p (Phys.org) —Os pesquisadores fabricaram uma antena ótica de silício que é um pouco como uma antena extremamente pequena, tipo especial de prisma. Isso ocorre porque quando uma luz vermelha brilha na antena óptica, a luz gira para a direita, mas quando a luz é de outra cor, como laranja, ele vira à esquerda. p Esta propriedade incomum, que é chamado de "dispersão de cor bidirecional, "permite que a antena óptica funcione efetivamente como um roteador de comprimento de onda passivo para luz visível. O dispositivo pode ter aplicações para sensores de luz inovadores, manipulação de matéria leve, e comunicação óptica.

p A nova antena óptica foi desenvolvida por uma equipe de pesquisadores, Jiaqi Li et al ., no imec (Interuniversity MicroElectronics Center) e na Universidade de Leuven (KU Leuven), ambos em Leuven, Bélgica. Seu trabalho foi publicado em uma edição recente da Nano Letras .

p Embora as antenas ópticas sejam uma área relativamente nova de pesquisa, eles são simplesmente a versão óptica das antenas de rádio e micro-ondas com as quais a maioria das pessoas está familiarizada, que são comumente usados ​​para receber e transmitir sinais em rádios, celulares, e Wi-Fi.

p Em geral, o tamanho de uma antena corresponde aos comprimentos de onda para os quais foi projetada. Como as ondas de rádio e microondas estão na escala de milímetros a quilômetros, essas antenas podem ser bastante grandes. Uma vez que o comprimento de onda da luz visível está na escala de algumas centenas de nanômetros, sintonizar esses sinais requer antenas nanométricas, que são muito mais difíceis de fabricar.

p Uma peça de silicone com formato especial

p Ao longo dos últimos anos, a equipe do imec e da KU Leuven tem explorado as possibilidades de manipulação da luz direcional nessas escalas de comprimento usando uma antena composta por apenas um único elemento. Em 2013, usando nanoantenas de ouro, eles foram capazes de demonstrar a menor antena óptica unidirecional do mundo, no formato da letra V. Estas antenas metálicas suportam os chamados "plasmonic modos, "que são fundamentalmente diferentes dos modos ópticos suportados por uma antena dielétrica.

p Agora, trocando para uma antena dielétrica em forma de V feita de silício, os pesquisadores conseguiram espalhamento bidirecional, em contraste com a dispersão unidirecional no caso de uso de ouro. No espalhamento bidirecional, a direção de espalhamento depende do comprimento de onda da luz de entrada (incidente). A mudança de direção é gradual. Por exemplo, conforme o comprimento de onda diminui de 755 nm para 660 nm, a direção de espalhamento muda gradualmente da direção da esquerda para a direita. Os comprimentos de onda específicos podem ser ajustados por meio de pequenos ajustes de engenharia no tamanho e na forma da antena.

p “Com o nosso trabalho, demonstramos que, ao projetar cuidadosamente a geometria de uma única peça de silício com dimensões menores do que o comprimento de onda da luz, é possível direcionar com eficiência a luz visível e infravermelha próxima de cores diferentes em direções diferentes, "co-autor Niels Verellen, um físico do imec e KU Leuven, contado Phys.org . "Esse, por exemplo, não era possível apenas com partículas simétricas ou antenas metálicas de formato semelhante (plasmonic). "

p O uso de silício oferece várias vantagens em comparação com o uso de ouro. Por exemplo, o silício contorna as perdas de absorção ôhmica, que é uma das principais desvantagens das nanoantenas plasmônicas. Além disso, as antenas de silício têm uma grande seção transversal de espalhamento, o que significa que eles podem interagir com a luz de forma muito eficiente. O silício também é um material totalmente compatível com CMOS, permitindo integração direta na fabricação de dispositivos optoeletrônicos em grande escala.

p "Nossas antenas ópticas de silício muito pequenas estão se aproximando do limite de quão pequeno um componente óptico funcional pode ser, "Li disse." Eles constituem uma ponte entre a óptica da macroescala com a qual a maioria das pessoas está familiarizada, e a micro e nanoescala da eletrônica moderna, e até mesmo na escala molecular e atômica. "

p Ao investigar a física subjacente do espalhamento bidirecional, os pesquisadores descobriram que o efeito bidirecional surge da interferência entre todos os vários modos eletromagnéticos suportados pela antena. Todos os modos elétricos e magnéticos da antena espalham a luz incidente em ângulos e padrões distintos, e o padrão final pode ser descrito como a combinação de todos esses modos, ou multipoles. Ao decompor este padrão de espalhamento total, os pesquisadores puderam determinar quais multipolares dominam a dispersão. Acontece que a excitação simultânea de dois dos multipolos dominantes (um dipolo magnético e um quadrupolo elétrico) só é possível na antena de formato assimétrico, enfatizando a importância da geometria da antena.

p Antena pequena, muitos usos

p Em termos de aplicações, a antena óptica bidirecional pode ser usada para tornar mais compacto, mais barato, e dispositivos mais eficientes para medir a luz, como sensores ópticos e fotodetectores. Esses dispositivos são usados ​​em uma variedade de áreas, incluindo as ciências da vida, fotovoltaica, fibras ópticas, monitoramento ambiental, LIDAR, holografia, e computação quântica. Os pesquisadores planejam explorar esses aplicativos e muitos outros no futuro.

p "Antenas dielétricas formam blocos de construção promissores com uma pegada muito pequena para sistemas ópticos microscópicos ou nanométricos, "Verellen disse." Enviar ou receber fótons seletivamente em ou de certas direções é importante neste campo. Por exemplo, em circuitos integrados fotônicos (PIC), os acopladores de grade são usados ​​para lançar luz proveniente de um laser ou fibra óptica em um guia de onda no chip. Esses acopladores de grade são componentes relativamente grandes, vários comprimentos de onda em tamanho, que podem ser potencialmente substituídos por uma ou algumas antenas ópticas direcionais.

p "Especialmente em aplicações nanofotônicas, onde cada fóton conta, um se beneficia imediatamente do roteamento direcionado de fótons (engenharia de frente de onda) para coleta eficiente de fótons - pense, por exemplo, de espectroscopia Raman e óptica quântica. O roteamento de luz pode, por exemplo, ser usado para transmitir sinais ou aumentar a relação sinal-ruído de um detector.

p "A diretividade dependente do comprimento de onda também é promissora para dimensionar sensores baseados em luz (por exemplo, biológico ou químico). Os sensores são frequentemente baseados na detecção de mudanças no espectro de luz proveniente de uma amostra, como dispersos, transmitida ou luz fluorescente. A avaliação da informação espectral é feita por grades ou filtros. Esses componentes são grandes e difíceis de miniaturizar. Se a informação espectral já estivesse presente nos padrões de espalhamento ou emissão vindos de uma antena óptica direcional colocada em estreita proximidade com a amostra, isso pode simplificar a análise espectral, o que pode resultar em dispositivos mais baratos e compactos. "

p Em pesquisas futuras, os cientistas planejam investigar como a nova antena óptica lida com a luz de uma fonte de luz muito pequena, como um ponto quântico. Eles também querem explorar ativamente a manipulação da luz.

p "Atualmente, a funcionalidade da antena de silício é passiva, "Li disse." Isso significa que, uma vez fabricado, a antena sempre direcionará as mesmas cores nas mesmas direções. Contudo, poderíamos dar à antena um pequeno impulso motivacional e torná-la ativa modulando suas propriedades ópticas. Ao aplicar alguma sugestão externa, podemos então dizer basicamente à antena qual cor queremos direcionar em que direção. " p © 2016 Phys.org