RU132573U1

RU132573U1 - OPTICAL DIELECTRIC NANOANTENA

Info

Publication number: RU132573U1
Application number: RU2013121204/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Краснок; Павел Александрович Белов
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-09-20

Abstract

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, а наночастица изготовлена из материала с показателем преломления, где λ - длина волны излучения.An optical dielectric nanoantenna consisting of a point optical source and a nanoparticle made in the form of a ball with a radius Rs of a subwavelength, characterized in that the point optical source is placed in a recess on the surface of the ball made in the form of a hemisphere of radius R, and the nanoparticle is made of a material with an index refraction, where λ is the radiation wavelength.

Description

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.Optical dielectric nanoantenna belongs to the field of physics and serves to collect radiation from single quantum light sources, with its subsequent transmission between the elements of nanophotonics. It can be used to efficiently transform the near field radiation of a quantum source, molecule, or quantum dot into a freely propagating electromagnetic field, and vice versa, to efficiently extract energy from an external electromagnetic field with subsequent conversion to energy of a field strongly localized on a subwavelength scale. Such nanoantennas will be fast and effective tools for working with single quantum radiation sources, for example, for creating wireless optical communication channels in optical chips.

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.Dielectric lens nanoantennas have proven themselves in the optical field as effective systems for generating directional optical radiation from single optical sources, due to the possibility of obtaining a narrow radiation pattern from such an antenna due to the large area of the geometric aperture.

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.Known dielectric lens nanoantennas presented in [P. Siyushev, F. Kaiser, V. Jacques, et al., APL, 97, 241902 (2010), Jerome Wenger, Davy Gerard, et al., Anal. Chem., 80, 6800 (2008)]. Such optical lens nanoantennas consist of a spherical dielectric sphere with a radius of 1-5 μm made of a material with a low refractive index (e.g., SiO ₂ ), as well as an optical radiation source located directly near the sphere. Such dielectric lens nanoantennas are specifically designed to create efficient systems for collecting radiation from single quantum light sources.

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)].The closest analogue of the proposed utility model and selected as a prototype is a dielectric lens nanoantenna for collecting electromagnetic energy from a single point optical source [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.The known dielectric lens nanoantenna for collecting electromagnetic energy from a single source consists of a nanoparticle made in the form of a ball of radius 1 μm made of SiO ₂ material having a low refractive index of 2.2, as well as a point optical source located in close proximity to the ball. Such a dielectric lens nanoantenna works by collecting radiation due to the large area of its geometric aperture. Moreover, the value of the effective aperture area of such a nanoantenna coincides with the area of its geometric aperture.

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.The disadvantages of the known dielectric lens nanoantenna is its large size, several times the radiation wavelength of the optical source, which is undesirable when creating wireless optical communication channels in optical chips. The inventive utility model solves the problem of reducing the geometric dimensions of the nanoantenna while maintaining the directivity of the radiation, by increasing the area of its effective aperture 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 λ - 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

.The problem is solved as follows. Optical dielectric nanoantenna, consisting of a point optical source and a nanoparticle, made in the form of a ball with a radius Rs of a subwavelength made of a dielectric material with a refractive index

, where λ is the radiation wavelength, and the source is located in a recess on the surface of the ball made in the form of a hemisphere of radius Rn, due to which the value of the area of its effective aperture S is 5-7 times larger than the area of the geometric aperture

.

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.The inventive utility model of an optical dielectric nanoantenna for the formation of directional optical radiation from single optical sources solves the problem of reducing the geometric dimensions of the antenna compared to the prototype due to the effect of superdirectionality, which manifests itself in an increase in the value of the area of its effective aperture. Due to this effect, the effective aperture area S becomes much larger (5-7 times) than the geometric aperture area.

. The superdirectional mode of operation of the nanoantenna is carried out by creating strongly spatially oscillating polarizing currents in the dielectric material of the ball by placing a point source of optical radiation inside the recess on the surface of this ball. In turn, this leads to the excitation of higher multipole moments of the field so nanoantennas and, as a result, to a high value (of the order of 10) of the radiation directivity coefficient. It is important that the effect of superdirectionality is achieved without the use of complex arrays of nanoantennas or metasurfaces.

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.The essence of the claimed utility model is explained as follows. As the material component of the subwavelength dielectric sphere, dielectric materials with a refractive index value are used

. Silicon, germanium, aluminum antimonide, and aluminum arsenide can be mentioned as examples of such materials. When such a ball interacts with a point optical source located outside, electric and magnetic dipoles, that is, first-order multipole moments, are excited in the ball. In turn, higher-order multipoles in this case are small and do not make a significant contribution to the directivity coefficient of radiation. However, placing a point source inside a dielectric ball leads to resonant excitation of higher order multipoles, which is manifested in an increase in the directivity of the radiation of the nanoantennas. In this state, the nanoantenna functions in a superdirectional mode, and its effective aperture area becomes much larger than the geometric aperture area. As a result, in the direction from the ball, the main part of the power of the quantum source of optical radiation is emitted. Due to the increased effective aperture area, the optical nanoantenna in the superdirectional mode has directivity coefficients similar to the directivity coefficient of large dielectric lens nanoantennas.

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.Condition

the choice of the refractive index of the dielectric material is justified by the need to excite the Mie resonance in the dielectric ball, corresponding to the magnetic dipole moment in the case of a point optical source located outside the ball. When a point optical source is placed in a recess on the surface of the ball, this Mie magnetic resonance hybridizes into a set of higher-order multipoles. In the optical frequency range, this condition is satisfied by a whole set of dielectric materials. Silicon, germanium, aluminum antimonide, aluminum arsenide can be cited as an example of such materials.

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.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows the geometric structure of the optical dielectric nanoantenna. An optical dielectric nanoantenna includes a nanoparticle made of a dielectric material made in the form of a ball 1 with a subwavelength radius Rs and a point optical source 2, which is located in a recess 3 on the surface of the ball 1. The recess 3 has the shape of a hemisphere of radius R _n . The point optical source 2 is located in a recess at a depth of 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.For ease of perception of the geometry and location of the source, a sector is cut out of a nanoparticle made in the form of a ball. A nanoparticle as an element of an optical dielectric nanoantenna actually contains this sector.

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.Optical nanoantenna works as follows. The antenna radiation can be considered as the sum of the radiation of all the multipoles excited in it. A large number of higher-order multipoles are excited by creating strongly spatially oscillating polarizing currents in the dielectric material of the ball 1 by placing a point source of optical radiation 2 inside the recess 3 on the surface of this ball. As a result, the radiation of the source 2 and all multipoles excited in the ball 1 in the direction from the recess 3 is added in antiphase, and in the direction from the ball in the phase, which leads to amplification of radiation in the direction from the ball and the formation of a high directivity coefficient. The presence of this polarization current in the dielectric ball is ensured by the first-order magnetic polarizability of Mie, which hybridizes into a set of higher-order multipoles when a point optical source is placed in a recess on the surface of the ball. The choice of the radii R _s and R _n determines the position of the working wavelength of the optical nanoantenna.

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 λ=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.As an example of a specific implementation, an optical dielectric nanoantenna is proposed in which the nanoparticle in the form of a ball with a subwavelength radius Rs is made of silicon. Silicon has a refractive index of 4 in the optical region. In this case, the radius of the dielectric ball is equal to R _s = 90 nm, the radius of the notch is equal to R _n = 40 nm. A point optical source - a molecule or quantum dot, is located in a recess at a depth of R _n / 2. With these parameters, a specific implementation of the optical nanoantenna will operate at a wavelength equal to λ = 455 nm and have a radiation directivity coefficient equal to 10. In this case, the effective aperture area of the optical nanoantenna is 6.5 times the area of its geometric aperture.

Заявляемая оптическая диэлектрическая наноантенна имеет меньшие геометрические размеры при сохранении коэффициента направленности излучения, за счет увеличения площади ее эффективной апертуры S.The inventive optical dielectric nanoantenna has smaller geometric dimensions while maintaining the directivity of the radiation, by increasing the area of its effective aperture S.

Claims

An optical dielectric nanoantenna consisting of a point optical source and a nanoparticle made in the form of a ball with a radius Rs of a subwavelength, characterized in that the point optical source is placed in a recess on the surface of the ball made in the form of a hemisphere of radius R _n , and the nanoparticle is made of material with refractive index

n \geq \frac{λ}{2 R_{s}}

where λ is the radiation wavelength.