新型光学部件可实现散射光方向随波长变化
分析测试百科网讯 研究人员已经制造了一种硅光学天线，它看起来像是一种非常小的特殊的棱镜。当一束红光照在光学天线上时，光射向右侧，而当换一种颜色的光如橙色时，光射向左侧。
双向光学天线能够散射不同方向的光，这取决于光的波长
这种不寻常的属性被称为“双向色彩散射”，可以使光学天线作为可见光无源波长选路器有效运作。这种设备可以应用在新型光传感器、光的物质操纵和光通信中。
这种新型光学天线是由比利时Leuven的imec（校际微电子中心）以及Leuven大学的Jiaqi Li等研究人员开发的。
虽然光学天线是一个相对比较新的研究领域，但它们仅仅是人们熟悉的接收和发射收音机、手机和Wi-Fi信号的无线电和微波天线的光学版本。
通常，一个天线的大小对应于它的设计波长。由于无线电和微波的波长在毫米到千米的尺度之间波动，所以这些天线可以是相当大的。由于可见光的波长是几百纳米的尺度，调谐这些信号需要纳米天线，这更是难以制造的。
一块“V”形硅
在过去的几年中，imec和KU Leuven团队已经使用单一元素组成的天线探索了这些长度尺度的定向光操纵的可能性。在2013年，利用金纳米天线，他们展示了世界上最小的单向光学天线，其形状是“V”形的。这些金属天线支持所谓的“等离子模式”，它与介质天线支持的光学模式根本不同。
现在，通过换成硅制介质V形天线，研究人员可以实现双向散射，相反在使用黄金的情况下只能实现单向散射。在双向散射中，散射的方向取决于入射光的波长。方向的转变是渐进的。例如，随着波长由775nm降到660nm，散射方向逐渐从左侧向右侧转变。特定的波长可以通过操作微调调谐到天线的尺寸和形状。
“我们的工作表明，仔细操纵一块尺寸小于光波长的几何形状的硅，它是可能有效引导不同颜色的可见或近红外光进入不同方向的，” imec和KU Leuven的物理学家、合著者 Niels Verellen说。“仅有对称粒子或类似形状的金属天线是不可能实现的。”
与黄金相比，使用硅有几点优势。例如，硅可以避免欧姆吸收的损失，这是等离子纳米天线的主要缺点。此外，硅天线有一个大的散射横截面，这意味着它可以非常有效地与光进行相互作用。硅也是一种完全兼容CMOS的材料，可以直接集成到大型光电设备制造中。
“我们的非常小的硅光学天线接近了功能性光学器件的极限，它们在大多数人熟悉的大尺寸光学和微纳米级甚至是分子原子尺寸的现代电子之间组成了一道桥梁。”Li说。
该光学天线是由一块V形的硅制成的。光学天线在不同方向散射光取决于波长。
在调查双向散射的基本物理原理时，研究人员发现双向效应来自于天线所支持的各种电磁模式的相互干扰。天线的所有电和磁模式散射不同角度和方式的入射光，最终的模式可以描述为所有这些模式的组合或多极。通过分解总的散射模式，研究人员可以确定哪些多极主导了散射。结果是，两个主导的多极（磁偶极子和电四极子）同步激发只可能在非对称形的天线中出现，这强调了天线几何形状的重要性。
小天线，多用途
在应用方面，双向光学天线可以用来制造更紧凑、廉价、有效的光测量设备，如光学传感器和光电探测器。这些设备可用于多种领域，包括生命科学、光伏、光纤、环境监测、激光雷达、全息摄影以及量子计算。研究人员计划在未来探索这些以及其他多种应用。
“介质天线以非常小的足迹成为显微镜或纳米光学系统有前途的基石。在或从某个方向上选择性地发送或接收光子在这一领域非常重要。例如，在光子集成电路（PIC）中，光栅耦合器用来发射来自激光器或光纤的光到芯片上的波导。这些光栅耦合器是比较大的组件，有几个波长大小，它可能被一个或几个定向性的光学天线所取代。” Verellen说。
尤其是在纳米光子学的应用方面，每个光子的计数，会立即受益于有效光子搜集的定向光子选路器——例如拉曼光谱和量子光学。光选路器可以用来发送信号或提高探测器的信噪比。
波长依赖的方向性对于标度的光传感器（如生物或化学）也是很有前途的。传感器通常是基于样品光谱的变化进行检测的，如散射、透射或荧光。通过光栅或滤波器对光谱信息进行评估。这些部件比较大难以小型化。如果光谱信息已经存在于靠近样品放置的定向光学天线的散射或发射模式中，这可以简化光谱分析，这可以使设备更加廉价、紧凑。
在未来的研究中，科学家计划调查新的光学天线如何处理从一个非常小的光源如量子点发出的光。他们还想探究如何主动操纵光。
“目前，硅天线的功能是被动的，这意味着，一旦制造出来，该天线将会一直在相同的方向发射相同的颜色。然而，我们可以给天线一点激励，通过调制其光学性能使它活跃起来。通过应用一些外部条件，我们基本上就可以告诉天线我们想要哪种颜色到哪个方向上去。”Li说。
