新型光學部件可實現散射光方向隨波長變化

　　分析測試百科網訊 研究人員已經制造了一種硅光學天線，它看起來像是一種非常小的特殊的棱鏡。當一束紅光照在光學天線上時，光射向右側，而當換一種顏色的光如橙色時，光射向左側。

　　

雙向光學天線能夠散射不同方向的光，這取決于光的波長

　　這種不尋常的屬性被稱為“雙向色彩散射”，可以使光學天線作為可見光無源波長選路器有效運作。這種設備可以應用在新型光傳感器、光的物質操縱和光通信中。

　　這種新型光學天線是由比利時Leuven的imec（校際微電子中心）以及Leuven大學的Jiaqi Li等研究人員開發的。

　　雖然光學天線是一個相對比較新的研究領域，但它們僅僅是人們熟悉的接收和發射收音機、手機和Wi-Fi信號的無線電和微波天線的光學版本。

　　通常，一個天線的大小對應于它的設計波長。由于無線電和微波的波長在毫米到千米的尺度之間波動，所以這些天線可以是相當大的。由于可見光的波長是幾百納米的尺度，調諧這些信號需要納米天線，這更是難以制造的。

一塊“V”形硅

　　在過去的幾年中，imec和KU Leuven團隊已經使用單一元素組成的天線探索了這些長度尺度的定向光操縱的可能性。在2013年，利用金納米天線，他們展示了世界上最小的單向光學天線，其形狀是“V”形的。這些金屬天線支持所謂的“等離子模式”，它與介質天線支持的光學模式根本不同。

　　現在，通過換成硅制介質V形天線，研究人員可以實現雙向散射，相反在使用黃金的情況下只能實現單向散射。在雙向散射中，散射的方向取決于入射光的波長。方向的轉變是漸進的。例如，隨著波長由775nm降到660nm，散射方向逐漸從左側向右側轉變。特定的波長可以通過操作微調調諧到天線的尺寸和形狀。

　　“我們的工作表明，仔細操縱一塊尺寸小于光波長的幾何形狀的硅，它是可能有效引導不同顏色的可見或近紅外光進入不同方向的，” imec和KU Leuven的物理學家、合著者 Niels Verellen說。“僅有對稱粒子或類似形狀的金屬天線是不可能實現的。”

　　與黃金相比，使用硅有幾點優勢。例如，硅可以避免歐姆吸收的損失，這是等離子納米天線的主要缺點。此外，硅天線有一個大的散射橫截面，這意味著它可以非常有效地與光進行相互作用。硅也是一種完全兼容CMOS的材料，可以直接集成到大型光電設備制造中。

　　“我們的非常小的硅光學天線接近了功能性光學器件的極限，它們在大多數人熟悉的大尺寸光學和微納米級甚至是分子原子尺寸的現代電子之間組成了一道橋梁。”Li說。

　　

該光學天線是由一塊V形的硅制成的。光學天線在不同方向散射光取決于波長。

　　在調查雙向散射的基本物理原理時，研究人員發現雙向效應來自于天線所支持的各種電磁模式的相互干擾。天線的所有電和磁模式散射不同角度和方式的入射光，最終的模式可以描述為所有這些模式的組合或多極。通過分解總的散射模式，研究人員可以確定哪些多極主導了散射。結果是，兩個主導的多極（磁偶極子和電四極子）同步激發只可能在非對稱形的天線中出現，這強調了天線幾何形狀的重要性。

小天線，多用途

　　在應用方面，雙向光學天線可以用來制造更緊湊、廉價、有效的光測量設備，如光學傳感器和光電探測器。這些設備可用于多種領域，包括生命科學、光伏、光纖、環境監測、激光雷達、全息攝影以及量子計算。研究人員計劃在未來探索這些以及其他多種應用。

　　“介質天線以非常小的足跡成為顯微鏡或納米光學系統有前途的基石。在或從某個方向上選擇性地發送或接收光子在這一領域非常重要。例如，在光子集成電路（PIC）中，光柵耦合器用來發射來自激光器或光纖的光到芯片上的波導。這些光柵耦合器是比較大的組件，有幾個波長大小，它可能被一個或幾個定向性的光學天線所取代。” Verellen說。

　　尤其是在納米光子學的應用方面，每個光子的計數，會立即受益于有效光子搜集的定向光子選路器——例如拉曼光譜和量子光學。光選路器可以用來發送信號或提高探測器的信噪比。

　　波長依賴的方向性對于標度的光傳感器（如生物或化學）也是很有前途的。傳感器通常是基于樣品光譜的變化進行檢測的，如散射、透射或熒光。通過光柵或濾波器對光譜信息進行評估。這些部件比較大難以小型化。如果光譜信息已經存在于靠近樣品放置的定向光學天線的散射或發射模式中，這可以簡化光譜分析，這可以使設備更加廉價、緊湊。

　　在未來的研究中，科學家計劃調查新的光學天線如何處理從一個非常小的光源如量子點發出的光。他們還想探究如何主動操縱光。

　　“目前，硅天線的功能是被動的，這意味著，一旦制造出來，該天線將會一直在相同的方向發射相同的顏色。然而，我們可以給天線一點激勵，通過調制其光學性能使它活躍起來。通過應用一些外部條件，我們基本上就可以告訴天線我們想要哪種顏色到哪個方向上去。”Li說。