(Phys.org)—Les chercheurs ont fabriqué une antenne optique en silicium qui ressemble un peu à une très petite type particulier de prisme. En effet, lorsqu'une lumière rouge brille sur l'antenne optique, la lumière tourne à droite, mais quand la lumière est d'une autre couleur comme l'orange, il tourne à gauche.

Cette propriété atypique, qui s'appelle "diffusion bidirectionnelle des couleurs, " permet à l'antenne optique de fonctionner efficacement comme un routeur de longueur d'onde passif pour la lumière visible. Le dispositif pourrait avoir des applications pour des capteurs de lumière innovants, manipulation de la lumière, et la communication optique.

La nouvelle antenne optique a été développée par une équipe de chercheurs, Jiaqi Li et al ., à l'imec (Centre interuniversitaire de microélectronique) et à l'Université de Louvain (KU Leuven), tous deux à Louvain, La Belgique. Leurs travaux sont publiés dans un récent numéro de Lettres nano .

Bien que les antennes optiques soient un domaine de recherche relativement nouveau, ce sont simplement la version optique des antennes radio et micro-ondes que la plupart des gens connaissent, qui sont couramment utilisés pour recevoir et transmettre des signaux dans les radios, téléphones portables, et Wi-Fi.

En général, la taille d'une antenne correspond aux longueurs d'onde pour lesquelles elle a été conçue. Étant donné que les ondes radio et micro-ondes sont à l'échelle des millimètres aux kilomètres, ces antennes peuvent être assez grandes. La longueur d'onde de la lumière visible étant à l'échelle de quelques centaines de nanomètres, l'écoute de ces signaux nécessite des antennes nanométriques, qui sont beaucoup plus difficiles à fabriquer.

Un morceau de silicone de forme spéciale

Au cours des dernières années, l'équipe imec et KU Leuven a exploré les possibilités de manipulation de la lumière directionnelle à ces échelles de longueur en utilisant une antenne constituée d'un seul élément. En 2013, utilisant des nanoantennes en or, ils ont pu faire la démonstration de la plus petite antenne optique unidirectionnelle au monde, en forme de lettre V. Ces antennes métalliques supportent des antennes dites « plasmoniques modes, " qui sont fondamentalement différents des modes optiques supportés par une antenne diélectrique.

Maintenant, en passant à une antenne diélectrique en forme de V en silicium, les chercheurs pourraient réaliser une diffusion bidirectionnelle, contrairement à la diffusion unidirectionnelle dans le cas de l'utilisation de l'or. En diffusion bidirectionnelle, la direction de diffusion dépend de la longueur d'onde de la lumière entrante (incidente). Le changement de direction est progressif. Par exemple, lorsque la longueur d'onde diminue de 755 nm à 660 nm, la direction de diffusion change progressivement de la direction gauche à la direction droite. Les longueurs d'onde spécifiques peuvent être réglées en modifiant légèrement la taille et la forme de l'antenne.

"Avec notre travail, nous démontrons qu'en concevant soigneusement la géométrie d'un seul morceau de silicium avec des dimensions inférieures à la longueur d'onde de la lumière, il est possible de diriger efficacement la lumière visible et proche infrarouge de différentes couleurs dans différentes directions, " co-auteur Niels Verellen, un physicien à l'imec et à la KU Leuven, Raconté Phys.org . "Cette, par exemple, n'était pas possible avec seulement des particules symétriques ou des antennes métalliques (plasmoniques) de forme similaire."

L'utilisation du silicium offre plusieurs avantages par rapport à l'utilisation de l'or. Par exemple, le silicium contourne les pertes par absorption ohmique, ce qui est l'un des principaux inconvénients des nanoantennes plasmoniques. En outre, les antennes en silicium ont une grande section efficace de diffusion, ce qui signifie qu'ils peuvent interagir très efficacement avec la lumière. Le silicium est également un matériau entièrement compatible CMOS, permettant une intégration directe dans la fabrication de dispositifs optoélectroniques à grande échelle.

"Nos très petites antennes optiques en silicium approchent des limites de la taille d'un composant optique fonctionnel, " a déclaré Li. " Ils constituent un pont entre l'optique macroscopique que la plupart des gens connaissent très bien, et l'échelle micro et nanométrique de l'électronique moderne, et même l'échelle moléculaire et atomique."

Lors de l'étude de la physique sous-jacente de la diffusion bidirectionnelle, les chercheurs ont découvert que l'effet bidirectionnel résulte de l'interférence entre tous les divers modes électromagnétiques pris en charge par l'antenne. Tous les modes électriques et magnétiques de l'antenne diffusent la lumière incidente selon des angles et des motifs distincts, et le motif final peut être décrit comme la combinaison de tous ces modes, ou multipolaires. En décomposant ce schéma de diffusion totale, les chercheurs ont pu déterminer quels multipôles dominent la diffusion. Il s'avère que l'excitation simultanée de deux des multipôles dominants (un dipôle magnétique et un quadripôle électrique) n'est possible que dans l'antenne de forme asymétrique, soulignant l'importance de la géométrie de l'antenne.

Petite antenne, de nombreuses utilisations

Au niveau des candidatures, l'antenne optique bidirectionnelle pourrait être utilisée pour rendre plus compact, moins cher, et des appareils plus efficaces pour mesurer la lumière, tels que les capteurs optiques et les photodétecteurs. Ces appareils sont utilisés dans divers domaines, dont les sciences de la vie, photovoltaïque, fibres optiques, surveillance de l'environnement, LIDAR, holographie, et l'informatique quantique. Les chercheurs prévoient d'explorer ces applications et bien d'autres à l'avenir.

« Les antennes diélectriques constituent des blocs de construction prometteurs avec un très faible encombrement pour les systèmes optiques microscopiques ou nanométriques, " a déclaré Verellen. " L'envoi ou la réception sélective de photons dans ou à partir de certaines directions est important dans ce domaine. Par exemple, dans les circuits intégrés photoniques (PIC), les coupleurs de réseau sont utilisés pour lancer la lumière provenant d'un laser ou d'une fibre optique dans un guide d'ondes sur la puce. Ces coupleurs de réseau sont des composants relativement gros, plusieurs longueurs d'onde en taille, qui peut éventuellement être remplacée par une ou plusieurs antennes optiques directionnelles.

"Surtout dans les applications nanophotoniques où chaque photon compte, on bénéficie immédiatement du routage dirigé des photons (ingénierie de front d'onde) pour une collecte efficace des photons - pensez, par exemple, de spectroscopie Raman et d'optique quantique. Le routage léger peut, par exemple, être utilisé pour transmettre des signaux ou augmenter le rapport signal/bruit d'un détecteur.

"La directivité dépendante de la longueur d'onde est également prometteuse pour la mise à l'échelle des capteurs basés sur la lumière (par exemple, biologique ou chimique). Les capteurs sont souvent basés sur la détection de changements dans le spectre de la lumière provenant d'un échantillon, tels que dispersés, lumière transmise ou fluorescente. L'évaluation de l'information spectrale se fait par des réseaux ou des filtres. Ces composants sont volumineux et difficiles à miniaturiser. Si l'information spectrale serait déjà présente dans les diagrammes de diffusion ou d'émission provenant d'une antenne optique directionnelle placée à proximité immédiate de l'échantillon, cela pourrait simplifier l'analyse spectrale, ce qui pourrait se traduire par des appareils moins chers et plus compacts."

Dans des recherches futures, les scientifiques prévoient d'étudier comment la nouvelle antenne optique gère la lumière provenant d'une très petite source lumineuse, comme un point quantique. Ils veulent également explorer activement la manipulation de la lumière.

"Actuellement, la fonctionnalité de l'antenne silicium est passive, " dit Li. " Cela signifie que, une fois fabriqué, l'antenne acheminera toujours les mêmes couleurs dans les mêmes directions. Cependant, nous pourrions donner un petit coup de pouce à l'antenne et la rendre active en modulant ses propriétés optiques. En appliquant un signal externe, nous pouvons alors dire à l'antenne quelle couleur nous voulons diriger dans quelle direction."

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