Dispositivo de direcionamento de feixe óptico integrado usando nanoantenas comutáveis ​​e metalens reflexivos

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7099 (2023) Cite este artigo

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Neste artigo, é proposto um dispositivo óptico integrado no qual uma lente metálica reflexiva e cinco nanoantenas comutáveis ​​são combinadas para fornecer direcionamento de feixe óptico no comprimento de onda padrão de telecomunicações de 1550 nm. Para isso, um divisor de energia comutável baseado em grafeno foi projetado e integrado a nanoantenas para controlar o fluxo de luz que entra no dispositivo. Para alcançar uma maior precisão angular nos feixes irradiados, um novo algoritmo é proposto e utilizado para otimizar a localização das nano-antenas de alimentação de acordo com a lente metálica reflexiva. A fim de obter uma flutuação mínima na intensidade da luz quando os feixes são girados no espaço, um algoritmo é desenvolvido para selecionar células unitárias ideais para a lente de metal projetada. Todo o dispositivo é analisado numericamente usando simulações eletromagnéticas de onda completa ilustrando um direcionamento de feixe óptico com alta precisão (melhor que 1 grau) na direção do feixe e uma variação baixa (menos de 1 dB) na intensidade da luz irradiada. O dispositivo integrado proposto pode ser usado para muitas aplicações, como interconexões ópticas entre e intrachips, sistemas ópticos de comunicação sem fio e LIDARs integrados avançados.

As nanoantenas ópticas são dispositivos projetados para controlar o perfil de luz em dimensões micro e nanométricas1,2,3,4. Sua capacidade de controlar a luz pode ser usada em muitas aplicações diferentes, incluindo sistema óptico de comunicação sem fio5,6,7,8, biossensores plasmônicos9, instrumentos de imagem de comprimento de onda10,11,12 e também captura de luz em células solares13,14. O controle dinâmico do padrão de radiação de nano-antenas, chamado de capacidade de direcionamento de feixe, pode fornecer mais flexibilidade nas aplicações mencionadas acima, especialmente ao usá-las para autenticação15, comunicação óptica6, holografia16, imagem17 e LIDARs18,19.

Para realizar o direcionamento do feixe óptico, diferentes métodos, incluindo antenas de arranjo de fase20,21,22,23, antenas de onda com vazamento27,28,29,30,31,32 e metasuperfícies com células unitárias sintonizáveis33,34,35,36,37,38 têm proposto até agora. No entanto, todas as técnicas desenvolvidas anteriormente têm suas próprias limitações e desvantagens que tornam o desenvolvimento de novas técnicas e métodos para realizar o direcionamento do feixe óptico um fluxo de pesquisa em andamento.

As antenas phased array, que são amplamente utilizadas em regime de micro-ondas para fornecer varredura de feixe, consistem em um conjunto de nano-antenas ópticas idênticas nas quais o feixe é controlado por defasadores ajustáveis ​​conectados a cada elemento da antena. Largura de feixe estreita, varredura de feixe amplo e alta resolução são as vantagens das antenas ópticas phased array. No entanto, algumas limitações e desvantagens como defasadores lentos ajustáveis20, grandes dimensões20,21,22,23 e alto nível de lóbulos irritantes22,23 restringem suas aplicações. As estruturas integradas, equipadas com uma lente Luneburg24 ou uma lente Rotman25, não requerem deslocamento de fase e permitem o direcionamento do feixe em uma ampla faixa de varredura. No entanto, sofrem alta perda e complexidade de fabricação24,25,26.

Em outra abordagem, estruturas de onda com vazamento são usadas para reduzir as dimensões e eliminar a necessidade de deslocadores de fase. Essas estruturas podem ser categorizadas em grupos de tons únicos e múltiplos. Em antenas multitons com vazamento de onda, a rotação do feixe é conseguida alterando o comprimento de onda da radiação, o que requer acesso a lasers caros e de alta largura de banda27,28,29,30. As estruturas de tom único, no entanto, operam com base na variação do índice de refração em um único comprimento de onda. Nesse método, o índice de refração é alterado principalmente termicamente, o que o torna uma técnica de baixa velocidade31,32. Além disso, o pequeno campo de visão (FOV) e a alta perda podem ser considerados como outras desvantagens das antenas de ondas com vazamento27,28,29,30,31,32.