http://phys.org/news/2016-06-optical-antenna.html
By Lisa Zyga
June 22, 2016
(Phys.org) -- 研究者製造出一種矽光學天線（optical antenna），那有點像一個超小型的特殊三稜鏡。當紅光照射到光學天線時，它會轉向右邊，不過當其他顏色的光，例如橘色，它會轉向左。
這種不尋常的特性，那稱為「雙向色散（bidirectional color scattering）」讓光學天線能成為一種有效的被動式可見光波長路由器（passive wavelength router for visible light）。這種裝置在創新的光感應器、光--物質操作以及光學通訊上可能有其應用。
這種新的光學天線由來自於比利時 imec（校際微電子中心，Interuniversity MicroElectronics Center）與比利時荷語天主教魯汶大學 (KU Leuven) 的 Jiaqi Li 等人所開發。其研究刊載於最近一期的 Nano Letters 上。
雖然光學天線是是一個相對較新的研究領域，不過它們簡單來說就是大眾所熟悉的光學版無線電與微波天線（它們在收音機、手機與 Wi-Fi 中通常用於接收與傳輸）。
一般來說，一個天線的大小與其要操作的波長相關。因為無線電與微波落在毫米（mm）到公里（km）的範圍，所以這些天線可以做的很大。而可見光落在數百奈米（nm）的等級，所以這些訊號需要奈米大小的天線，而那很難製造。
一塊特殊形狀的矽
在過去幾年來， imec 與 KU Leuven 團隊都在這樣的長度等級下，只使用單一元件所構成的天線來操作，藉此探索指向性光線操作的可能性。在 2013 年利用金天線，他們能展示世上最小的單向光學天線，形狀像字母 V。這些金屬天線支持所謂的「電漿子模式（plasmonic modes）」，那與介電質天線（dielectric antenna）所支持的光學模式有著根本上的差異。
現在，藉由切換 V 形矽天線的介電性，研究者能夠達到雙向散射，相較之下，使用金的例子只有單向散射。在雙向散射中，散射方向倚賴入射光（incident light）的波長，而方向上的偏移是漸進的。例如：當波長從 755 nm 減少到 660 nm 時，散射方向會逐漸從朝左轉向朝右。當天線的尺寸與形狀經過微量的調整，則特定波長的光可被調整。
"透過我們的研究，我們證明，只要將一塊大小比光波長還小的矽在幾何上經過仔細設計，就有可能有效的將不同顏色的可見光與近紅外光引導至不同方向，" 共同作者、在 imec 與 KU Leuven 的 Niels Verellen 表示。"這，舉例來說，光用對稱的粒子或相似形狀的金屬（電漿子）天線當然不可能辦到。"
使用矽，相較於金，有幾種不同的優勢。例如，矽可以避免歐姆吸收損失（Ohmic absorption losses），那是電漿子奈米天線的主要缺點之一。此外，矽天線有個大型的散射截面（scattering cross-section），這表示它們能與光非常有效率的交互作用。矽也是一種完全 CMOS 相容材料，能直接整合到大規模的光電裝置製造中。
"我們非常小的矽光學天線已接近一個有作用的光學元件所能達到的極限，" Li 表示。"它們在大多數人非常熟悉的巨觀光學以及現代的微米與奈米級電子零件，甚至是分子與原子等級之間建構出一座橋樑。"
當研究雙向散射背後的物理學時，研究者發現，雙向效應來自於天線所支持的各種電磁模式（patterns）之間的干擾。天線的各種電模式與磁模式使入射光以明確的角度和模式散射，而最終圖樣（patterns）可以被描述為所有模式，或稱多極（multipoles），的結合。藉由解構整個散射圖樣，研究者能夠測定那個多極主宰散射。結果證明，二個主要多極（dominant multipoles，包含一個磁偶極與電四極）的同時激發（simultaneous excitation）在非對稱形狀的天線中才有可能出現，這強調了天線幾何學的重要性。
小天線，多用途
在應用這方面，雙向光學天線能用來製造更密實、便宜與更有效率的裝置來測量光，例如光學感應器與光子偵測器。這些裝置被用於各種領域，包括生命科學、光伏（太陽能）、光纖、環境監控、空載光達（LIDAR）、全像術與量子運算。研究者計畫要在未來探索這些與其他許多應用。
"介電天線以各種非常微小的足跡在微觀或奈米大小的光學系統中形成大有可為的建構基石，" Verellen 說。"從某些方向選擇性的收發光子，在這個領域中很重要。例如，在光子積體整合電路（photonic integrated circuits，PIC）中，光柵耦合器（grating couplers）被用來將來自雷射或光纖的光發射到晶片上的波導。這些光柵耦合器是相對較大型的元件，尺寸上包含了幾個波長，那很可能用一或數個指向性光學天線（ directional optical antennas）取而代之。"
"尤其是在奈米光學應用中，在此每個光子都要算數，而指向性光子路由（波前工程，wavefront engineering）的一個即刻優勢是有效率的光子收集 -- 想想看，譬如，拉曼光譜與量子光學。光路由能夠，例如，用於傳輸訊號或增加某個偵測器的信噪比（SNR）。"
"波長相依指向性（Wavelength-dependent directivity）在縮放（scaling）光基感應器上亦大有可為（例如：生物學或化學）。感應器通常是基於偵測來自樣本光線的光譜變化，例如所散射的光、發出的光或螢光。光譜資訊的評估是由光柵或濾波器所完成。這些元件很大且難以微型化。如果光譜資訊已經出現在散射或發射圖樣（patterns）中（那來自於放置在樣本附近的指向性天線），這有可能簡化光譜分析，那將導致更便宜與更密實的裝置出現。"
在未來的研究中，科學家們計畫要研究這個新光學天線如何從非常小的光源來處理光線，例如一個量子點。他們也想要探索主動式的光線操作。
"目前，有作用的矽天線都是被動式的，" Li 表示。"這意味著，一旦被製造出來，天線就只能朝相同的方向路由相同的顏色。然而，我們能賦予天線一些激發性提昇，並藉由調整它的一些光學特性使它更為主動。藉由施加某些外部提示，我們基本上能告訴天線，那種顏色我們想要將它引導至那個方向，"
※ 相關報導：
＊ All-Dielectric Antenna Wavelength Router with Bidirectional Scattering of Visible Light
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01519
Jiaqi Li, Niels Verellen, Dries Vercruysse,
Twan Bearda, Liesbet Lagae, and Pol Van Dorpe
Nano Letters.
Publication Date (Web): May 31, 2016
doi: 10.1021/acs.nanolett.6b01519
＊ Directional Fluorescence Emission by Individual V-Antennas Explained by Mode Expansion
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn502616k
Dries Vercruysse, Xuezhi Zheng, Yannick Sonnefraud,
Niels Verellen, Giuliana Di Martino, Liesbet Lagae,
Guy A. E. Vandenbosch, Victor V. Moshchalkov,
Stefan A. Maier, and Pol Van Dorpe.
ACS Nano, 2014, 8 (8), pp 8232–8241
doi: 10.1021/nn502616k
＊ Unidirectional Side Scattering of Light by a Single-Element Nanoantenna
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl401877w
Dries Vercruysse, Yannick Sonnefraud, Niels Verellen,＊ 「寬頻」單光子源
Fabian B. Fuchs, Giuliana Di Martino, Liesbet Lagae,
Victor V. Moshchalkov, Stefan A. Maier, and
Pol Van Dorpe.
Nano Lett., 2013, 13 (8), pp 3843–3849
doi: 10.1021/nl401877w
＊ 金屬奈米粒子閃耀自訂顏色
＊ 微小奈米天線所創造的新全像技術
＊ 石墨烯奈米天線或使微小機器的網路成真
＊ 量子熱電晶體可控制熱流
＊ 單一聚合物鏈成為分子導線
＊ 材料科學中最重要的問題之一獲得解決
沒有留言:
張貼留言