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Polarisationsselektive Nanoantenne

Optische Nanoantenne als De-Multiplexer

24. Juli 2017, 13:00 Uhr | Markus Haller

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Aufbau der Nanoantenne

Die Eigenschaft der Polarisations-Selektion entsteht durch die Kombination von senkrecht zueinander stehenden Nanodraht-Paaren. Ein Paar von Nanodrähten ist entlang der x-Achse ausgerichtet und ermöglicht das Einkoppeln von horizontal polarisiertem Licht (TM-Mode). Zwei weitere Paare sind entlang der y-Achse ausgerichtet und koppeln mit dem vertikal polarisierten Licht (TE-Mode). Die Einfallsrichtung des Lichts auf die Nanoantenne ist senkrecht zur x-y-Ebene. Kopplung mit Licht bedeutet hier, dass die Nanopartikel durch die Bestrahlung mit Licht selbst zur Lichtemission angeregt werden. Die Resonanzfrequenz der Antenne liegt bei 1550 nm.

Die einzelnen Nanodrähte eines Paares sind jeweils gleich breit (60 nm) und gleich hoch (40 nm), aber verschieden lang (zwischen 150 und 190 nm). Der Längenunterschied der Nanodrähte führt bei der Bestrahlung mit Licht zu leicht unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Der Aufbau der TM-Antenne führt letztlich dazu, dass das von beiden Nanopartikeln emittierte Licht nur dann konstruktiv interferiert, wenn es sich entlang der x-Achse nach rechts bewegt. In den andern Richtungen überlagert es sich destruktiv.

Die Antenne für die TE-Mode besteht aus zwei Nanodraht-Paaren, die ähnlich der TM-Antenne arbeiten. Wenn sie durch vertikal polarisiertes Licht zur Emission angeregt werden, gibt es nur dann konstruktive Interferenz, wenn sich das Licht links der x-Achse bewegt. Damit ist eine polarisationsselektive räumliche Trennung von Lichtsignalen möglich. Bild 3 in der Bildergalerie zeigt drei SEM-Aufnahmen der Antennen. Wie sauber die Aufspaltung in TE- und TM-Mode möglich ist, haben die Forscher mit einer CCD-Kamera ermittelt. Zwei Gold-Gitter am linken und am rechten Arm des Wellenleiters koppeln das eingefangene Licht wieder aus. Die Messung in Bild 4 zeigt, dass die TM-Antenne beinahe nur horizontal polarisiertes Licht in den rechten Arm leitet, die TE-Antenne entsprechend vertikal polarisiertes Licht in den linken Arm. Bei der Kombination aus beiden Antennen gibt es ein leichtes Übersprechen, aber die Signaltrennung ist deutlich gegeben.

Der nächste Schritt ist die Erhöhung der Kopplungseffizienz. Durch Veränderung der Antennenform ist eine Anpassung der Resonanzfrequenz der Nanodrähte an die Kopplungsmoden des Lichtleiters möglich. Die Modifikation führt laut den Forschern zu einer Erhöhten Effizienz, ohne dabei die Richtungsabhängigkeit wieder einzubüßen. Perspektivisch seien auch Anwendungen in der Quantenoptik denkbar, da die Polarisation hier einen wichtigen Freiheitsgrad darstelle.

Die Original-Publikation (High–bit rate ultra-compact light routing with mode-selective on-chip nanoantennas) ist frei zugänglich auf der Webseite von Science Advances einsehbar.