Dispositif de direction de faisceau optique intégré utilisant des nanoantennes commutables et un métal réfléchissant

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7099 (2023) Citer cet article

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Dans cet article, un dispositif optique intégré est proposé dans lequel une méta-lentille réfléchissante et cinq nano-antennes commutables sont combinées pour fournir une direction de faisceau optique à la longueur d'onde de télécommunication standard de 1550 nm. À cette fin, un diviseur de puissance commutable à base de graphène est conçu et intégré à des nano-antennes pour contrôler le flux de lumière entrant dans l'appareil. Pour obtenir une précision angulaire plus élevée dans les faisceaux rayonnés, un nouvel algorithme est proposé et utilisé pour optimiser l'emplacement des nano-antennes d'alimentation conformément à la méta-lentille réfléchissante. Afin d'obtenir une fluctuation minimale de l'intensité lumineuse lorsque les faisceaux sont mis en rotation dans l'espace, un algorithme est développé pour sélectionner des cellules unitaires optimales pour la méta-lentille technique. L'ensemble du dispositif est analysé numériquement à l'aide de simulations électromagnétiques pleine onde illustrant une direction de faisceau optique avec une grande précision (meilleure que 1 degré) dans la direction du faisceau, et une faible variation (moins de 1 dB) dans l'intensité lumineuse rayonnée. Le dispositif intégré proposé peut être utilisé pour de nombreuses applications telles que les interconnexions optiques inter et intra-puce, les systèmes de communication sans fil optique et les LIDAR intégrés avancés.

Les nano-antennes optiques sont des dispositifs conçus pour contrôler le profil lumineux dans des dimensions micro et nanométriques1,2,3,4. Leur capacité à contrôler la lumière peut être utilisée dans de nombreuses applications différentes, notamment les systèmes de communication optique sans fil5,6,7,8, les biocapteurs plasmoniques9, les instruments d'imagerie sous-longueur d'onde10,11,12, ainsi que le piégeage de la lumière dans les cellules solaires13,14. Le contrôle dynamique du diagramme de rayonnement des nano-antennes, appelé capacité de direction du faisceau, peut offrir plus de flexibilité dans les applications mentionnées ci-dessus, en particulier lors de leur utilisation pour l'authentification15, la communication optique6, l'holographie16, l'imagerie17 et les LIDAR 18,19.

Pour réaliser la direction de faisceau optique, différentes méthodes, y compris les antennes à réseau de phase20,21,22,23, les antennes à fuite27,28,29,30,31,32 et les métasurfaces avec des cellules unitaires accordables33,34,35,36,37,38 ont été proposé jusqu'à présent. Cependant, toutes les techniques développées précédemment ont leurs propres limites et inconvénients qui font du développement de nouvelles techniques et méthodes pour réaliser la direction de faisceau optique un flux de recherche en cours.

Les antennes réseau à commande de phase, qui sont largement utilisées en régime hyperfréquence pour fournir un balayage de faisceau, consistent en un ensemble de nano-antennes optiques identiques dans lesquelles le faisceau est contrôlé par des déphaseurs réglables connectés à chaque élément d'antenne. Une largeur de faisceau étroite, un balayage à faisceau large et une haute résolution sont les avantages des antennes réseau optique à commande de phase. Cependant, certaines limitations et inconvénients tels que les déphaseurs réglables lents20, les grandes dimensions20,21,22,23 et le niveau élevé de lobes gênants22,23 limitent leurs applications. Les structures intégrées, équipées d'une lentille de Luneburg24 ou Rotman25, ne nécessitent pas de déphaseurs et permettent d'orienter le faisceau sur une large plage de balayage. Cependant, ils souffrent de pertes élevées et d'une complexité de fabrication24,25,26.

Dans une autre approche, des structures d'onde à fuite sont utilisées pour réduire les dimensions et éliminer le besoin de déphaseurs. Ces structures peuvent être classées en groupes à une ou plusieurs tonalités. Dans les antennes à ondes de fuite multi-tons, la rotation du faisceau est obtenue en modifiant la longueur d'onde du rayonnement, ce qui nécessite l'accès à des lasers coûteux et à large bande passante27,28,29,30. Les structures à ton unique, cependant, fonctionnent sur la base de la variation de l'indice de réfraction sur une seule longueur d'onde. Dans cette méthode, l'indice de réfraction est principalement modifié thermiquement, ce qui en fait une technique à faible vitesse31,32. De plus, un petit champ de vision (FOV) et une perte élevée peuvent être considérés comme d'autres inconvénients des antennes à onde de fuite27,28,29,30,31,32.

Une autre façon d'orienter les faisceaux rayonnés consiste à utiliser des métasurfaces accordables33,34,35,36,37,38. Les métasurfaces sont une version bidimensionnelle des métamatériaux consistant en un ensemble de nano-antennes fournissant chacune une amplitude et une phase réfléchies spécifiques. Des matériaux accordables tels que le dioxyde de vanadium (VO2)33,34, l'oxyde d'indium et d'étain (ITO)35,36 et les matériaux à changement de phase (PCM)37,38 peuvent être utilisés dans la construction de métasurfaces, ce qui rend leur réponse contrôlable dynamiquement. Les métasurfaces accordables lorsqu'elles sont utilisées pour la direction du faisceau fournissent un faisceau de rayonnement étroit, un champ de vision large et une direction à vitesse relativement élevée. Cependant, étant donné que chaque cellule unitaire utilisée dans la construction de métasurfaces doit être réglée individuellement, cela augmente la complexité et le coût de ces structures33,34,35,36,37,38. Pour surmonter ce problème, des structures à base de lentilles ont été introduites pour fonctionner en régime micro-ondes57,58,59 et optique49,50,51,52,53,54,55.

Afin de relever les défis mentionnés ci-dessus, dans cet article, un dispositif intégré est proposé dans lequel un réseau de nano-antennes, un diviseur de puissance commutable à base de graphène et une métasurface réfléchissante sont combinés pour fournir une direction de faisceau optique. Tous les éléments sont intégrés à l'intérieur d'un milieu de dioxyde de silicium, ce qui en fait un appareil compact ayant des dimensions de \ (10,2 \ fois 16,3 \ fois 6,5 \, \ upmu {\ text {m}} ^ {3} \). La structure est conçue de manière à pouvoir être fabriquée avec des techniques nanotechnologiques standard. La direction du faisceau est assurée par la commutation entre les nano-antennes d'alimentation réalisées par un diviseur de puissance commutable à base de graphène conçu et optimisé fonctionnant sur la base de tensions appliquées qui contrôlent le potentiel chimique des feuilles de graphène. Etant donné que la direction du faisceau est réalisée électroniquement, le dispositif a une vitesse plus élevée en comparaison avec les conceptions et les procédés qui contrôlent le faisceau de rayonnement mécaniquement ou thermiquement. Étant donné que la métasurface utilisée dans cette conception n'est pas réglable, pour éviter la complexité de la fabrication et du contrôle, l'une des parties les plus difficiles consistait à concevoir des cellules unitaires qui fournissent simultanément différentes phases appropriées pour différentes nano-antennes d'alimentation. Pour relever ce défi, une nouvelle méthode est proposée qui utilise la technique d'holographie pour calculer les phases requises, puis en définissant une fonction d'erreur de phase appropriée, sélectionne les emplacements optimaux pour alimenter les nano-antennes qui minimisent la fonction définie. L'ensemble de la structure est analysé numériquement et ses performances sont étudiées à l'aide de simulations électromagnétiques pleine onde. Les résultats de cette simulation montrent plusieurs avantages pour la structure conçue, par rapport aux travaux précédemment rapportés, notamment une grande précision pour les angles de rayonnement conçus, de faibles niveaux de lobe latéral et une faible variation de l'intensité de la puissance rayonnée lors de l'exécution du guidage du faisceau.

La structure du papier est la suivante. Dans un premier temps, la structure proposée est présentée et son principe de fonctionnement est expliqué. Dans cette partie de l'article, les composants construisant le dispositif, les nano-antennes, les cellules unitaires de métasurface et le commutateur à base de graphène, sont décrits individuellement et leurs performances sont étudiées numériquement une par une. En outre, l'algorithme utilisé pour calculer la phase requise à partir des cellules unitaires de métasurface et pour trouver les emplacements optimaux d'alimentation des nano-antennes afin de minimiser l'erreur de phase résultante, est expliqué. Ensuite, l'ensemble du dispositif d'orientation de faisceau proposé est analysé numériquement et ses résultats lorsqu'il est utilisé pour l'orientation de faisceau sont présentés et discutés. Dans cette partie, la capacité de la structure proposée à être étendue afin d'obtenir une résolution plus élevée et un faisceau plus étroit est également étudiée. Enfin, dans la dernière section, nous concluons l'article.

Le dispositif de direction de faisceau intégré proposé est illustré à la Fig. 1. Comme le montre cette figure, la structure conçue consiste en une lentille à base de métasurface intégrée à cinq nano-antennes connectées à un commutateur optique à base de graphène. L'ensemble de la structure a une dimension de \(10,2\times 16,3\times 6,5 \, \upmu {\text{m}}^{3}\) et est intégré à l'intérieur du dioxyde de silicium, agissant comme matériau de fond. Le dispositif est conçu de manière à pouvoir être fabriqué à l'aide de techniques de fabrication nanotechnologiques standard. La méta-lentille est constituée de \(17\fois 17\) cellules unitaires plasmoniques, construites à partir de couches de silicium et de SiO2 prises en sandwich entre deux couches d'argent.

(a) Vue en perspective (b) Vue latérale du dispositif de direction de faisceau proposé consistant en une méta-lentille réfléchissante, des nano-antennes d'alimentation et un diviseur de puissance commutable à base de graphène. Les échelles de dimensions ne sont pas en proportion. \({W}_{m}=9.6 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Agu}^{M}=20 \, {\text{nm}}, \, {t}_{Agd}^{M}=50 \, {\text{nm}}, \, {t}_{{SiO}_{2}}^{M}=100 \, {\text{ nm}}, \, {t}_{Si}^{M}=10 \, {\text{nm}},{W}_{f}=10.1 \, \upmu {\text{m}}, \, {Z}_{f}=6.05 \, \upmu {\text{m}}, \, {t}_{Ag}^{F}=100 \, {\text{nm}}, \, {{t}_{{SiO}_{2}}^{F}=20 \, {\text{nm}}, t}_{Si}^{F}=150 \, {\text{nm} }\).

Le faisceau rayonné qui sort du dispositif est principalement fourni par la lentille réfléchissante basée sur la métasurface. Cette méta-lentille façonne la lumière entrante éclairée par les nano-antennes, pour fournir le rayonnement dans la direction souhaitée. La lentille métallique est conçue de telle manière qu'elle fournit un rayonnement dans différentes directions lorsqu'elle est éclairée par différentes alimentations. Par conséquent, l'orientation du faisceau est assurée en sélectionnant parmi les nano-antennes rayonnées. Cette sélection est réalisée à l'aide d'un diviseur de puissance contrôlable à base de graphène (voir Fig. 1), en appliquant des tensions appropriées aux couches de graphène utilisées dans sa construction. Dans un premier temps, la lumière entrante pénètre dans le diviseur de puissance commutable à base de graphène, et selon les tensions réglables appliquées au commutateur, elle est guidée vers l'un des cinq ports de sortie alimentant la nano-antenne associée. La nano-antenne sélectionnée alimentée par l'interrupteur rayonnera la lumière normalement vers l'espace. La lumière rayonnée est projetée sur la méta-lentille placée devant les antennes, puis réfléchie par la lentille dans une direction spécifique. Dans ce qui suit, nous fournissons plus de détails sur chaque composant de la structure proposée.

Pour obtenir une direction de faisceau de haute précision, la méta-lentille et les emplacements des nano-antennes d'alimentation sont conçus à l'aide de la méthode d'holographie39,40,41,42,43,44,45,46,47,48. Dans la méthode d'holographie classique, l'onde incidente produite par une source et l'autre onde obtenue à partir de la diffusion d'un objet interfèrent sur l'hologramme, et leur motif d'interférence est enregistré sur un film photographique48. Ensuite, l'illumination du film avec l'onde de référence diffusera une copie de l'onde objet d'origine. La figure d'interférence sur l'hologramme contient un terme proportionnel à48 :

où \({\psi }_{i}\) est l'onde incidente, \({\psi }_{o}\) est l'onde objet et \(H\) est le motif d'hologramme souhaité. Lorsque l'hologramme enregistré est éclairé par l'onde incidente, l'onde diffusée de l'hologramme donne \(H\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right) .{\psi }_{i}\left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)={\psi }_{o}\left( {x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|{\psi }_{i}^{2}\left({x}^{^{\ prime}},{y}^{^{\prime}}\right)|\) qui est une copie de l'objet wave. Lors de l'utilisation de la technique d'holographie pour concevoir des méta-lentilles, le \({\psi }_{i}\) représente la lumière incidente sur la méta-lentille, le \(H\) représente la réponse de la méta-lentille qui est fournie par une conception appropriée des cellules unitaires, et (\({\psi}_{o}\)) représente le motif réfléchi souhaité.

Dans cette conception, l'onde incidente, \({\overline{\psi }}_{i}\), est déterminée par les nano-antennes d'alimentation. Par conséquent, par hypothèse de polarisation TM pour les ondes incidentes et diffusées, le \({\overline{\psi }}_{i}\), peut s'écrire :

où \({A}_{i}\), est l'amplitude de l'onde incidente sur la méta-lentille, \({k}_{0}\) est le nombre d'onde en espace libre, \({\overline{ R} }_{i}\) est un vecteur reliant le centre de la méta-lentille à l'emplacement de la nano-antenne et peut être écrit comme \({\overline{R} }_{i}={R}_{ i}\mathrm{sin}{\theta }_{i}cos{\varphi }_{i} \widehat{x}+ {R}_{i}\mathrm{sin}{\theta }_{i} sin{\varphi }_{i} \widehat{y}+ {R}_{i}\mathrm{cos}{\theta }_{i} \widehat{z}\), et \({\overline{ R} }^{^{\prime}}={x}^{^{\prime}}\widehat{x}+{y}^{^{\prime}}\widehat{y}\) est un vecteur reliant le centre de la méta-lentille à chaque cellule unitaire. Dans la relation ci-dessus, \({\theta }_{i}\), \({\varphi }_{i}\) sont respectivement l'élévation sphérique et l'angle d'azimut des ondes incidentes.

D'autre part, l'onde objet \({\bar{\psi }}_{o}\), qui est le modèle de sortie dans la direction souhaitée, peut s'écrire :

où \({A}_{o}\) est l'amplitude de l'onde de sortie et le vecteur de champ lointain \({\overline{R} }_{o}\) s'écrit \({\widehat{R} }_{o}=\mathrm{sin}{\theta }_{o}cos{\varphi }_{o} \widehat{x}+ \mathrm{sin}{\theta }_{o}sin{\ varphi }_{o} \widehat{y}+ cos{\theta }_{o} \widehat{z}\), dans lequel \({\theta }_{o}\), \({\varphi } _{o}\) déterminer la direction du faisceau rayonné. Enfin, en combinant (1) à (3), la phase souhaitée fournie par la méta-lentille est dérivée comme :

où \(\varphi \left({x}^{^{\prime}},{y}^{^{\prime}}\right)\) est la phase souhaitée sur la méta-lentille qui devrait être fournie par les cellules unitaires conçues. Comme éq. (4) illustre, la phase fournie par la métasurface est une fonction de \({R}_{i}\), l'emplacement de la nano-antenne, et aussi \({\theta }_{o}\), \( {\varphi }_{o}\), la direction du faisceau rayonné. D'autre part, dans notre conception, le balayage du faisceau est fourni en commutant les nano-antennes d'alimentation. Par conséquent, pour chaque faisceau de rayonnement, \({\theta }_{o}\), \({\varphi }_{o}\) et \({R}_{i}\) varient, ce qui donne des valeurs différentes pour le profil de phase sur la métasurface, alors que notre métasurface n'est pas accordable et donc sa dose de phase ne change pas dynamiquement. Pour relever ce défi, nous définissons une fonction d'erreur représentant la variation de phase sur la métasurface lorsque l'antenne d'alimentation et le faisceau de rayonnement modifient et minimisons cette fonction, en optimisant l'emplacement des nano-antennes d'alimentation. Pour cela, la variation de phase de la nano-antenne située au centre a été choisie comme référence, et les emplacements des autres nano-antennes d'alimentation (\({R}_{i},{\theta }_{i }\),\({\varphi }_{i}\)) sont optimisés pour trouver la moindre différence de phase avec l'antenne de référence située à (\({R}_{ir},{\theta }_{ir} \),\({\varphi}_{ir}\)). Pour simplifier, les paramètres \({R}_{i},{\theta }_{i}\) sont supposés fixes pour toutes les nano-antennes d'alimentation (\({R}_{i}=7.68\mu m,{\theta }_{i}={38}^{\circ}\) ) et nous ne chercherons que des valeurs optimales pour \({\varphi }_{i}\). La fonction d'erreur qui doit être minimisée est définie par :

où \({N}_{x}, {N}_{y}\) représente le nombre d'éléments de métasurface dans les directions \(x,y\), respectivement. L'antenne de référence est située sur l'axe des x (\({\varphi }_{ir}={0}^{\circ}\)) et les angles d'incidence des autres antennes (\({\varphi }_{i}\ )) sont calculés en minimisant la fonction de coût et en réalisant des erreurs de variation de phase minimales. Pour la commutation de faisceau dans 5 angles d'azimut de (\({\varphi }_{o}=[14{0}^{\circ},16{0}^{\circ},18{0}^{\circ} ,20{0}^{\circ},22{0}^{\circ}]\)), les emplacements optimaux sont calculés et les résultats sont présentés à la Fig. 2b, sous la forme \({\varphi }_{i }=[-43.{9}^{\circ},-21.{2}^{\circ},{0}^{\circ},21.{2}^{\circ},43.{ 9}^{\circ}]\). Comme illustré dans les Eqs. (1)–(4), la métasurface peut être conçue pour aboutir au diagramme de rayonnement souhaité en champ lointain. Ici, notre objectif pour le diagramme de rayonnement a été d'obtenir une largeur de faisceau à mi-puissance de 20° et des niveaux de lobe latéral supérieurs à − 20 dBc. Pour atteindre cet objectif, l'un des paramètres clés est la taille de la métasurface. En général, l'augmentation de la taille des éléments rayonnants (métasurface ici) se traduit par des faisceaux plus étroits, mais augmente en même temps les niveaux des lobes latéraux. Par conséquent, il y a ici un compromis. Pour atteindre les objectifs susmentionnés pour le modèle de champ lointain, nous avons optimisé les dimensions de la métasurface et atteint la taille de \ (10,2 \ fois 10,2 \, \ upmu {\ text {m}} ^ {2} \) ou \ (17 \times 17\) cellules unitaires pour la métasurface conçue. En utilisant (4), la phase souhaitée sur cette méta-lentille est calculée et les résultats sont présentés sur la figure 2a.

(a) Phase souhaitée sur la méta-lentille lorsque la nano-antenne de référence est excitée, (b) les emplacements optimaux des nano-antennes d'alimentation au \(z=6,05 \, \upmu {\text{m}}\ ) avion.

L'obtention d'une forme de faisceau uniforme avec des fluctuations d'intensité de rayonnement minimales est l'un des défis les plus importants lors de la conception de méta-lentilles pour les applications de direction de faisceau. La raison de ce défi est que, puisque les variations de phase et d'amplitude sur la métasurface sont différentes pour chacune des antennes d'alimentation49,50,51,52,53, le choix de la cellule unitaire optimale est un compromis entre les phases de réflexion souhaitées de chaque antenne d'alimentation. . Pour résoudre ce problème, nous proposons ici une nouvelle méthode d'optimisation basée sur la sélection de cellules unitaires effilées pondérées. Dans cette méthode, nous définissons une fonction d'erreur basée sur le rapport carré moyen des diagrammes de rayonnement des antennes d'alimentation comme :

où \({N}_{feed}\) est le nombre de flux, \({\varphi }_{desired, i}\) et \({\varphi }_{unitcells}\) représentent le nombre souhaité, et déphasages disponibles (respectivement) sur la métasurface, lorsque la \({i}\)ème antenne d'alimentation est utilisée. De plus, \(E{f}_{i}\), \(E{f}_{r}\) indiquent les amplitudes de champ électrique (sur la métasurface) pour la \({i}\)ème antenne d'alimentation et l'antenne de référence, respectivement. En utilisant (6), la phase souhaitée pour chaque cellule unitaire, à partir de n'importe quelle antenne d'alimentation, est optimisée pour obtenir l'erreur pondérée minimale totale \({Error}_{UC}\) à la longueur d'onde de 1 550 nm. Par conséquent, la sélection des cellules unitaires de la méta-lentille dans le procédé proposé est un compromis entre les diagrammes de rayonnement souhaités.

Maintenant que les phases requises sont déterminées, nous devons sélectionner une cellule unitaire appropriée pour fournir le déphasage approprié. La cellule unitaire proposée est illustrée à la Fig. 3a. Comme le montre cette figure, il se compose de quatre couches dans lesquelles des couches de silicium et de dioxyde de silicium sont prises en sandwich entre deux couches d'argent. La couche d'argent en bas réfléchit la lumière et évite qu'elle ne traverse la structure. La couche d'argent supérieure formée de deux bras similaires et de trois paramètres variables, fournit des phases réfléchissantes différentes. Cette symétrie de la cellule unitaire lui a fait montrer un comportement similaire pour différentes polarisations de la lumière entrante. Ce comportement est illustré sur la figure 3b, où la réponse de la cellule est illustrée pour les polarisations TM et TE de la lumière entrante à la longueur d'onde de 1550 nm. Du fait qu'une grande partie des ondes de retour est concentrée à l'intérieur des couches de silicium et de dioxyde de silicium, la perte de la cellule unitaire a été considérablement réduite. Un autre point important est la période répétitive de la cellule unitaire. Selon la théorie des surfaces périodiques et des ondes de Floquet54,55, afin d'éviter les lobes du réseau, les dimensions de la cellule, doivent être inférieures à :

(a) Vue en perspective de la cellule unitaire proposée. ( b ) Réponse de champ électrique de la cellule unitaire pour les modes TM (gauche) et TE (droite) à la longueur d'onde de 1550 nm. (c) Configuration de simulation de la structure. L'excitation par onde plane et les conditions aux limites périodiques sont utilisées pour calculer les phases de réflexion de chaque élément de cellule unitaire.

Dans la relation ci-dessus, \(p\) est la période répétitive de la cellule unitaire, \({\theta }_{imax}\) est l'angle d'incidence maximum par rapport à la cellule unitaire, et \({n}_{ d}\) est l'indice de réfraction du matériau environnant qui est ici du dioxyde de silicium, avec (\({n}_{d}=1,45\)). Considérant que \({\uptheta }_{imax}\cong {50}^{\circ}\), la période a été sélectionnée comme \(p=600 nm\) (\(0.39\lambda \) à la longueur d'onde de 1550 nm). Les autres paramètres de la cellule unitaire sont illustrés dans le tableau 1. Comme indiqué dans ce tableau, la cellule unitaire proposée a trois paramètres variables, Wc, Lc et Gc, faisant 204 types de cellules pour obtenir différentes variations de phase sur la méta-lentille. . En raison de la complexité de la structure proposée, le logiciel CST pleine onde60 a été utilisé pour simuler les ondes réfléchies par les cellules unitaires. Dans cette simulation, la cellule unitaire est placée dans un environnement SiO2 et les conditions aux limites périodiques (PBC) sont appliquées autour de la cellule. La figure 3c montre la configuration de simulation utilisée pour la caractérisation cellulaire.

Les figures 4a et b montrent l'amplitude et la phase réfléchies de la cellule unitaire en fonction de la longueur d'onde et pour différentes valeurs de Lc. Comme le montre cette figure, en alternant Lc, une plage de déphasage de \({0}^{\circ}\) à \({320}^{\circ}\) peut être couverte à la longueur d'onde de 1 550 nm. De plus, d'après les résultats de cette figure, l'amplitude de réflexion est supérieure à 0,7. Les figures 4c et d comparent la phase et l'amplitude de réflexion par rapport à d'autres paramètres à la longueur d'onde de 1550 nm. Comme le montre cette figure, le réglage du Gc et du Wc fournit différents gradients de phase et peut être utilisé pour réaliser toutes les variations de phase sur les cellules unitaires mat-lentille. De plus, le fait que toutes les cellules unitaires peuvent supporter une amplitude de réflexion de 0,7 ou plus, permet d'obtenir un rendement élevé pour la méta-lentille conçue.

(a) Phase et (b) Rapport d'amplitude de l'onde réfléchie en fonction de la longueur d'onde et de Lc. Amplitude de réflexion (c) et phase (d) en fonction des paramètres géométriques à la longueur d'onde de 1550 nm. L'unité utilisée pour tous les paramètres géométriques est le nm.

Enfin, en utilisant l'Eq. (6), et les résultats illustrés à la Fig. 4, les cellules unitaires de la métasurface sont sélectionnées pour obtenir un balayage de faisceau uniforme. La méta-lentille proposée est illustrée à la Fig. 5. L'amplitude et la phase de réflexion réalisées de la méta-lentille conçue sont illustrées aux Fig. 6a et b, respectivement. Selon cette figure, la métasurface conçue réfléchit plus de 80% des ondes incidentes, offrant un rendement élevé pour l'ensemble du système d'antenne. Sur les figures 6c et d, la phase réalisée sur la méta-lentille est comparée aux phases souhaitées sur celle-ci pour chaque angle de rayonnement. Selon ces figures, les erreurs de phase sont augmentées aux bords de la métasurface, mais cela ne peut affecter que les niveaux des lobes latéraux dans le diagramme de rayonnement.

Vue de face de la méta-lentille conçue.

Réflexion réalisée (a) phase, (b) amplitude, (b) de la méta-lentille conçue. La phase réalisée (représentée par des points) est comparée à la phase souhaitée requise pour chaque antenne d'alimentation (c) aux plans x = 0 et (d) aux plans y = 0.

Une vue en perspective de la nano-antenne d'alimentation est représentée sur la figure 7a. La nano-antenne proposée est conçue sur la base de structures plasmoniques hybrides, dans lesquelles une couche à faible indice de réfraction (dioxyde de silicium, ici) est prise en sandwich entre un métal (argent, ici) et un diélectrique à indice de réfraction élevé (silicium, ici)5,6 ,7,8. La figure 7b illustre le mode excité à l'intérieur du guide d'onde alimentant la nano-antenne conçue. Comme le montre cette figure, la lumière est confinée à l'intérieur de la fine couche de SiO2 comme prévu pour les structures plasmoniques hybrides5,6,7,8. Les nano-antennes d'alimentation sont conçues sur la base du modèle développé en 5 pour les antennes alimentées par des guides d'ondes plasmoniques. Comme prouvé dans5, dans le guide d'onde plasmonique hybride alimentant la nano-antenne, la composante tangentielle du champ électrique le long de la direction de propagation est beaucoup plus petite que sa composante normale, et donc le mode TM excité dans le guide d'onde peut être approximé avec un mode TEM . Cela permet d'utiliser la théorie des lignes de transmission pour modéliser et concevoir précisément la structure5. Pour la meilleure correspondance, la largeur de la ligne plasmonique hybride est considérée comme étant la même que celle du commutateur de graphène et égale à \ ({w} _ {l} = 100 \, {\ text {nm}} \), et avoir un confinement élevé à l'intérieur de la couche mince de SiO2, l'épaisseur de cette couche, \({t}_{Si{o}_{2}}^{F}\) est choisie égale à 20 nm. Pour la longueur, \({L}_{p}\), et la largeur, \({w}_{p}\), du patch hybride plasmonique, nous avons utilisé le modèle de ligne de transmission développé en 5, pour obtenir valeurs initiales pour la conception, puis légèrement ajusté ces paramètres pour obtenir le modèle souhaité pour l'antenne. Enfin, la taille de la partie encart, \({L}_{g}\) et \({W}_{g}\) sont sélectionnés selon la technique expliquée en 25. La partie insérée est utilisée pour fournir une meilleure adaptation d'impédance entre la nano-antenne et le guide d'onde plasmonique hybride d'alimentation.

(a) Vue en perspective de la nano-antenne d'alimentation conçue avec des dimensions 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 Mode TM de la nano-antenne d'alimentation dans lequel la lumière est fortement confinée à l'intérieur de la fine couche de SiO2. (c) Paramètres de diffusion des nano-antennes d'alimentation. La perte de retour de l'antenne n ° 1 (S11) ainsi que le couplage entre les nano-antennes sont illustrés sur cette figure. ( d ) Diagramme de rayonnement 3D lointain de la nano-antenne d'alimentation à la longueur d'onde de 1550 nm.

Les nano-antennes conçues sont ensuite placées à des emplacements optimaux calculés par l'équation. (5). Les paramètres de diffusion (paramètres S) des nano-antennes d'alimentation en fonction de la longueur d'onde sont illustrés à la Fig. 7c. Dans cette figure, la perte de retour de la nano-antenne d'alimentation n ° 1 (voir Fig. 1a) ainsi que le couplage mutuel entre les nano-antennes sont illustrés. Comme le montre cette figure, la perte de retour illustrée est inférieure à - 9 dB, ce qui montre une bonne adaptation d'impédance pour l'antenne conçue. De plus, les résultats de cette figure montrent qu'il existe un faible couplage mutuel entre les antennes conçues (moins de − 12 dB). Sur la figure 7d, le diagramme de rayonnement de la nano-antenne conçue est illustré. Selon ce résultat, la nan-antenne d'alimentation proposée a une directivité élevée de 10,2 dB et une déviation angulaire de \({38}^{\circ}\) (par rapport à l'axe z). C'est la raison pour laquelle les antennes d'alimentation sont disposées à un angle de \({38}^{\circ}\) par rapport à la méta-lentille.

Dans le procédé proposé, la rotation du faisceau est obtenue en choisissant parmi les nano-antennes d'alimentation. Par conséquent, un diviseur de puissance contrôlable est nécessaire pour sélectionner parmi les antennes. La figure 8a montre la structure du commutateur à base de graphène conçu. Comme le montre cette figure, le commutateur est également conçu sur la base d'une structure plasmonique hybride, dans laquelle une couche de dioxyde de silicium d'une épaisseur de 20 nm est prise en sandwich entre deux couches d'argent et de silicium d'épaisseurs respectives de 100 nm et 150 nm. De plus, la largeur de ligne de 800 nm a été sélectionnée pour le guide d'onde d'alimentation.

(a) Vue en perspective du diviseur de puissance commutable conçu, (b) Vue en perspective du circuit de polarisation utilisé pour appliquer la tension souhaitable aux feuilles de graphène, (c) Intensité du champ électrique sur le diviseur de puissance à la longueur d'onde de 1550 nm, lorsque (c ) toutes les branches sont activées (d) une seule branche est activée et les autres sont désactivées.

En raison de la distribution non uniforme du champ sur la largeur du guide d'onde d'alimentation, des largeurs de ligne asymétriques ont été utilisées pour diviser les champs en branches, de manière égale. La distance entre les branches séparatrices est également choisie en fonction de l'emplacement des nano-antennes d'alimentation. La feuille de graphène est située au milieu de la couche de SiO2 et est connectée à la tension de polarisation via le circuit illustré à la Fig. 8b. Les stimuli de tension permettent la variation du potentiel chimique des feuilles de graphène entraînant une modulation de la conductivité du graphène25. La perte maximale à la longueur d'onde de 1550 nm, (état OFF de l'interrupteur) peut être obtenue lorsque le potentiel chimique du graphène est égal à 0,51 eV, et la perte minimale (état ON de l'interrupteur) peut être obtenue pour un potentiel chimique de 0 eV sur la feuille de graphène25.

Les champs électriques calculés numériquement sur le diviseur de puissance proposé sont illustrés aux Fig. 8c et d. La figure 8c montre les résultats lorsque toutes les branches de sortie sont activées, tandis que la figure 8d montre les résultats lorsqu'une seule branche est activée et les autres sont désactivées.

Dans cette section, nous étudions les performances du dispositif proposé en analysant numériquement l'ensemble de la structure. La simulation numérique est réalisée à l'aide du logiciel complet CST60. Dans cette simulation, le diagramme de rayonnement en champ lointain de la métasurface réfléchissante est calculé en résolvant des équations intégrales à l'aide de la méthode du moment, et pour l'excitation, le diagramme de rayonnement des nano-antennes (calculé à l'aide de la méthode des éléments finis et illustré à la Fig. 7d) est utilisé. Les résultats de cette simulation sont présentés dans les Fig. 9 et 10. La figure 9 montre le diagramme de rayonnement dans le plan u–v, lorsque différentes nano-antennes sont excitées. Un plan u – v est un plan géométrique pour montrer le motif 3D dans la figure circulaire 2D. Dans le plan u–v, les axes sont définis comme \(u=\mathrm{sin\theta }cos\varphi , v= \mathrm{sin\theta sin\varphi }\). Comme le montre cette figure, l'orientation du faisceau est réalisée en commutant entre les antennes d'alimentation. De plus, les résultats de cette figure montrent qu'une directivité de 15 dBi est atteinte pour l'appareil. Pour plus de précisions sur le diagramme résultant, la Fig. 10a montre le diagramme de rayonnement au format 2D (pour un \(\theta \) fixe et différentes valeurs de \(\varphi \)) qui illustre plus clairement l'orientation du faisceau. De plus, les résultats de cette figure montrent qu'il y a une faible variation (moins de 1 dB) dans la directivité obtenue pour toutes les directions de faisceau différentes, ce qui est un avantage important de ce travail par rapport aux travaux précédemment rapportés sur la direction de faisceau optique49,50, 51,52,53,54,55. Cette figure montre également qu'un niveau de lobe latéral inférieur à 15 dB est atteint pour tous les angles de faisceau différents, ce qui est un autre avantage de la structure proposée.

Le diagramme de rayonnement de l'appareil dans le plan u – v, lorsque différentes nano-antennes d'alimentation sont sélectionnées. La direction du faisceau est clairement représentée sur cette figure.

(a) Diagramme de rayonnement 2D de l'appareil à \({\theta}_{o}={38}^{\circ}\), pour différentes antennes d'alimentation. (b) Précision de rayonnement réalisée lorsque différentes nano-antennes d'alimentation sont choisies. Les deux figures montrent les résultats à la longueur d'onde de fonctionnement de 1550 nm.

Précision de la méthode proposée pour obtenir les angles de rayonnement souhaités (\({\theta}_{o}={38}^{\circ}, \, {\varphi}_{o}=[14{0}^{\ circ},\, 16{0}^{\circ},\,18{0}^{\circ}, \, 20{0}^{\circ}, \, 22{0}^{\circ} ]\)) est illustré à la Fig. 10b. Cette figure montre la différence entre la direction souhaitée et la direction atteinte. Comme le montre cette figure, la différence pour les deux \({\theta }_{o}, {\varphi }_{o}\) est inférieure à \({1}^{\circ}\) illustrant une très bonne précision pour l'appareil proposé. Une procédure de fabrication suggérée pour le dispositif proposé est illustrée à la Fig. 11. Comme le montre cette figure, la procédure de fabrication comporte 3 étapes pour fabriquer la métasurface, les nano-antennes et le diviseur de puissance commutable et enfin le circuit de polarisation. Comme illustré sur cette figure, le dispositif proposé peut être fabriqué en utilisant des techniques de nano-fabrication standard.

La procédure de fabrication suggérée pour la structure proposée. (a–d) illustrant le processus de fabrication de la métasurface proposée : (a) Des couches de métasurface (Ag, SiO2, Si et à nouveau Ag) sont déposées sur le substrat (b) La couche Ag supérieure est modelée pour fournir des cellules unitaires de la métasurface utilisant la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et la gravure au plasma (c) La couche de SiO2 est déposée pour remplir entre les cellules unitaires. (d) Résoudre la réserve dans un solvant et éliminer les matériaux en excès. (e–n) illustrant le processus de fabrication des nano-antennes, commutateur et diviseur proposés : (e) La couche de SiO2 est déposée sur la métasurface fabriquée. (f) La procédure de gravure EBL et plasma est appliquée pour préparer la structure à la forme souhaitée de nano-antenne, de diviseur et de commutateur. (g) La couche de silicium de 150 nm et une couche de SiO2 de 10 nm sont déposées. (h) Résoudre la réserve dans un solvant et éliminer l'excès de Si et de SiO2. (i) Le graphène avec la couche de catalyseur est transféré sur la couche de SiO2. (j) Le faisceau laser crée des motifs dans la couche de catalyseur et permet de modéliser la couche de graphène. (k) Les couches 10 nm SiO2 et 100 nm Ag sont déposées. (l) Des procédures de gravure EBL et plasma sont appliquées pour modeler les matériaux Ag et SiO2 afin de créer des nano-antennes, un diviseur et un commutateur. (m) Les couches de platine et d'or sont déposées. (n) L'EBL et la procédure de gravure au plasma sont appliquées pour modeler les couches Au et Pt et pour créer le circuit de polarisation du diviseur de puissance commutable.

Afin d'illustrer la capacité de la méthode proposée à être étendue afin d'obtenir un faisceau plus étroit et une résolution plus élevée dans la direction du faisceau, nous rapportons ici les résultats pour un dispositif avec 23 nano-antennes d'alimentation, dont les emplacements sont optimisés à l'aide de ( 5). Pour cette conception, les dimensions de la métasurface sont considérées comme étant \ (39 \ fois 39 \ mu {m} ^ {2} \), et les cellules unitaires optimales sont sélectionnées pour obtenir une erreur de phase minimale calculée à l'aide de (6). Les diagrammes de rayonnement résultants, calculés à l'aide de la méthode de transformée de Fourier56, sont illustrés à la Fig. 12a. Comme le montre cette figure, la direction du faisceau est obtenue pour des angles dans la plage de \(-{45}^{\circ} :{45}^{\circ}\), avec 23 étapes. De plus, ces résultats montrent qu'une largeur de faisceau à mi-puissance de \({5}^{\circ}\) est obtenue dans la version étendue de l'appareil. La figure 12b montre la précision du diagramme de rayonnement illustrant une grande précision pour le procédé proposé.

(a) Diagramme de rayonnement 2D de la version étendue de l'appareil avec 23 nano-antennes d'alimentation (b) Précision de rayonnement réalisée obtenue pour la version étendue de l'appareil lorsque différentes nano-antennes d'alimentation sont choisies.

Un nouveau dispositif de direction de faisceau optique intégré a été proposé et étudié. Le dispositif proposé consiste en une méta-lentille éclairée par cinq nano-antennes d'alimentation commutables, toutes intégrées à l'intérieur d'un milieu SiO2. Pour obtenir une grande précision dans la direction des faisceaux rayonnés, de faibles niveaux de lobes latéraux (SLL) et de faibles fluctuations de l'intensité du rayonnement, des algorithmes analytiques ont été développés et utilisés pour optimiser l'emplacement des nano-antennes d'alimentation et également des cellules unitaires construisant le méta-lentille. Les résultats de la simulation numérique pleine onde ont montré que l'appareil a une directivité supérieure à 15 dBi pour les cinq angles de rayonnement dans le champ de vision de 100 degrés, une précision d'angle de rayonnement supérieure à un degré et une SLL supérieure à 15 dB. Une version étendue du dispositif proposé avec 23 nano-antennes d'alimentation a également été conçue et analysée. Les résultats de la version étendue du dispositif ont également montré une grande précision et de faibles fluctuations de l'intensité de rayonnement illustrant la capacité de la méthodologie de conception à être utilisée pour les dispositifs étendus. Le dispositif proposé peut être utilisé dans de nombreuses applications optiques allant des systèmes de communication optique multifocalisation aux systèmes LIDAR hautement intégrés.

Afin d'analyser les performances de l'ensemble de la structure, une simulation numérique 3D pleine onde a été réalisée à l'aide du logiciel CST60 et la configuration de simulation unidirectionnelle a été utilisée pour cela. Dans cette simulation, la structure proposée a été placée dans le fond de SiO2 et les conditions aux limites ont été définies comme un espace ouvert (modélisation de la condition de rayonnement). La simulation a été réalisée en deux étapes. Dans la première étape, les nano-antennes et le diviseur de puissance commutable à base de graphène ont été excités à l'aide d'un port de guide d'ondes et la structure a été analysée à l'aide de la méthode des éléments finis. Dans la deuxième étape, la méta-lentille a été éclairée avec le diagramme de rayonnement du champ électrique obtenu à partir des résultats de la première étape. Dans cette partie, le diagramme de rayonnement total de l'appareil a été extrait en utilisant la méthode des moments.

L'ensemble de données utilisé et/ou analysé au cours de l'étude en cours est disponible auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Vahid Ghaffari & Leïla Yousefi

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VG a effectué des calculs et des simulations ainsi que l'analyse. LY a guidé la recherche. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Leila Yousefi.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Ghaffari, V., Yousefi, L. Dispositif de direction de faisceau optique intégré utilisant des nanoantennes commutables et un métal réfléchissant. Sci Rep 13, 7099 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33939-w

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Reçu : 18 janvier 2023

Accepté : 21 avril 2023

Publié: 02 mai 2023

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

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