Оптическая диэлектрическая наноантенна

Оптическая диэлектрическая наноантенна относится к области физики и служит для осуществления сбора излучения от одиночных квантовых источников света, с последующей передачей его между элементами нанофотоники. Наноантенна может быть использована для эффективной трансформации ближнего поля излучения квантового источника, например 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.

Оптическая диэлектрическая наноантенна, состоит из точечного оптического источника и наночастицы, выполненной в виде шара с радиусом Rs субволновой величины, изготовленной из диэлектрического материала с показателем преломления , где - длина волны излучения, источник расположен в выемке на поверхности шара, выполненной в виде полусферы радиуса R _n.

Заявляемая наноантенна обеспечивает уменьшение геометрических размеров наноантенны при сохранении коэффициента направленности излучения, за счет увеличения площади ее эффективной апертуры S

1 илл.

Оптическая диэлектрическая наноантенна относится к области физики и служит для осуществления сбора излучения от одиночных квантовых источников света, с последующей передачей его 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. Такие наноантенны будут являться быстрыми и эффективными инструментами для работы с единичными квантовыми источниками излучения, например для создания беспроводных каналов оптической связи, в оптических чипах.

Диэлектрические линзовые наноантенны хорошо зарекомендовали себя в оптической области в качестве эффективных систем для формирования направленного оптического излучения от одиночных оптических источников, благодаря возможности получения от такой антенны узкой диаграммы направленности за счет большой площади геометрической апертуры.

Известны диэлектрические линзовые наноантенны, представленные в работах [P. Siyushev, F. Kaiser, V. Jacques, et al., APL, 97, 241902 (2010), Jerome Wenger, Davy Gerard, et al., Anal. Chem., 80, 6800 (2008)]. Такие оптические линзовые наноантенны состоят из диэлектрического шара сферической формы радиуса 1-5 мкм изготовленной из материала с малым значением показателя преломления (например SiO₂ ), а также источника оптического излучения, расположенного непосредственно вблизи шара. Такие диэлектрические линзовые наноантенны разрабатываются специально для создания эффективных систем сбора излучения от одиночных квантовых источников света.

Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является диэлектрическая линзовая наноантенна для осуществления сбора электромагнитной энергии от одиночного точечного оптического источника [Zengbo Wang, Wei Guo, Lin Li, Boris Lukyanchuk, Ashfaq Khan, Zhu Liu, Zaichun Chen, Minghui Hong, Nature Communications, 2, 218 (2011)].

Известная диэлектрическая линзовая наноантенна для сбора электромагнитной энергии от одиночного источника состоит из наночастицы, выполненной в виде шара радиуса 1 мкм, изготовленного из материала SiO₂ имеющего низкое значение показателя преломления равное 2.2, а также точечного оптического источника, расположенного в непосредственной близости к шару. Такая диэлектрическая линзовая наноантенна работает на основе сбора излучения за счет большого значения площади ее геометрической апертуры. При этом значение площади эффективной апертуры такой наноантенны совпадает с площадью ее геометрической апертуры.

Недостатками известной диэлектрической линзовой наноантенны является ее большой размер, в несколько раз превышающий длину волны излучения оптического источника, что является нежелательным при создании беспроводных каналов оптической связи в оптических чипах. Заявляемая полезная модель решает задачу уменьшения геометрических размеров наноантенны при сохранении коэффициента направленности излучения, за счет увеличения площади ее эффективной апертуры S.

Поставленная задача решается следующим образом. Оптическая диэлектрическая наноантенна, состоящая из точечного оптического источника и наночастицы, выполненной в виде шара с радиусом Rs субволновой величины, изготовленного из диэлектрического материала с показателем преломления , где - длина волны излучения, а источник расположен в выемке на поверхности шара, выполненной в виде полусферы радиуса Rn, за счет чего значение площади ее эффективной апертуры S в 5-7 раз больше площади геометрической апертуры .

Заявляемая полезная модель оптической диэлектрической наноантенны для формирования направленного оптического излучения от одиночных оптических источников решает задачу уменьшения геометрических размеров антенны по сравнению с прототипом, за счет эффекта сверхнаправленности, что проявляется в увеличении значения площади ее эффективной апертуры. Благодаря этому эффекту, площадь эффективной апертуры S становится значительно больше (в 5-7 раз) площади геометрической апертуры. . Сверхнаправленный режим работы наноантенны осуществляется путем создания сильно пространственно осциллирующих поляризационных токов в диэлектрическом материале шара путем помещения точечного источника оптического излучения внутрь выемки на поверхности этого шара. В свою очередь, это приводит к возбуждению высших мультипольных моментов поля такой наноантенны и, как следствие, - к высокому значению (порядка 10) коэффициента направленности излучения. При этом важно, что эффект сверхнаправленности достигается без использования сложных массивов наноантенн или метаповерхностей.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим. В качестве материальной составляющей субволнового диэлектрического шара используются диэлектрические материалы со значением показателя преломления . В качестве примера таких материалов можно указать кремний, германий, антимонид алюминия и арсенид алюминия. При взаимодействии такого шара с точечным оптическим источником находящимся снаружи, в шаре возбуждаются электрический и магнитный диполи, то есть мультипольные моменты первого порядка. В свою очередь мультиполи высших порядков в этом случае малы и существенного вклада в коэффициент направленности излучения не вносят. Однако, помещение точечного источника внутрь диэлектрического шара приводит к резонансному возбуждению мультиполей высшего порядка, что проявляется в увеличении коэффициента направленности излучения наноантенны. В этом состоянии наноантенна функционирует в режиме сверхнаправленности, а ее площадь эффективной апертуры становится значительно больше площади геометрической апертуры. В результате, в направлении от шара происходит излучение основной части мощности квантового источника оптического излучения. Благодаря увеличенной площади эффективной апертуры, оптическая наноантенна в режиме сверхнаправленности имеет значения коэффициента направленности аналогичные коэффициенту направленности больших диэлектрических линзовых наноантенн.

Условие выбора показателя преломления диэлектрического материала обосновывается необходимостью возбуждения в диэлектрическом шаре резонанса Ми, соответствующего магнитному дипольному моменту в случае точечного оптического источника расположенного вне шара. При помещении точечного оптического источника в выемку на поверхности шара этот магнитный резонанс Ми гибридизируется в набор мультиполей высшего порядка. 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 диэлектрической наноантенны. Оптическая диэлектрическая наноантенна включает наночастицу из диэлектрического материала, выполненную в виде шара 1 с радиусом Rs субволновой величины и точечный оптический источник 2, который размещен в выемке 3 на поверхности шара 1. Выемка 3 имеет форму полусферы радиуса R_n. Точечный оптический источник 2 расположен в выемке на глубине R_n /2.

Для удобства восприятия геометрии и расположения источника из наночастицы, выполненной в виде шара, вырезан сектор. Наночастица, как элемент оптической диэлектрической наноантенны на самом деле этот сектор содержит.

Оптическая наноантенна работает следующим образом. Излучение антенны можно рассматривать как сумму излучений всех возбуждаемых в ней мультиполей. Большое число мультиполей высшего порядка возбуждаются путем создания сильно пространственно осциллирующих поляризационных токов в диэлектрическом материале шара 1 путем помещения точечного источника оптического излучения 2 внутрь выемки 3 на поверхности этого шара. В результате излучение источника 2 и всех мультиполей, возбуждаемых в шаре 1 в направлении от выемки 3 складывается в противофазе, а в направлении от шара - в фазе, что приводит к усилению излучения в направлении от шара и формированию высокого значения коэффициента направленности. Наличие этого поляризационного тока в диэлектрическом шаре обеспечивается магнитной поляризуемостью Ми первого порядка, которая гибридизируется в набор мультиполей высшего порядка, при помещении точечного оптического источника в выемку на поверхности шара. Выбор радиусов R_s и R_n определяет положение рабочей длины волны оптической наноантенны.

В качестве примера конкретной реализации предлагается оптическая диэлектрическая наноантенна, в которой наночастица в виде шара с радиусом Rs субволновой величины выполнена из кремния. Кремний имеет показатель преломления равный 4 в оптической области. В этом случае радиус диэлектрического шара равен R _s=90 нм, радиус выемки равен R_n=40 нм. Точечный оптический источник - молекула или квантовая точка, находится в выемке на глубине R_n/2. При этих параметрах конкретная реализация оптической наноантенны будет функционировать на длине волны равной =455 нм и иметь коэффициент направленности излучения равный 10. В этом случае величина площади эффективной апертуры оптической наноантенны в 6.5 раза больше площади ее геометрической апертуры.

Заявляемая оптическая диэлектрическая наноантенна имеет меньшие геометрические размеры при сохранении коэффициента направленности излучения, за счет увеличения площади ее эффективной апертуры S.

Оптическая диэлектрическая наноантенна, состоящая из точечного оптического источника и наночастицы, выполненной в виде шара с радиусом Rs субволновой величины, отличающаяся тем, что точечный оптический источник размещен в выемке на поверхности шара, выполненной в виде полусферы радиуса R_n, а наночастица изготовлена из материала с показателем преломления , где - длина волны излучения.