Наноантенны для сверхбыстрых беспроводных соединений
Шаг за шагом ученые приближают использование технологий плазмоники в коммерческих целях. Впервые найден недорогой способ сверхбыстрой передачи данных в оптических наночипах без потерь и проводов.
На шаг ближе к наноботам
Ученые из Центра нанофотонных технологий (Nanophotonic Technology Centre, NTC) при Политехническом университете Валенсии (Polytechnic University of Valencia, UPV), Испания, объявили об успешной разработке сверхкомпактных кремниевых антенн размером с несколько нанометров. Сверхминиатюрные антенны будут востребованы в реконфигурируемых фотонных наночипах нового поколения для связи и передачи данных, полагают разработчики.
Возможность создания фотонных наночипов открывает двери для создания на практике биосенсоров наномасштаба – хорошо известных в произведениях научной фантастике как «нанороботы» или «наноботы».
Исследователи из Центра нанофотонных технологий UPV
Источник: RUVID (Red de Universidades Valencianas)
«Впервые в рамках лабораторного эксперимента нам на практике удалось создать беспроводную диэлектрическо-плазмонную коммуникацию с применением диэлектрической наноантенны нового типа, способной преодолеть ограничения плазмоники, открывающей двери для новых гибридных конфигураций. Полученные нами результаты имеют непосредственное отношение к разработке внутричиповых реконфигурируемых сетей связи, сверхбыстрых оптических устройств и к практической реализации ультракомпактных биосенсоров. Благодаря использованию плазмонных структур, это также открывает перспективы в области создания интерфейсов для будущих квантовых систем», – заявил Хавьер Марти (Javier Martí), руководитель Центра нанофотонных технологий при Политехническом университете Валенсии.
Беспроводной интерфейс наноуровня
Как следует из статьи «Цельнокремниевые оптические наноантенны на кристалле как эффективные интерфейсы для плазменных устройств» (All-Silicon On-Chip Optical Nanoantennas as Efficient Interfaces for Plasmonic Devices), опубликованной учеными из Политехнического университета Валенсии в научном издании ACS Photonics, разработанные ими наноантенны для беспроводных наноустройств сочетают технологические преимущества плазмоники со всеми плюсами использования диэлектриков.
Плазмоника – это раздел фотоники (нанофотоники), изучающий уникальные оптические возможности наночастиц металлов, полупроводников и других наноструктур. Этот раздел физики построен на изучении свойств квазичастицы под названием «плазмон» – кванта плазменных колебаний.
По аналогии со светом – оптическим колебанием, состоящим из фотонов, колебания плазмы состоят из плазмонов – коллективных колебаний свободного электронного газа. Электромагнитное излучение с частотой ниже плазменной частоты материала отражается от него, при частоте выше плазменной электромагнитное излучение может проникать в толщу металла или полупроводника, проходить сквозь него или даже поглощаться.
Современный научный мир возлагает большие надежды на плазмонику. Ожидается, что применение технологий взаимодействия света с наночастицами различных материалов и миниатюризация оптических межсоединений на наноуровне позволят создавать сверхкомпактные оптические чипы с совершенно новыми свойствами.
Однако на сегодняшнем этапе развития технологий плазмоники существует серьезная проблема с эффективной передачей световых потоков в плазмонные устройства или из них. Используемые для этих целей плазмонные проводники вносят слишком большие потери и этим перечеркивают возможность использования таких систем на практике. «Естественным способом соединения компонентов в оптическом чипе является использование металлических нанопроводников. Однако направление света через эти устройства приводит к очень высоким потерям и влечет определенные ограничения в отношении реконфигурируемости», – сказал Карлос Гарсия Мека (Carlos García Meca), один из соавторов исследования.
Плазмонные наноантенны устраняют эту проблему: они обеспечивают существенное снижение потерь при большей гибкости и возможности реконфигурации на кристалле чипа. Тем не менее, в классическом исполнении такие антенны все еще недостаточно эффективны для межсоединений большого радиуса действия по причине низкой направленности излучения. «Использование плазмонных наноантенн улучшает характеристики управляемых металлических соединений, но эти антенны имеют низкую направленность и вносят большие потери, что затрудняет их использование на практике. В своем исследовании мы преодолели все эти ограничения, разработав новую конструкцию диэлектрической наноантенны, которая действует как эффективный интерфейс для плазмонных систем. Это позволяет сочетать преимущества плазмоники с преимуществами кремниевой фотоники, и может привести к созданию более эффективных, быстрых и реконфигурируемых чипов», – отметил Гарсия Мека.
Практическая реализация
Разработанный учеными из UPV новый класс кремниевых наноантенн на основе щелевых волноводов лишен недостатков традиционных плазмонных антенн. К тому же они могут подключаться напрямую – непосредственно к плазмонным компонентам.
В процессе изучения влияния формы выходной грани щелевого волновода на направленность антенны, ученые отказались от традиционной V-образной конструкции излучателя. Эвристическим путем ученым удалось определить, что C-образная форма излучателей антенны (длина каждого – 0,5 мкм) является оптимальной, при этом лучше значение направленности достигается при угле изгиба каждого излучателя на 20°.
Схематическое изображение плазмонно-кремниевой наноантенны
Источник: RUVID (Red de Universidades Valencianas)
Кроме того, ученые также изучили влияние размещения различных кремниевых щелевых плоских элементов перед С-антенной, которые имитировали свойства стандартных директоров из классической теории антенн.
Классическая антенна такого типа, например телевизионная, которая установлена во многих домах, состоит из активного вибратора, отражающего рефлектора и направляющего директора (или нескольких). Все вместе они создают узконаправленную диаграмму и повышают коэффициент усиления антенны.
В финальном варианте ученые остановились на оптимальной конфигурации с C-излучателем и четырьмя директорами длиной 3 мкм и шириной 0,18 мкм каждый, с расстоянием между ними в 0,34 мкм, и отступающими от активного элемента на 0,5 мкм. Такая конфигурация обеспечила максимальное значение направленности, однако ученые также рассчитали ряд дополнительных компоновок элементов наноантенны для случаев, когда необходим более широкий лепесток направленности.
Электронное поле в кремний-золото-кремниевом (Si-Au-Si) переходе (свет вводится слева)
Источник: RUVID (Red de Universidades Valencianas)
Полученная учеными технология беспроводной внутричиповой связи значительно превосходит предыдущие плазмонные разработки с точки зрения эффективности передачи и усиления. В рамках лабораторных тестов ученые также экспериментально продемонстрировали работу внутричипового плазмонно-диэлектрического межсоединения на расстоянии до 100 мкм.
Перспективы использования технологии
Интегрированные в чип беспроводные плазмонные коммуникации, по мнению разработчиков, позволят создавать ультракомпактные и недорогие компоненты – модуляторы, детекторы или источники сигнала, которые смогут обеспечить очень высокую скорость обмена данными при низком энергопотреблении.
Кроме того, технология также открывает новые возможности в области оптических измерений и открывает доступ к разработке сверхбыстрых беспроводных внутрипроцессорных межсоединений – гибких и реконфигурируемых.
В будущем, по мнению ученых из UPV, разработанные ими наноантенны пригодятся при проектировании новых систем и сетей связи на основе технологий квантовой оптики, а также обеспечат возможность создания нового поколения ультраинтегрированных гибридных сетей.
Гибридные наносистемы с многоцелевыми нанодатчиками и наноантеннами, которые используют технологии взаимодействия света с органическими и неорганическими наноструктурами, также могут найти применение в таких перспективных областях, как биохимическая или агропищевая промышленность.
