Dispositivo di guida del raggio ottico integrato che utilizza nanoantenne commutabili e un metallo riflettente

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7099 (2023) Citare questo articolo

756 accessi

12 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

In questo articolo viene proposto un dispositivo ottico integrato in cui una lente metallica riflettente e cinque nano-antenne commutabili sono combinate per fornire la guida del raggio ottico alla lunghezza d'onda standard delle telecomunicazioni di 1550 nm. A questo scopo, è stato progettato un divisore di potenza commutabile basato su grafene e integrato con nano-antenne per controllare il flusso della luce che entra nel dispositivo. Per ottenere una maggiore precisione angolare nei raggi irradiati, viene proposto e utilizzato un nuovo algoritmo per ottimizzare la posizione di alimentazione delle nano-antenne in conformità con la lente metallica riflettente. Per ottenere una fluttuazione minima nell'intensità della luce quando i raggi vengono ruotati nello spazio, è stato sviluppato un algoritmo per selezionare le celle unitarie ottimali per la lente metallica ingegnerizzata. L'intero dispositivo viene analizzato numericamente utilizzando simulazioni elettromagnetiche a onda intera che illustrano uno sterzo del fascio ottico con elevata precisione (migliore di 1 grado) nella direzione del fascio e una bassa variazione (meno di 1 dB) nell'intensità della luce irradiata. Il dispositivo integrato proposto può essere utilizzato per molte applicazioni come interconnessioni ottiche inter e intra-chip, sistemi di comunicazione wireless ottici e LIDAR integrati avanzati.

Le nano-antenne ottiche sono dispositivi progettati per controllare il profilo luminoso in dimensioni micro e nanometriche1,2,3,4. La loro capacità di controllare la luce può essere utilizzata in molte applicazioni diverse, tra cui sistemi di comunicazione ottica wireless5,6,7,8, biosensori plasmonici9, strumenti di imaging sub-lunghezza d'onda10,11,12 e anche intrappolamento della luce nelle celle solari13,14. Il controllo dinamico del diagramma di radiazione delle nano-antenne, chiamato capacità di orientamento del fascio, può fornire maggiore flessibilità nelle applicazioni sopra menzionate, specialmente quando le si utilizza per l'autenticazione15, la comunicazione ottica6, l'olografia16, l'imaging17 e i LIDAR18,19.

Per realizzare la guida del fascio ottico, sono stati utilizzati diversi metodi, tra cui antenne a schiera di fase20,21,22,23, antenne a onde perdite27,28,29,30,31,32 e metasuperfici con celle unitarie sintonizzabili33,34,35,36,37,38 stato proposto finora. Tuttavia, tutte le tecniche sviluppate in precedenza presentano limiti e svantaggi che rendono lo sviluppo di nuove tecniche e metodi per realizzare la guida del fascio ottico un flusso di ricerca in corso.

Le antenne a schiera di fase, ampiamente utilizzate nel regime delle microonde per fornire la scansione del raggio, sono costituite da un insieme di nano-antenne ottiche identiche in cui il raggio è controllato da sfasatori regolabili collegati a ciascun elemento dell'antenna. Larghezza del fascio stretto, scansione del fascio ampio e alta risoluzione sono i vantaggi delle antenne ottiche a schiera di fase. Tuttavia, alcune limitazioni e svantaggi, come sfasatori lenti e regolabili20, grandi dimensioni20,21,22,23 e un alto livello di lobi fastidiosi22,23, ne limitano le applicazioni. Le strutture integrate, dotate di lente Luneburg24 o lente Rotman25, non richiedono sfasatori e consentono l'orientamento del raggio su un ampio raggio di scansione. Tuttavia, soffrono di perdite elevate e complessità di fabbricazione24,25,26.

In un altro approccio, vengono utilizzate strutture d'onda che perdono per ridurre le dimensioni ed eliminare la necessità di sfasatori. Queste strutture possono essere classificate in gruppi singoli e multitonali. Nelle antenne a onde perdite multitono, la rotazione del raggio si ottiene modificando la lunghezza d'onda della radiazione che richiede l'accesso a laser costosi e con larghezza di banda elevata27,28,29,30. Le strutture monotonali, tuttavia, funzionano in base alla variazione dell'indice di rifrazione su una singola lunghezza d'onda. In questo metodo, l'indice di rifrazione viene modificato principalmente termicamente, il che lo rende una tecnica a bassa velocità31,32. Inoltre, il campo visivo ridotto (FOV) e l'elevata perdita possono essere considerati altri svantaggi delle antenne a onde perdite27,28,29,30,31,32.