ОПТИЧЕСКАЯ НАНОАНТЕННА ВОЛНОВОЙ КАНАЛ

Оптическая наноантенна волновой канал относится к области физики и служит для осуществления передачи и приема электромагнитной энергии между элементами нанофотоники. Она может быть использована для эффективной трансформации ближнего поля излучения квантового источника, молекулы или квантовой точки, в свободно распространяющееся электромагнитное поле, и наоборот, эффективного извлечения энергии из внешнего электромагнитного поля с последующим преобразованием в энергию поля, сильно локализованного в субволновом масштабе. При помощи таких наноантенн можно будет создавать быстрые и эффективные беспроводные каналы оптической связи для оптических чипов.
Антенны волновой канал хорошо зарекомендовали себя в радиочастотной области благодаря возможности получения от такой антенны узкой диаграммы направленности путем настройки взаимного расположения ее элементов. Часто задачи нанофотоники также предъявляют к наноантеннам требования узости диаграммы направленности, что продиктовано желанием добиться большей плотности передаваемой мощности в заданном направлении и более плотной компоновки элементов нанофотоники на едином кристалле. С этой задачей хорошо справляется наноантенна волновой канал.
Известны наноантенны волновой канал, представленные в работах [A. G. Curto, G. Volpe, Т. Н. Taminiau, et al., Science, 329, 930 (2010), D. Dregely, R. Tauberg, et al., Nature Communications, 2, 267 (2011)]. Эти оптические наноантенны волновой канал состоят из одного рефлектора и четырех директоров, выполненных в виде металлических наностержней, расположенных периодически вдоль прямой линии, а также источника оптического излучения в виде квантовой точки, расположенной вблизи первого директора. При помощи таких наноантенн можно создавать быстрые и эффективные беспроводные каналы оптической связи для оптических микрочипов [A. Alu, and N. Engheta, Physical Review Letters, 104, 213902 (2010)].
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является оптическая наноантенна волновой канал для осуществления передачи и приема электромагнитной энергии на наноуровне между элементами нанофотоники, предложенная и теоретически изученная в работе [A. F. Koenderink, Nano Letters, 9, 4228 (2009)].
Известная оптическая наноантенна волновой канал для осуществления передачи и приема электромагнитной энергии на наноуровне выполнена из одного металлического сферического рефлектора и восьми металлических директоров в виде сфер меньшего радиуса, периодически упорядоченных вдоль прямой линии, а также источника оптического излучения, расположенного между рефлектором и первым директором в непосредственной близости к рефлектору. Такая металлическая наноантенна волновой канал, работает на основе плазмонного резонанса в рефлекторе и директорах. При этом фаза излучения рефлектора выбирается немного большей по отношению к фазе источника, а фазы каждого из директоров в свою очередь меньшими. Это условие обеспечивает высокую направленность и эффективность излучения всей системы.
Недостатками известной оптической наноантенны является высокий уровень диссипативных потерь в металлических рефлекторе и директорах, что приводит к снижению уровня передаваемой наноантенной мощности.
Заявляемая полезная модель оптической наноантенны волновой канал решает задачу увеличения мощности оптического излучения, передаваемой наноантенной при близких геометрических размерах с ее наиболее известным металлическим аналогом, за счет использования диэлектрических материалов, за счет снижения уровня диссипативных потерь в оптической наноантенне.
Поставленная задача решается следующим образом.
r
d
r
d
а
Оптическая наноантенна волновой канал, включающая рефлектор, представляющий собой сферическую наночастицу радиуса R и N периодически упорядоченных с периодом , вдоль прямой линии, цепочки директоров, представляющих собой одинаковые сферические наночастицы меньшего радиуса R, а также источник оптического излучения, размещенный между рефлектором и цепочкой директоров на произвольном расстоянии от них, отличающаяся тем, что наноантенна выполнена из диэлектрического материала с показателем преломления , где λ - длина волны излучения, причем радиус R=kR, где k - коэффициент, равный 1.05-1.1.
Заявляемая полезная модель оптическая наноантенна волновой канал обеспечивает более высокий уровень излучаемой мощности оптического излучения за счет значительного уменьшения тепловых потерь, благодаря тому, что используемые диэлектрические материалы, обладают меньшим уровнем диссипации в оптической области частот по сравнению с металлическими материалами. Указанные преимущества достигаются при близких геометрических размерах с ее наиболее известным металлическим аналогом. Кроме того, заявляемая наноантенна обладает наличием магнитного отклика, что обеспечивает возможность работы ее не только с источниками оптического излучения электрического, но и магнитного типа, что расширяет диапазон возможных практических применений оптической наноантенны волновой канал.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве материальной составляющей наноэлементов оптической наноантенны волновой канал, для осуществления передачи и приема электромагнитной энергии на наноуровне между приборами и элементами нанофотоники, впервые используются диэлектрические материалы со значением показателя преломления . В отличии от металлических наноантенн волновой канал, предлагаемая модель диэлектрической наноантенны функционирует на основе электрического и магнитного резонансов Ми первого порядка. Такое решение позволяет значительно уменьшить тепловые потери в наноантенне по сравнению с наиболее известным аналогом благодаря тому, что используемые диэлектрические материалы, обладают меньшим уровнем диссипации в оптической области частот по сравнению с металлическими материалами. В качестве примера таких материалов можно указать кремний, германий, антимонид алюминия и арсенид алюминия.
r
d
d
Заявляемая диэлектрическая наноантенна волновой канал для осуществления передачи и приема электромагнитной энергии на наноуровне между элементами нанофотоники представляет собой набор из нескольких выполненных из диэлектрического материала с показателем преломления , периодически упорядоченных вдоль прямой линии, частиц сферической формы (набор директоров) и одной частицы сферической формы большего размера (рефлектора), а также источника оптического излучения, размещенного между рефлектором и первым из цепочки директоров на произвольном расстоянии от них, где λ - длина волны излучения, причем радиус рефлектора R=kR, R - радиус директора, k - коэффициент, равный 1.05-1.1,
Система частиц возбуждается источником оптического излучения, молекулой или квантовой точкой, расположенным между рефлектором и первым директором. Фаза излучения рефлектора выбирается немного большей по отношению к фазе источника, что достигается подбором его размера и положением относительно квантового источника. Фазы излучаемого поля каждого из директоров в свою очередь выбираются несколько меньшими по отношению к фазе поля излучаемого источником.
В случае выполнения этих условий обеспечивается конструктивная интерференция полей в сторону расположения директоров и деструктивная интерференция в сторону от рефлектора. В результате, в направлении от цепочки директоров происходит излучение основной части мощности квантового источника оптического излучения.
В отличии от металлических наноантенн волновой канал, предлагаемая модель диэлектрической наноантенны функционирует на основе электрического и магнитного резонансов Ми первого порядка. Такое решение позволяет значительно уменьшить тепловые потери в наноантенне по сравнению с наиболее известным аналогом благодаря тому, что многие диэлектрические материалы, обладают меньшим уровнем диссипации в оптической области частот по сравнению с металлическими материалами.
Условие  выбора показателя преломления диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в диэлектрических рефлекторе и директорах резонанса Ми, соответствующего магнитному дипольному моменту. В оптической области частот этому условию удовлетворяет целый набор диэлектрических материалов. В качестве примера таких материалов можно привести кремний, германий, антимонид алюминия, арсенид алюминия.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где приведена геометрическая структура оптической наноантенны волновой канал.
r
1
2
N
d
а
Оптическая наноантенна волновой канал включает рефлектор 1 в виде сферической частицы радиуса R, источник оптического излучения 2 и N директоров (d, d, …, d) 3, в виде одинаковых сферических наночастиц радиуса R, периодически упорядоченных вдоль прямой линии с периодом . Источник 2 размещен между рефлектором 1 и цепочкой директоров 3.
r
d
r
d
а
Оптическая наноантенна работает следующим образом. Излучение антенны можно рассматривать как сумму излучений всех составляющих ее элементов: рефлектора 1, источника оптического излучения 2 и системы директоров 3. Поляризационный ток, наведенный источником оптического излучения 2 в рефлекторе 1, излучает вторичное электромагнитное поле. Фаза этого поля отстает по фазе от поля излучения источника оптического излучения. Это достигается соответствующим выбором радиуса рефлектора R. В результате излучение источника оптического излучения 2 и рефлектора в направлении рефлектора складывается в противофазе, а в направлении источника - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении источника приблизительно вдвое. Аналогично рефлектору работают директоры, однако из-за опережения излученного ими электромагнитного поля по фазе поля источника, излучение усиливается в направлении директоров. Это достигается соответствующим выбором радиуса директора R. Наличие этого поляризационного тока в рефлекторе и директорах обеспечивается электрической и магнитной поляризуемостями Ми первого порядка. Для обеспечения равной разности фаз излучаемого поля между соседними директорами цепочка директоров выбирается прямой и периодической с периодом . Каждый дополнительный директор дает прибавку увеличения передаваемой наноантенной мощности оптического излучения, но меньшую, чем предыдущий директор. Выбор радиусов R и R определяет положение рабочей длины волны оптической наноантенны.
r
r
а
В качестве примера конкретной реализации предлагается оптическая наноантенна волновой канал, выполненная из кремния. Кремний имеет показатель преломления равный 4 в оптической области частот, а уровень диссипативных потерь на порядок меньше, чем у металлов, которые использовались в аналоге и прототипах. В этом случае радиус рефлектора равен R=75 нм, радиус директоров равен R=70 нм, расстояние между директорами в цепочке равно =210 нм, наноантенна имеет 4 директора. Источник оптического излучения - молекула или квантовая точка, расположен посередине между рефлектором и первым директором. При этих параметрах конкретная реализация наноантенны волновой канал будет функционировать на длине волны равной λ=500 нм.
Предлагаемая оптическая наноантенна волновой канал обладает низким уровнем диссипативных потерь по сравнению с наиболее известным аналогом благодаря тому, что многие диэлектрические материалы, обладают меньшим уровнем диссипации в оптической области частот, меньшими геометрическими размерами, при которых заявляемая оптическая наноантенна обеспечивает схожий с аналогом уровень излучаемой мощности оптического излучения и наличием магнитного отклика, то есть возможность работы оптической наноантенны с источниками излучения магнитного типа.