Исследователи из США создали первый крупный массив оптических наноантенн на кремниевом чипе. Созданная структура может генерировать предопределенные шаблоны электромагнитных волн, которые могут быть полезны в самых разнообразных практических применениях, от трехмерных голографических дисплеев, до передовых медицинских систем отображения состояния биологических тканей.

Одна единственная антенна подобна одному уху, глазу или динамику акустической системы. Но всем известно, что если объединить два или более из перечисленных элементов, то можно получить значительно лучший результат, чем с одним элементом. Все вышесказанное полностью применительно и к антеннам, передавая один и тот же сигнал с двух или большего количества идентичных антенн, работающих со сдвигом фазы относительно друг друга, можно получить возможность управления формой и направлением распространения конечного сигнала. И эта идея уже достаточно давно используется для создания антенных фазовых решеток, которые нашли широкое распространение в областях коммуникаций, в радарах и радиоастрономии.

До последнего времени антенные фазовые решетки использовались для излучения и приема радиочастот. Но современные технологии нанопроизводства уже позволяют исследователям создавать фазовые решетки и для оптического диапазона электромагнитного спектра, другими словами, для видимого света. Джи Сунн и его коллеги из Массачусетского технологического института создали антенную фазовую решетку, состоящую из 4096 крошечных антенн, изготовленных на поверхности кремниевого чипа. Конструкция представляет собой массив, содержащий 64 на 64 антенных блока, каждый из которых имеет размеры около 9 на 9 мкм.

Такая решетка позволила им управлять соответствующим образом формой излучаемого потока света и, комбинируя свет от каждой антенны, они составили изображение эмблемы Массачусетского технологического института.

Пока это все еще не выглядит достаточно впечатляющим, но такого уровня управления излучаемым светом невозможно добиться даже с помощью совершенных светодиодных и лазерных технологий, что позволит в будущем использовать результаты данных исследований для создания голографических изображений, в биомедицинских исследованиях и оптических коммуникациях.

Рис. 1.

В основу создания оптической антенной фазовой решетки легли результаты более ранних исследований, проведенных учеными. В своих предварительных исследованиях ученые разработали технологию изготовления нанофотонных фазовых решеток (nanophotonic phased arrays, NPAs) на плоской поверхности кремниевого чипа.

Сейчас исследователям удалось создать решетку, матрицу 64 на 64 элемента, состоящую из идентичных крошечных квадратных антенн, размерами 9 микрон (0.009 мм). Все антенны этой решетки изготовлены из кремния и соединены между собой кремниевыми проводниками. Но эти проводники не являются проводниками электрического тока, они являются своего рода волноводами, микроскопическими каналами, по которым к антеннам подается свет от внешнего источника, лазера.

Для изготовления элементов антенн и волноводов исследователи использовали такую же технологию, которая применяется для изготовления полупроводниковых чипов CMOS, которые используются повсеместно в любой электронике.

Каждая из наноантенн решетки может испускать свет не только определенной длины волны, а волны света в диапазоне, шириной несколько нанометров, что позволяет с помощью фазовой решетки синтезировать многоцветные изображения.

Источником света для всей решетки являлся один единственный лазер, луч которого был введен в чип с помощью оптоволоконного кабеля. Изменяя фазу колебаний волн света лазера и их частоту, исследователи смогли управлять уровнем излучения света буквально каждой антенны и создали изображение, зарегистрированное специальным фоточувствительным датчиком.

Все 4096 наноантенн фазовой решетки расположены на поверхности кремниевого чипа, занимая квадратную площадь с длиной ребра всего 0.8 миллиметра. Используя способности нанофотонной фазовой решетки, исследователи создали несколько изображений, демонстрирующих возможности технологии.

Естественно, эти изображения так же были квадратными, размером 0.8 мм, но уровень их детализации совершенно недостижим для любых других современных технологий. Вполне вероятно, что в недалеком будущем подобные нанофотонные фазовые решетки, только содержащие огромное количество излучающих антенн, смогут стать основой голографических дисплеев, коммуникационного оборудования и других устройств, о возможности создания которых мы сейчас даже еще и не подозреваем.