Интегрированное устройство управления оптическим лучом с использованием переключаемых наноантенн и отражающей металинзы.

Том 13 научных докладов, номер статьи: 7099 (2023) Цитировать эту статью

756 Доступов

12 Альтметрика

Подробности о метриках

В этой статье предлагается интегрированное оптическое устройство, в котором отражающая металинза и пять переключаемых наноантенн объединены для обеспечения оптического управления лучом на стандартной телекоммуникационной длине волны 1550 нм. Для этой цели разработан переключаемый делитель мощности на основе графена, который интегрирован с наноантеннами для управления потоком света, попадающего в устройство. Для достижения более высокой угловой точности излучаемых лучей предложен и использован новый алгоритм оптимизации расположения питающих наноантенн в соответствии с отражающей металинзой. Чтобы добиться минимальных колебаний интенсивности света при вращении лучей в пространстве, разработан алгоритм выбора оптимальных элементарных ячеек инженерной металинзы. Все устройство подвергается численному анализу с использованием электромагнитного полноволнового моделирования, иллюстрирующего управление оптическим лучом с высокой точностью (лучше 1 градуса) в направлении луча и низким изменением (менее 1 дБ) интенсивности излучаемого света. Предлагаемое интегрированное устройство может использоваться для многих приложений, таких как меж- и внутричиповые оптические соединения, системы оптической беспроводной связи и усовершенствованные интегрированные лидары.

Оптические наноантенны — это устройства, предназначенные для управления световым профилем в микро- и нанометровых размерах1,2,3,4. Их способность управлять светом может быть использована во многих различных приложениях, включая оптические системы беспроводной связи5,6,7,8, плазмонные биосенсоры9, инструменты субволновой визуализации10,11,12, а также улавливание света в солнечных элементах13,14. Динамический контроль диаграммы направленности наноантенн, называемый возможностью управления лучом, может обеспечить большую гибкость в вышеупомянутых приложениях, особенно при их использовании для аутентификации15, оптической связи6, голографии16, визуализации17 и лидаров18,19.

Для реализации оптического управления лучом используются различные методы, включая фазовые антенные решетки20,21,22,23, антенны на вытекающей волне27,28,29,30,31,32 и метаповерхности с настраиваемыми элементарными ячейками33,34,35,36,37,38. было предложено до сих пор. Однако все ранее разработанные методы имеют свои ограничения и недостатки, которые делают разработку новых методов и методов реализации управления оптическим лучом постоянным потоком исследований.

Антенны с фазированной решеткой, которые широко используются в микроволновом режиме для сканирования луча, состоят из набора идентичных оптических наноантенн, в которых луч управляется регулируемыми фазовращателями, подключенными к каждому антенному элементу. Узкая ширина луча, широкое сканирование луча и высокое разрешение являются преимуществами оптических антенн с фазированной решеткой. Однако некоторые ограничения и недостатки, такие как медленно регулируемые фазовращатели20, большие размеры20,21,22,23 и высокий уровень раздражающих лепестков22,23 ограничивают их применение. Интегрированные конструкции, оснащенные линзой Люнебурга24 или линзой Ротмана25, не требуют фазовращателей и позволяют управлять лучом в широком диапазоне сканирования. Однако они страдают от высоких потерь и сложности изготовления24,25,26.

В другом подходе для уменьшения размеров и устранения необходимости в фазовращателях используются структуры вытекающих волн. Эти структуры можно разделить на однотоновые и многотоновые группы. В многотональных антеннах с вытекающей волной вращение луча достигается за счет изменения длины волны излучения, что требует доступа к дорогим и широкополосным лазерам27,28,29,30. Однако однотоновые структуры работают на основе изменения показателя преломления на одной длине волны. В этом методе показатель преломления в основном изменяется термически, что делает его низкоскоростным методом31,32. Кроме того, малое поле зрения (FOV) и высокие потери можно рассматривать как другие недостатки антенн на вытекающих волнах27,28,29,30,31,32.