Dispositivo de dirección de haz óptico integrado que utiliza nanoantenas conmutables y metalens reflectantes

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7099 (2023) Citar este artículo

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En este documento, se propone un dispositivo óptico integrado en el que se combinan una lente metálica reflectante y cinco nanoantenas conmutables para proporcionar dirección de haz óptico en la longitud de onda de telecomunicaciones estándar de 1550 nm. Para este propósito, se diseña e integra un divisor de potencia conmutable basado en grafeno con nanoantenas para controlar el flujo de la luz que ingresa al dispositivo. Para lograr una mayor precisión angular en los haces radiados, se propone y utiliza un nuevo algoritmo para optimizar la ubicación de las nanoantenas de alimentación de acuerdo con las lentes metálicas reflectantes. Para lograr una fluctuación mínima en la intensidad de la luz cuando los haces giran en el espacio, se desarrolla un algoritmo para seleccionar celdas unitarias óptimas para las lentes metálicas diseñadas. Todo el dispositivo se analiza numéricamente utilizando simulaciones electromagnéticas de onda completa que ilustran una dirección de haz óptico con alta precisión (mejor que 1 grado) en la dirección del haz y una baja variación (menos de 1 dB) en la intensidad de la luz radiada. El dispositivo integrado propuesto se puede utilizar para muchas aplicaciones, como interconexiones ópticas entre chips e intrachip, sistemas de comunicación inalámbrica óptica y LIDAR integrados avanzados.

Las nanoantenas ópticas son dispositivos diseñados para controlar el perfil de luz en dimensiones micro y nanométricas1,2,3,4. Su capacidad para controlar la luz se puede utilizar en muchas aplicaciones diferentes, incluido el sistema de comunicación inalámbrico óptico5,6,7,8, los biosensores plasmónicos9, los instrumentos de imágenes de sublongitud de onda10,11,12 y también la captura de luz en las células solares13,14. El control dinámico del patrón de radiación de las nanoantenas, denominado capacidad de dirección del haz, puede proporcionar más flexibilidad en las aplicaciones antes mencionadas, especialmente cuando se usan para autenticación15, comunicación óptica6, holografía16, generación de imágenes17 y LIDAR 18,19.

Para realizar la dirección del haz óptico, se han utilizado diferentes métodos que incluyen antenas de matriz de fase20,21,22,23, antenas de onda con fugas27,28,29,30,31,32 y metasuperficies con celdas unitarias sintonizables33,34,35,36,37,38. sido propuesto hasta ahora. Sin embargo, todas las técnicas desarrolladas anteriormente tienen sus propias limitaciones y desventajas que hacen que el desarrollo de nuevas técnicas y métodos para realizar la dirección del haz óptico sea una corriente de investigación en curso.

Las antenas de matriz en fase, que se utilizan ampliamente en el régimen de microondas para proporcionar escaneo de haz, consisten en un conjunto de nanoantenas ópticas idénticas en las que el haz es controlado por desfasadores ajustables conectados a cada elemento de antena. El ancho de haz estrecho, el escaneo de haz ancho y la alta resolución son las ventajas de las antenas de matriz en fase óptica. Sin embargo, algunas limitaciones y desventajas como los desfasadores ajustables lentos20, las grandes dimensiones20,21,22,23 y el alto nivel de lóbulos molestos22,23 restringen sus aplicaciones. Las estructuras integradas, equipadas con una lente Luneburg24 o una lente Rotman25, no requieren desfasadores y permiten dirigir el haz en un amplio rango de exploración. Sin embargo, sufren de alta pérdida y complejidad de fabricación24,25,26.

En otro enfoque, se utilizan estructuras de ondas con fugas para reducir las dimensiones y eliminar la necesidad de desfasadores. Estas estructuras se pueden clasificar en grupos de un solo tono y de varios tonos. En las antenas multitono de onda con fugas, la rotación del haz se logra cambiando la longitud de onda de la radiación, lo que requiere el acceso a láseres caros y de gran ancho de banda27,28,29,30. Las estructuras de un solo tono, sin embargo, operan en base a la variación del índice de refracción en una sola longitud de onda. En este método, el índice de refracción se cambia principalmente térmicamente, lo que hace que sea una técnica de baja velocidad31,32. Además, el pequeño campo de visión (FOV) y la gran pérdida pueden considerarse otras desventajas de las antenas de onda con fugas27,28,29,30,31,32.

Otra forma de dirigir los haces radiados es utilizando metasuperficies sintonizables33,34,35,36,37,38. Las metasuperficies son versiones bidimensionales de metamateriales que consisten en un conjunto de nanoantenas, cada una de las cuales proporciona una amplitud y una fase reflejadas específicas. Los materiales sintonizables como el dióxido de vanadio (VO2)33,34, el óxido de indio y estaño (ITO)35,36 y los materiales de cambio de fase (PCM)37,38 se pueden utilizar en la construcción de metasuperficies, lo que hace que su respuesta sea dinámicamente controlable. Las metasuperficies sintonizables cuando se utilizan para la dirección del haz proporcionan un haz de radiación estrecho, un campo de visión amplio y una dirección de velocidad relativamente alta. Sin embargo, dado que cada celda unitaria utilizada en la construcción de metasuperficies debe ajustarse individualmente, aumenta la complejidad y el costo de estas estructuras33,34,35,36,37,38. Para superar este problema, se han introducido estructuras basadas en lentes para trabajar en régimen de microondas57,58,59 y óptico49,50,51,52,53,54,55.

Para abordar los desafíos mencionados anteriormente, en este documento, se propone un dispositivo integrado en el que se combinan una matriz de nanoantenas, un divisor de potencia conmutable basado en grafeno y una metasuperficie reflectante para proporcionar dirección de haz óptico. Todos los elementos están integrados dentro de un medio de dióxido de silicio, formando un dispositivo compacto que tiene unas dimensiones de \(10,2\times 16,3\times 6,5\, \upmu {\text{m}}^{3}\). La estructura está diseñada de tal manera que se puede fabricar con técnicas estándar de nanotecnología. La dirección del haz se proporciona mediante el cambio entre las nanoantenas de alimentación realizadas por un divisor de potencia conmutable basado en grafeno diseñado y optimizado que funciona en función de los voltajes aplicados que controlan el potencial químico de las láminas de grafeno. Dado que la dirección del haz se realiza electrónicamente, el dispositivo tiene una mayor velocidad en comparación con los diseños y métodos que controlan el haz de radiación mecánica o térmicamente. Dado que la metasuperficie utilizada en este diseño no es sintonizable, para evitar la complejidad en la fabricación y el control, una de las partes más desafiantes fue diseñar celdas unitarias que proporcionaran simultáneamente diferentes fases adecuadas para diferentes nanoantenas de alimentación. Para abordar este desafío, se propone un nuevo método que utiliza la técnica de holografía para calcular las fases requeridas y luego, al definir una función de error de fase adecuada, selecciona ubicaciones óptimas para alimentar nanoantenas que minimizan la función definida. Toda la estructura se analiza numéricamente y su rendimiento se investiga mediante simulaciones electromagnéticas de onda completa. Los resultados de esta simulación muestran varias ventajas para la estructura diseñada, en comparación con trabajos informados anteriormente, incluida la alta precisión para los ángulos de radiación diseñados, bajos niveles de lóbulo lateral y baja variación en la intensidad de potencia radiada cuando se realiza la dirección del haz.

La estructura del documento es la siguiente. En primer lugar, se presenta la estructura propuesta y se explica su principio de funcionamiento. En esta parte del documento, los componentes que construyen el dispositivo, las nanoantenas, las celdas unitarias de metasuperficie y el interruptor basado en grafeno, se describen individualmente y sus rendimientos se investigan numéricamente uno por uno. Además, se explica el algoritmo utilizado para calcular la fase requerida de las celdas unitarias de la metasuperficie y para encontrar las ubicaciones óptimas de las nanoantenas de alimentación para minimizar el error de fase resultante. Luego, se analiza numéricamente todo el dispositivo de dirección del haz propuesto y se presentan y discuten sus resultados cuando se usa para la dirección del haz. En esa parte, también se investiga la capacidad de la estructura propuesta para extenderse con el fin de lograr una resolución más alta y un haz más estrecho. Finalmente, en la última sección, concluimos el trabajo.

El dispositivo de dirección de haz integrado propuesto se muestra en la Fig. 1. Como se muestra en esta figura, la estructura diseñada consta de una lente basada en una metasuperficie integrada con cinco nanoantenas conectadas a un interruptor óptico basado en grafeno. Toda la estructura tiene una dimensión de \(10,2\times 16,3\times 6,5\, \upmu {\text{m}}^{3}\) y está integrada dentro de dióxido de silicio, actuando como material de fondo. El dispositivo está diseñado de tal manera que puede fabricarse utilizando técnicas de fabricación de nanotecnología estándar. La lente metálica consta de \(17\times 17\) células unitarias plasmónicas, construidas a partir de capas de silicio y SiO2 intercaladas entre dos capas de plata.

(a) Vista en perspectiva (b) Vista lateral del dispositivo de dirección de haz propuesto que consta de una lente metálica reflectante, nanoantenas de alimentación y un divisor de potencia conmutable basado en grafeno. Las escalas de dimensiones no están en proporción. \({W}_{m}=9.6 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Agu}^{M}=20 \, {\text{nm}}, \, {t}_{Agd}^{M}=50 \, {\text{nm}}, \, {t}_{{SiO}_{2}}^{M}=100 \, {\text{ nm}}, \, {t}_{Si}^{M}=10 \, {\text{nm}},{W}_{f}=10.1 \, \upmu {\text{m}}, \, {Z}_{f}=6.05 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Ag}^{F}=100 \, {\text{nm}}, \, {{t}_{{SiO}_{2}}^{F}=20 \, {\text{nm}}, t}_{Si}^{F}=150 \, {\text{nm} }\).

El haz radiado que sale del dispositivo lo proporciona principalmente la lente reflectante basada en la metasuperficie. Esta lente metálica da forma a la luz entrante iluminada por las nanoantenas, para proporcionar la radiación en la dirección deseada. La lente metálica está diseñada de tal manera que proporciona radiación en diferentes direcciones cuando es iluminada por diferentes alimentaciones. Por lo tanto, la dirección del haz se proporciona seleccionando entre las nanoantenas radiadas. Esta selección se realiza utilizando un divisor de potencia controlable basado en grafeno (ver Fig. 1), aplicando voltajes apropiados a las capas de grafeno utilizadas en su construcción. Al principio, la luz entrante ingresa al divisor de potencia conmutable basado en grafeno y, de acuerdo con los voltajes ajustables aplicados al interruptor, se guía a uno de los cinco puertos de salida que alimentan la nanoantena relacionada. La nano-antena seleccionada alimentada por el interruptor irradiará la luz normalmente al espacio. La luz radiada brilla en la lente metálica colocada frente a las antenas y luego la lente la refleja en una dirección específica. A continuación, proporcionamos más detalles sobre cada componente de la estructura propuesta.

Para lograr un direccionamiento del haz de alta precisión, las lentes metálicas y las ubicaciones de las nanoantenas de alimentación se diseñan mediante el método de holografía39,40,41,42,43,44,45,46,47,48. En el método de holografía clásico, la onda incidente producida por una fuente y la otra onda obtenida de la dispersión de un objeto interfieren en el holograma, y ​​su patrón de interferencia se registra en una película fotográfica48. Luego, la iluminación de la película con la onda de referencia dispersará una copia de la onda del objeto original. El patrón de interferencia en el holograma contiene un término proporcional a48:

donde \({\psi }_{i}\) es la onda incidente, \({\psi }_{o}\) es la onda objeto y \(H\) es el patrón de holograma deseado. Cuando el holograma grabado es iluminado por la onda incidente, la onda dispersa del holograma da \(H\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right) .{\psi }_{i}\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)={\psi }_{o}\left( {x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|{\psi }_{i}^{2}\left({x}^{^{\ prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|\) que es una copia de la onda del objeto. Cuando se utiliza la técnica de holografía para diseñar lentes de metal, \({\psi }_{i}\) representa la luz que incide sobre la lente de metal, \(H\) representa la respuesta de la lente de metal que se proporciona mediante el diseño adecuado de celdas unitarias, y (\({\psi }_{o}\)) representa el patrón reflejado deseado.

En este diseño, la onda incidente, \({\overline{\psi }}_{i}\), está determinada por las nanoantenas de alimentación. Por lo tanto, asumiendo la polarización TM para las ondas incidente y dispersada, el \({\overline{\psi }}_{i}\), se puede escribir como:

donde \({A}_{i}\), es la amplitud de la onda incidente en la lente metálica, \({k}_{0}\) es el número de onda en el espacio libre, \({\overline{ R} }_{i}\) es un vector que conecta el centro de la lente metálica con la ubicación de la nanoantena y se puede escribir como \({\overline{R} }_{i}={R}_{ i}\mathrm{sin}{\theta }_{i}cos{\varphi }_{i} \widehat{x}+ {R}_{i}\mathrm{sin}{\theta }_{i} sin{\varphi }_{i} \widehat{y}+ {R}_{i}\mathrm{cos}{\theta }_{i} \widehat{z}\), y \({\overline{ R} }^{^{\prime}}={x}^{^{\prime}}\widehat{x}+{y}^{^{\prime}}\widehat{y}\) es un vector conectando el centro de la lente metálica a cada celda unitaria. En la relación anterior, \({\theta }_{i}\), \({\varphi }_{i}\) son la elevación esférica y el ángulo azimutal de las ondas incidentes, respectivamente.

Por otro lado, la onda objeto \({\bar{\psi }}_{o}\), que es el patrón de salida en la dirección deseada, se puede escribir como:

donde \({A}_{o}\) es la amplitud de la onda de salida y el vector de campo lejano \({\overline{R} }_{o}\) se escribe como \({\widehat{R} }_{o}=\mathrm{sin}{\theta }_{o}cos{\varphi }_{o} \widehat{x}+ \mathrm{sin}{\theta }_{o}sin{\ varphi }_{o} \widehat{y}+ cos{\theta }_{o} \widehat{z}\), en el que \({\theta }_{o}\), \({\varphi } _ {o}\) determine la dirección del haz radiado. Finalmente, combinando (1)–(3), la fase deseada proporcionada por la lente metálica se obtiene como:

donde \(\varphi \left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)\) es la fase deseada en la meta-lente que debe proporcionar las celdas unitarias diseñadas. Como Ec. (4), la fase proporcionada por la metasuperficie es una función de \({R}_{i}\), la ubicación de la nanoantena, y también \({\theta }_{o}\), \( {\varphi }_{o}\), la dirección del haz radiado. Por otro lado, en nuestro diseño, el escaneo del haz se proporciona al cambiar las nanoantenas de alimentación. Por lo tanto, para cada haz de radiación, \({\theta }_{o}\), \({\varphi }_{o}\) y \({R}_{i}\) varían dando como resultado diferentes valores para el perfil de fase en la metasuperficie, mientras que nuestra metasuperficie no es ajustable y, por lo tanto, su dosis de fase no cambia dinámicamente. Para abordar este desafío, definimos una función de error que representa la variación de fase en la metasuperficie cuando la antena de alimentación y el haz de radiación alteran y minimizan esta función, optimizando la ubicación de las nanoantenas de alimentación. Para ello, se ha seleccionado como referencia la variación de fase de la nanoantena situada en el centro, y las ubicaciones de otras nanoantenas alimentadoras (\({R}_{i},{\theta }_{i }\),\({\varphi }_{i}\)) están optimizados para encontrar la diferencia de fase mínima con la antena de referencia ubicada en (\({R}_{ir},{\theta }_{ir} \),\({\varphi}_{ir}\)). Para simplificar, se supone que los parámetros \({R}_{i},{\theta }_{i}\) son fijos para todas las nanoantenas de alimentación (\({R}_{i}=7.68\mu m,{\theta }_{i}={38}^{\circ}\) ) y solo buscaremos valores óptimos para \({\varphi }_{i}\). La función de error que requiere ser minimizada se define como:

donde \({N}_{x}, {N}_{y}\) representa el número de elementos de metasuperficie en las direcciones \(x,y\), respectivamente. La antena de referencia se encuentra en el eje x (\({\varphi }_{ir}={0}^{\circ}\)) y los ángulos de incidencia de otras antenas (\({\varphi }_{i}\ )) se calculan minimizando la función de coste y logrando errores mínimos de variación de fase. Para conmutación de haz en 5 ángulos acimutales de (\({\varphi }_{o}=[14{0}^{\circ},16{0}^{\circ},18{0}^{\circ} ,20{0}^{\circ},22{0}^{\circ}]\)), se calculan las ubicaciones óptimas y los resultados se muestran en la Fig. 2b, como \({\varphi }_{i }=[-43.{9}^{\circ},-21.{2}^{\circ},{0}^{\circ},21.{2}^{\circ},43.{ 9}^{\círculo}]\). Como se ilustra en las Ecs. (1)–(4), la metasuperficie se puede diseñar para dar como resultado el patrón de radiación de campo lejano deseado. Aquí, nuestro objetivo para el patrón de radiación ha sido lograr un ancho de haz de media potencia de 20° y niveles de lóbulo lateral mejores que −20 dBc. Para lograr este objetivo, uno de los parámetros clave es el tamaño de la metasuperficie. En general, aumentar el tamaño de los elementos radiantes (metasuperficie aquí) da como resultado haces más estrechos, sin embargo, al mismo tiempo aumenta los niveles de los lóbulos laterales. Por lo tanto, hay una compensación aquí. Para lograr los objetivos antes mencionados para el patrón de campo lejano, optimizamos las dimensiones de la metasuperficie y logramos el tamaño de \(10.2\times 10.2 \, \upmu {\text{m}}^{2}\) o \(17 \times 17\) celdas unitarias para la metasuperficie diseñada. Usando (4), se calcula la fase deseada en este metal-lente y los resultados se muestran en la Fig. 2a.

(a) la fase deseada en la lente metálica cuando se excita la nanoantena de referencia, (b) las ubicaciones óptimas de las nanoantenas de alimentación en \(z=6.05 \, \upmu {\text{m}}\ ) avión.

Lograr una forma de haz uniforme con fluctuaciones mínimas de la intensidad de la radiación es uno de los desafíos más importantes al diseñar lentes metálicos para aplicaciones de dirección del haz. La razón detrás de este desafío es que, dado que las variaciones de fase y amplitud en la metasuperficie son diferentes para cada una de las antenas de alimentación49,50,51,52,53, elegir la celda unitaria óptima es una compensación entre las fases de reflexión deseadas de cada antena de alimentación. . Para resolver este problema, aquí proponemos un método de optimización novedoso basado en la selección de celdas de unidad de reducción ponderada. En este método, definimos una función de error basada en la relación cuadrática promedio de los patrones de radiación de las antenas de alimentación como:

donde \({N}_{feed}\) es el número de feeds, \({\varphi }_{deseed, i}\) y \({\varphi }_{unitcells}\) representan el deseado, y disponibles (respectivamente) cambios de fase en la metasuperficie, cuando se usa la \({i}\)ésima antena de alimentación. Además, \(E{f}_{i}\), \(E{f}_{r}\) indican las amplitudes del campo eléctrico (en la metasuperficie) para la \({i}\)ésima antena de alimentación y la antena de referencia, respectivamente. Usando (6), la fase deseada para cada celda unitaria, desde cualquier antena de alimentación, se optimiza para lograr el error ponderado mínimo total \({Error}_{UC}\) a la longitud de onda de 1550 nm. Por lo tanto, la selección de celdas unitarias de lentes metálicas en el método propuesto es un compromiso entre los patrones de radiación deseados.

Ahora que se determinaron las fases requeridas, debemos seleccionar una celda unitaria adecuada para proporcionar el cambio de fase adecuado. La celda unitaria propuesta se muestra en la Fig. 3a. Como se muestra en esta figura, consta de cuatro capas en las que las capas de silicio y dióxido de silicio están intercaladas entre dos capas de plata. La capa plateada en la parte inferior refleja la luz y evita que atraviese la estructura. La capa de plata superior formada por dos brazos similares y tres parámetros variables, proporciona diferentes fases reflectantes. Esta simetría de la celda unitaria hizo que mostrara un comportamiento similar para diferentes polarizaciones de la luz entrante. Este comportamiento se muestra en la Fig. 3b, donde se muestra la respuesta de la celda para las polarizaciones TM y TE de la luz entrante a la longitud de onda de 1550 nm. Debido al hecho de que una gran parte de las ondas de retorno se concentra dentro de las capas de silicio y dióxido de silicio, la pérdida de la celda unitaria se ha reducido drásticamente. Otro punto importante es el período repetitivo de la celda unitaria. De acuerdo con la teoría de las superficies periódicas y las ondas de Floquet54,55, para evitar los lóbulos enrejados, las dimensiones de la celda deben ser menores que:

(a) Vista en perspectiva de la celda unitaria propuesta. (b) Respuesta de campo eléctrico de la celda unitaria para los modos TM (izquierda) y TE (derecha) a la longitud de onda de 1550 nm. (c) Configuración de simulación de la estructura. La excitación de onda plana y las condiciones de contorno periódicas se utilizan para calcular las fases de reflexión de cada elemento de celda unitaria.

En la relación anterior, \(p\) es el período repetitivo de la celda unitaria, \({\theta }_{imax}\) es el máximo ángulo de incidencia respecto a la celda unitaria, y \({n}_{ d}\) es el índice de refracción del material circundante que aquí es dióxido de silicio, con (\({n}_{d}=1.45\)). Teniendo en cuenta que \({\uptheta }_{imax}\cong {50}^{\circ}\), el período se ha seleccionado como \(p=600 nm\) (\(0.39\lambda \) en la longitud de onda de 1550nm). Los otros parámetros de la celda unitaria se ilustran en la Tabla 1. Como se muestra en esta tabla, la celda unitaria propuesta tiene tres parámetros variables, Wc, Lc y Gc, que forman 204 tipos de celdas para lograr diferentes variaciones de fase en la lente metálica. . Debido a la complejidad de la estructura propuesta, se ha utilizado el software60 CST de onda completa para simular las ondas reflejadas de las celdas unitarias. En esta simulación, la celda unitaria se coloca en un entorno de SiO2 y se aplican las condiciones de contorno periódicas (PBC) alrededor de la celda. La Figura 3c muestra la configuración de simulación utilizada para la caracterización celular.

Las Figuras 4a yb muestran la amplitud y la fase reflejadas de la celda unitaria frente a la longitud de onda y para diferentes valores de Lc. Como se muestra en esta figura, al alternar Lc, se puede cubrir un rango de cambio de fase de \({0}^{\circ}\) a \({320}^{\circ}\) a la longitud de onda de 1550 nm. Además, según los resultados de esta figura, la amplitud de reflexión es superior a 0,7. Las figuras 4c y d comparan la fase de reflexión y la amplitud con otros parámetros a la longitud de onda de 1550 nm. Como se muestra en esta figura, el ajuste de Gc y Wc proporciona diferentes gradientes de fase y se puede utilizar para realizar cualquier variación de fase en las celdas unitarias mat-lente. Además, el hecho de que todas las celdas unitarias puedan soportar la amplitud de reflexión de 0,7 o superior, hace posible lograr una alta eficiencia de la metalensilla diseñada.

(a) Fase y (b) Relación de amplitud de la onda reflejada en función de la longitud de onda y Lc. Reflexión (c) amplitud y (d) fase frente a parámetros geométricos a la longitud de onda de 1550 nm. La unidad utilizada para todos los parámetros geométricos es nm.

Finalmente, usando la Ec. (6), y los resultados que se muestran en la Fig. 4, las celdas unitarias de metasuperficie se seleccionan para lograr un escaneo de haz uniforme. La lente metálica propuesta se muestra en la Fig. 5. La amplitud y la fase de reflexión realizadas de la lente metálica diseñada se muestran en la Fig. 6a y b, respectivamente. Según esta figura, la metasuperficie diseñada refleja más del 80% de las ondas incidentes, proporcionando una alta eficiencia para todo el sistema de antena. En las Fig. 6c y d, la fase realizada en la lente metálica se compara con las fases deseadas en ella para cada ángulo de radiación. De acuerdo con estas figuras, los errores de fase aumentan en los bordes de la metasuperficie, sin embargo, esto solo puede afectar los niveles de los lóbulos laterales en el patrón de radiación.

Vista frontal de la lente metálica diseñada.

Reflexión realizada (a) fase, (b) amplitud, (b) de la lente metálica diseñada. La fase realizada (mostrada con puntos) se compara con la fase deseada requerida para cada antena de alimentación (c) en los planos x = 0 y (d) en los planos y = 0.

En la Fig. 7a se muestra una vista en perspectiva de la nanoantena de alimentación. La nanoantena propuesta está diseñada en base a estructuras plasmónicas híbridas, en las que una capa de bajo índice de refracción (dióxido de silicio, aquí) se intercala entre un metal (plata, aquí) y un dieléctrico de alto índice de refracción (silicio, aquí)5,6 ,7,8. La figura 7b ilustra el modo excitado dentro de la guía de ondas que alimenta la nanoantena diseñada. Como se muestra en esta figura, la luz está confinada dentro de la delgada capa de SiO2 como se esperaba para las estructuras plasmónicas híbridas5,6,7,8. Las nanoantenas de alimentación están diseñadas en base al modelo desarrollado en5 para antenas alimentadas por guías de ondas plasmónicas. Como se demostró en5, en la guía de ondas plasmónica híbrida que alimenta la nanoantena, la componente tangencial del campo eléctrico a lo largo de la dirección de propagación es mucho más pequeña que su componente normal y, por lo tanto, el modo TM excitado en la guía de ondas se puede aproximar con un modo TEM. . Esto hace posible utilizar la teoría de la línea de transmisión para modelar y diseñar con precisión la estructura5. Para la mejor coincidencia, se considera que el ancho de la línea plasmónica híbrida es el mismo que el interruptor de grafeno e igual a \({w}_{l}=100 \, {\text{nm}}\), y que tiene un alto confinamiento dentro de la capa delgada de SiO2, el espesor de esta capa, \({t}_{Si{o}_{2}}^{F}\) se elige para que sea igual a 20 nm. Para la longitud, \({L}_{p}\), y el ancho, \({w}_{p}\), del parche híbrido plasmónico, hemos utilizado el modelo de línea de transmisión desarrollado en5, para obtener valores iniciales para el diseño y luego ajustó ligeramente estos parámetros para lograr el patrón deseado para la antena. Finalmente, el tamaño de la parte insertada, \({L}_{g}\) y \({W}_{g}\) se seleccionan con base en la técnica explicada en25. La parte insertada se utiliza para proporcionar una mejor coincidencia de impedancia entre la nanoantena y la guía de ondas plasmónica híbrida de alimentación.

(a) Vista en perspectiva de la nanoantena de alimentación diseñada con dimensiones de \({{t}^{F}}_{Ag}=100 {\text{nm}}, \, {{t}^{F} }_{{SiO}_{2}}=20 {\text{nm}}, \, {{t}^{F}}_{Si}=150 {\text{nm}}\), \( W\_ant=2000 \, {\text{nm}},\) \({W}_{p}=1150 \, {\text{nm}}, {L}_{p}=640 \, { \text{nm}}, { W}_{g}=10 \, {\text{nm}}, {L}_{g}=160 \, {\text{nm}}\) (b) Dominante Modo TM de la nanoantena de alimentación en el que la luz está muy confinada dentro de la fina capa de SiO2. ( c ) Parámetros de dispersión de las nanoantenas de alimentación. La pérdida de retorno de la Antena #1 (S11) junto con el acoplamiento entre las nano-antenas se muestran en esta figura. ( d ) Patrón de radiación 3D lejano de la nanoantena de alimentación a la longitud de onda de 1550 nm.

Luego, las nanoantenas diseñadas se colocan en ubicaciones óptimas calculadas por la ecuación. (5). Los parámetros de dispersión (parámetros S) de las nanoantenas de alimentación frente a la longitud de onda se muestran en la Fig. 7c. En esta figura, se muestran la pérdida de retorno de la nanoantena n.º 1 de alimentación (ver Fig. 1a) junto con el acoplamiento mutuo entre las nanoantenas. Como se muestra en esta figura, la pérdida de retorno ilustrada es inferior a −9 dB, lo que muestra una buena adaptación de impedancia para la antena diseñada. Además, los resultados de esta figura muestran que existe un bajo acoplamiento mutuo entre las antenas diseñadas (menos de -12 dB). En la Fig. 7d, se muestra el patrón de radiación de la nanoantena diseñada. De acuerdo con este resultado, la nan-antena de alimentación propuesta tiene una alta directividad de 10,2 dB y una desviación de ángulo de \({38}^{\circ}\) (respecto al eje z). Esta es la razón detrás de colocar las antenas de alimentación en un ángulo de \({38}^{\circ}\) con respecto a la lente metálica.

En el método propuesto, la rotación del haz se obtiene eligiendo entre nanoantenas de alimentación. Por lo tanto, se requiere un divisor de potencia controlable para seleccionar entre antenas. La figura 8a muestra la estructura del interruptor basado en grafeno diseñado. Como se muestra en esta figura, el interruptor también está diseñado en base a una estructura plasmónica híbrida, en la que una capa de dióxido de silicio con un espesor de 20 nm se intercala entre dos capas de plata y silicio con espesores de 100 nm y 150 nm, respectivamente. Además, se ha seleccionado el ancho de línea de 800 nm para la guía de ondas de alimentación.

(a) Vista en perspectiva del divisor de potencia conmutable diseñado, (b) Vista en perspectiva del circuito de polarización utilizado para aplicar el voltaje deseable a las láminas de grafeno, (c) Intensidad del campo eléctrico en el divisor de potencia a la longitud de onda de 1550 nm, cuando (c ) todas las ramas están encendidas (d) solo una rama está encendida y las demás están apagadas.

Debido a la distribución no uniforme del campo a lo ancho de la guía de ondas de alimentación, se han utilizado anchos de línea asimétricos para dividir los campos en las ramas, por igual. La distancia entre las ramas divisorias también se elige de acuerdo con la ubicación de las nanoantenas de alimentación. La hoja de grafeno está ubicada en el medio de la capa de SiO2 y está conectada al voltaje de polarización a través del circuito que se muestra en la Fig. 8b. Los estímulos de voltaje permiten la variación del potencial químico de las láminas de grafeno, lo que resulta en la modulación de la conductividad del grafeno25. La máxima pérdida a la longitud de onda de 1550 nm, (estado OFF del interruptor) se puede obtener cuando el potencial químico del grafeno es igual a 0,51 eV, y la mínima pérdida (estado ON del interruptor) se puede obtener para un potencial químico de 0 eV en la lámina de grafeno25.

Los campos eléctricos calculados numéricamente en el divisor de potencia propuesto se muestran en las Fig. 8c y d. La figura 8c muestra los resultados cuando todas las ramas de salida están encendidas, mientras que la figura 8d muestra los resultados cuando solo una rama está encendida y las demás están apagadas.

En esta sección, investigamos el rendimiento del dispositivo propuesto mediante el análisis numérico de toda la estructura. La simulación numérica se realiza utilizando el software completo CST60. En esta simulación, el patrón de radiación de campo lejano de la metasuperficie reflectante se calcula resolviendo ecuaciones integrales usando el Método del Momento, y para la excitación se usa el patrón de radiación de las nanoantenas (calculado usando el Método de Elementos Finitos y mostrado en la Fig. 7d). Los resultados de esta simulación se muestran en las Figs. 9 y 10. La figura 9 muestra el patrón de radiación en el plano u–v, cuando se excitan diferentes nanoantenas. Un plano u–v es un plano geométrico para mostrar el patrón 3D en la figura circular 2D. En el plano u–v, los ejes se definen como \(u=\mathrm{sin\theta }cos\varphi , v= \mathrm{sin\theta sin\varphi }\). Como se muestra en esta figura, la dirección del haz se realiza cambiando entre antenas de alimentación. Además, los resultados de esta figura muestran que se logra una Directividad de 15 dBi para el dispositivo. Para mayor aclaración sobre el patrón resultante, la Fig. 10a muestra el patrón de radiación en formato 2D (para un \(\theta \) fijo y diferentes valores de \(\varphi \)) que ilustra la dirección del haz más claramente. Además, los resultados de esta figura muestran que hay una variación baja (menos de 1 dB) en la Directividad lograda para todas las direcciones de haz diferentes, lo que es una ventaja importante de este trabajo en comparación con trabajos informados anteriormente sobre dirección de haz óptico49,50, 51,52,53,54,55. Esta figura también muestra que se logra un nivel de lóbulo lateral de menos de 15 dB para todos los diferentes ángulos de haz, lo cual es otra ventaja de la estructura propuesta.

El patrón de radiación del dispositivo en el plano u–v, cuando se seleccionan diferentes nanoantenas de alimentación. La dirección del haz se muestra claramente en esta figura.

(a) Patrón de radiación 2D del dispositivo en \({\theta }_{o}={38}^{\circ}\), para diferentes antenas de alimentación. ( b ) Precisión de radiación realizada lograda cuando se eligen diferentes nanoantenas de alimentación. Ambas figuras muestran los resultados a la longitud de onda de operación de 1550 nm.

Precisión del método propuesto para lograr los ángulos de radiación deseados (\({\theta }_{o}={38}^{\circ}, \, {\varphi }_{o}=[14{0}^{\ círculo},\, 16{0}^{\circ},\,18{0}^{\circ}, \, 20{0}^{\circ}, \, 22{0}^{\circ} ]\)) se muestra en la Fig. 10b. Esta figura muestra la diferencia entre la dirección deseada y la dirección alcanzada. Como se muestra en esta figura, la diferencia para \({\theta }_{o}, {\varphi }_{o}\) es menor que \({1}^{\circ}\), lo que ilustra una muy buena precisión para el dispositivo propuesto. En la Fig. 11 se muestra un procedimiento de fabricación sugerido para el dispositivo propuesto. Como se muestra en esta figura, el procedimiento de fabricación consta de 3 pasos para fabricar la metasuperficie, las nanoantenas y el divisor de potencia conmutable y, finalmente, el circuito de polarización. Como se ilustra en esta figura, el dispositivo propuesto se puede fabricar utilizando técnicas estándar de nanofabricación.

El procedimiento de fabricación sugerido para la estructura propuesta. (a–d) que ilustran el proceso de fabricación de la metasuperficie propuesta: (a) Las capas de la metasuperficie (Ag, SiO2, Si y nuevamente Ag) se depositan sobre el sustrato (b) La capa superior de Ag se modela para proporcionar celdas unitarias de la metasuperficie utilizando litografía por haz de electrones (EBL) y grabado con plasma (c) La capa de SiO2 se deposita para llenar entre las celdas unitarias. (d) Resolver la resistencia en un solvente y eliminar el exceso de materiales. (e-n) que ilustra el proceso de fabricación de las nanoantenas, el interruptor y el divisor propuestos: (e) La capa de SiO2 se deposita en la metasuperficie fabricada. (f) Se aplica el procedimiento de grabado con plasma y EBL para preparar la estructura para la forma deseada de nanoantena, divisor e interruptor. (g) Se depositan la capa de Silicio de 150 nm y una capa de SiO2 de 10 nm. (h) Resolver la resistencia en un solvente y eliminar el exceso de Si y SiO2. (i) El grafeno con la capa de catalizador se transfiere a la capa de SiO2. (j) El rayo láser crea patrones en la capa de catalizador y permite modelar la capa de grafeno. (k) Se depositan las capas de SiO2 de 10 nm y de Ag de 100 nm. (l) Se aplican procedimientos de grabado con plasma y EBL para modelar los materiales de Ag y SiO2 con el fin de crear nanoantenas, divisores y conmutadores. (m) Se depositan las capas de platino y oro. (n) El procedimiento de grabado con plasma y EBL se aplica para modelar las capas de Au y Pt y para crear el circuito de polarización del divisor de potencia conmutable.

Con el fin de ilustrar la capacidad del método propuesto para extenderse a fin de lograr un haz más angosto y una resolución más alta en el direccionamiento del haz, aquí presentamos los resultados para un dispositivo con 23 nanoantenas de alimentación, cuyas ubicaciones se optimizan usando ( 5). Para este diseño, las dimensiones de la metasuperficie se consideran \(39\times 39 \mu {m}^{2}\), y las celdas unitarias óptimas se seleccionan para lograr un error de fase mínimo calculado usando (6). Los patrones de radiación resultantes, calculados usando el método de transformada de Fourier56, se muestran en la Fig. 12a. Como se muestra en esta figura, la dirección del haz se logra para ángulos en el rango de \(-{45}^{\circ}:{45}^{\circ}\), con 23 pasos. Además, estos resultados muestran que se logra un ancho de haz de media potencia de \({5}^{\circ}\) en la versión extendida del dispositivo. La figura 12b muestra la precisión del patrón de radiación que ilustra una alta precisión para el método propuesto.

(a) Patrón de radiación 2D de la versión extendida del dispositivo con 23 nanoantenas de alimentación (b) Precisión de radiación realizada lograda para la versión extendida del dispositivo cuando se eligen diferentes nanoantenas de alimentación.

Se propuso e investigó un nuevo dispositivo de dirección de haz óptico integrado. El dispositivo propuesto consta de una lente metálica iluminada por cinco nanoantenas de alimentación conmutables, todas integradas dentro de un medio de SiO2. Para lograr una alta precisión en la dirección de los haces radiados, bajos niveles de lóbulo lateral (SLL) y bajas fluctuaciones en la intensidad de la radiación, se desarrollaron y utilizaron algoritmos analíticos para optimizar la ubicación de las nanoantenas de alimentación y también las celdas unitarias que construyen el lente de metal. Los resultados de la simulación numérica de onda completa mostraron que el dispositivo tiene una directividad superior a 15 dBi para los cinco ángulos de radiación en un campo de visión de 100 grados, una precisión del ángulo de radiación superior a un grado y una SLL superior a 15 dB. También se diseñó y analizó una versión extendida del dispositivo propuesto con 23 nanoantenas de alimentación. Los resultados de la versión extendida del dispositivo también mostraron una alta precisión y bajas fluctuaciones en la intensidad de la radiación, lo que ilustra la capacidad de la metodología de diseño para usarse en dispositivos extendidos. El dispositivo propuesto se puede utilizar en muchas aplicaciones ópticas, desde sistemas de comunicación óptica de enfoque múltiple hasta sistemas LIDAR altamente integrados.

Para analizar el desempeño de toda la estructura, se realizó una simulación numérica de onda completa en 3D utilizando el software CST60 y se utilizó la configuración de simulación unidireccional. En esta simulación, la estructura propuesta se colocó en el fondo de SiO2 y las condiciones de contorno se definieron como espacio abierto (modelado de la condición de radiación). La simulación se realizó en dos pasos. En el primer paso, las nanoantenas y el divisor de potencia conmutable basado en grafeno se excitaron mediante un puerto de guía de ondas y la estructura se analizó mediante el método de elementos finitos. En el paso dos, la lente metálica se iluminó con el patrón de radiación de campo eléctrico obtenido a partir de los resultados del paso uno. En esta parte se extrajo el patrón de radiación total del dispositivo utilizando el método de momentos.

El conjunto de datos utilizado y/o analizado durante el estudio actual está disponible del autor correspondiente a pedido razonable.

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Vahid Ghaffari y Leila Yousefi

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VG realizó cálculos y simulaciones, así como el análisis. LY guió la investigación. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Leila Yousefi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ghaffari, V., Yousefi, L. Dispositivo de dirección de haz óptico integrado que utiliza nanoantenas conmutables y metalens reflectantes. Informe científico 13, 7099 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33939-w

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Recibido: 18 enero 2023

Aceptado: 21 de abril de 2023

Publicado: 02 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33939-w

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