macroescala con la que la mayoría de la gente está muy familiarizada, y la micro y nanoescala de la electrónica moderna, e incluso a escala molecular y atómica ".

Al investigar la física subyacente de la dispersión bidireccional, los investigadores encontraron que el efecto bidireccional surge de la interferencia entre todos los diversos modos electromagnéticos admitidos por la antena. Todos los modos eléctricos y magnéticos de la antena dispersan la luz incidente en distintos ángulos y patrones, y el patrón final se puede describir como la combinación de todos estos modos, o multipolares. Al descomponer este patrón de dispersión total, los investigadores pudieron determinar qué multipolares dominan la dispersión. Resulta que la excitación simultánea de dos de los multipolos dominantes (un dipolo magnético y un cuadrupolo eléctrico) solo es posible en la antena de forma asimétrica, enfatizando la importancia de la geometría de la antena.

Pequeña antena, muchos usos

En términos de aplicaciones, La antena óptica bidireccional podría usarse para hacer más compacta, más económico, y dispositivos más eficientes para medir la luz, como sensores ópticos y fotodetectores. Estos dispositivos se utilizan en una variedad de áreas, incluidas las ciencias de la vida, fotovoltaica, fibras ópticas, monitoreo ambiental, LIDAR, holografía, y computación cuántica. Los investigadores planean explorar estas aplicaciones y muchas otras en el futuro.

"Las antenas dieléctricas forman bloques de construcción prometedores con una huella muy pequeña para sistemas ópticos microscópicos o nanométricos, "Verellen dijo." Enviar o recibir fotones selectivamente en o desde ciertas direcciones es importante en este campo. Por ejemplo, en circuitos integrados fotónicos (PIC), Los acopladores de rejilla se utilizan para lanzar luz procedente de un láser o fibra óptica en una guía de ondas en el chip. Estos acopladores de rejilla son componentes relativamente grandes, varias longitudes de onda de tamaño, que potencialmente puede ser reemplazado por una o unas pocas antenas ópticas direccionales.

"Especialmente en aplicaciones nanofotónicas donde cada fotón cuenta, uno se beneficia inmediatamente del enrutamiento de fotones dirigido (ingeniería de frente de onda) para una recolección de fotones eficiente; piense, por ejemplo, de la espectroscopia Raman y la óptica cuántica. Lata de enrutamiento de luz, por ejemplo, utilizarse para transmitir señales o aumentar la relación señal / ruido de un detector.

"La directividad dependiente de la longitud de onda también es prometedora para escalar sensores basados ​​en luz (p. Ej., biológico o químico). Los sensores a menudo se basan en la detección de cambios en el espectro de luz proveniente de una muestra, como dispersos, luz transmitida o fluorescente. La evaluación de la información espectral se realiza mediante rejillas o filtros. Estos componentes son grandes y difíciles de miniaturizar. Si la información espectral ya estaría presente en los patrones de dispersión o emisión provenientes de una antena óptica direccional colocada muy cerca de la muestra, esto podría simplificar el análisis espectral, lo que podría resultar en dispositivos más baratos y compactos ".

En futuras investigaciones, los científicos planean investigar cómo la nueva antena óptica maneja la luz de una fuente de luz muy pequeña, como un punto cuántico. También quieren explorar la manipulación activa de la luz.

"En la actualidad, la funcionalidad de la antena de silicio es pasiva, "Dijo Li." Esto significa que, una vez fabricado, la antena siempre enrutará los mismos colores en las mismas direcciones. Sin embargo, podríamos darle a la antena un pequeño impulso motivacional y activarla modulando sus propiedades ópticas. Aplicando alguna señal externa, entonces básicamente podemos decirle a la antena qué color queremos dirigir en qué dirección ".

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