Širokopásmové nanofotonické bezdrôtové spojenia a siete využívajúce integrované plazmmonálne antény na čipe | vedecké správy

Širokopásmové nanofotonické bezdrôtové spojenia a siete využívajúce integrované plazmmonálne antény na čipe | vedecké správy

Anonim

predmety

  • Nanoveda a technológia
  • Optika a fotonika

abstraktné

Vďaka svojej vysokej kapacite a flexibilite sa širokopásmové bezdrôtové komunikácie široko využívajú v režimoch rádia a mikrovĺn a hrajú v našom každodennom živote nepostrádateľné úlohy. Ich optické analógy však neboli preukázané na nanoúrovni. V tomto článku demonštrujeme využitie plazmmonických nanoantén, kompletný návrh širokopásmových bezdrôtových spojení a sietí v oblasti nanopotoník. Očakáva sa, že vďaka 100-násobnému zlepšeniu prenosu energie nad rámec predchádzajúcich návrhov a ultraširokej šírke pásma, ktorá pokrýva celý rozsah telekomunikačných vlnových dĺžok, sa očakáva, že takéto širokopásmové nanolinky a siete pripravia pôdu pre budúce optické integrované nanoobvody.

úvod

Nanoantennas, optické zariadenia, ktoré môžu sprostredkovať lokalizovanú energiu a žiarenie vo voľnom priestore, sa v posledných rokoch stali predmetom veľkého záujmu 1 . Ich zaujímavé vlastnosti, ktoré nám umožňujú manipulovať svetlo v nanomateriáli pri riadení emisie z ďalekého poľa, majú dramatický vplyv na rôzne polia vrátane spektroskopie 2, 3, fotoemisie a fotodetekcie 4, 5, 6, 7, 8, 9, snímanie 10, 11, metasurfaces 12, 13, nelineárna optika 14, 15 a optické obvody v nano-mierke 16, 17, 18, 19, 20. V tejto súvislosti Alù a Engheta najprv navrhli optický bezdrôtový nanolink s použitím zodpovedajúcich dipólových nanoantenónov 16 . Ako alternatíva k obvyklým prepojeniam plazmonického vlnovodu sa preukázalo, že optický bezdrôtový nanolink vykazuje nižšie straty a lepší výkon ako jeho „káblový“ náprotivok. Okrem toho optické bezdrôtové spojenie môže poskytnúť jednoduchšie sieťové architektúry a viac miesta na čipoch, čím sa otvoria nové miesta pre nadchádzajúce optické čipy s nanorozmermi a ich ďalšia miniaturizácia.

Pre všeobecnú bezdrôtovú komunikáciu je šírka pásma kľúčovým parametrom a určujúcim činiteľom kapacity liniek a sietí. Širokopásmové bezdrôtové komunikácie sú schopné prenášať signály cez viac kanálov v rôznych frekvenčných pásmach, čím do značnej miery zvyšujú kapacitu komunikačných systémov prenášajúcich informácie. Tento problém však nebol skúmaný v oblasti nanofotoník. V predchádzajúcom výskume optických bezdrôtových nanolinkov boli nanotechnológie, ako sú dipól, Yagi-Uda a konfigurácie fázového poľa, uplatnené 16, 17, 18 . Tieto nanoantenódy môžu pracovať iba pri rezonančných vlnových dĺžkach s veľmi úzkou šírkou pásma. Okrem toho, keď sú spojené s vlnovodmi, medzi rezonančnými nanoantenódami a vlnovodmi existujú veľké impedančné nesúlady. Je potrebné starostlivo navrhnúť a umiestniť do spojovacej medzery medzi nanoantennou a vlnovodom 16, 17 prvky na prispôsobenie impedancie, ako sú optické nanodisky s určitými permitivitami, čo pri súčasných technikách nanofabrikácie nie je flexibilné ani ľahké.

V tomto článku sme transponovali koncept širokopásmovej bezdrôtovej komunikácie do komunity nanofotoník. Konkrétne uvádzame kompletný návrh širokopásmových optických bezdrôtových nanolinkov a funkčných sietí. Za týmto účelom sú plazmonické nanoantenódy rohových rohov, ktoré boli navrhnuté v našej predchádzajúcej štúdii 7, upravené a využívané ako základné stavebné kamene, pretože sa dajú ľahko vyrobiť a prirodzene impedančne prispôsobiť prívodným vlnovodom. Dokazujeme, že neresonančné správanie, ktoré vyplýva z neprítomnosti rezonančných prvkov, umožňuje nanoantenónom rohov pôsobiť v širokom rozsahu frekvencií s vysokými smermi a vysokými ziskami. Optický bezdrôtový nanolink typu point-to-point, ktorý používa nanoantenódy rohov, tak vykazuje výrazne lepší výkon (100-násobné zvýšenie prenosu energie pri telekomunikačných vlnových dĺžkach a oveľa širšiu šírku pásma), ako výkon využívajúci dipólové nanoantenódy. Na základe širokopásmového nanolinku ďalej demonštrujeme vysielaciu optickú bezdrôtovú sieť vrátane vysielača, bezdrôtového smerovača a prijímača s vlnovou dĺžkou multiplexovania (WDM). Očakáva sa, že koncepcia a kompletný návrh takýchto širokopásmových optických bezdrôtových nanolinkov a sietí ponúkne nové možnosti pre budúce fotonické obvody v meradle.

Výsledky a diskusia

Plazmový roh nanoantenna

Aby sme mohli implementovať optické bezdrôtové nanolinky a siete, musíme si najprv zvoliť vhodné nanoantenódy fungujúce ako základné stavebné bloky: vysielač a prijímač. Tu sa používajú plazmonické rohové nanoantenódy, ako je načrtnuté na obr. 1. Ako optický prenosový vodič sa používa vlnovod plazmového kanála, obdĺžniková štrbina šírky Wd = 30 nm vyrezaná do strieborného filmu s hrúbkou t = 50 nm. Dĺžka vlnovodu je stanovená ako Ld = 500 nm. Rohová nanoantenna s dĺžkou la a uhlom vzplanutia 26 sa javí ako vlnitý vlnovod. Predpokladá sa, že vrstva substrátu a dielektrika pokrývajúca celú štruktúru majú index lomu n = 1, 5.

Image

(A) dielektrická opláštovacia vrstva sa používa na vytvorenie homogénneho prostredia na zabezpečenie homogénneho prostredia.

Obrázok v plnej veľkosti

Nanoanantény rohov sa skúmajú pomocou numerických simulácií konečnej diferenčnej časovej domény (FDTD) (FDTD Solutions, Lumerical). Na jasnú ilustráciu toho, ako fungujú nanomateriály plazmmonických rohov a odhaľujú základnú fyziku, začneme naše skúmanie pri danej vlnovej dĺžke λ 0 = 1550 nm. Optické konštanty striebra použité pri výpočte sa získajú prispôsobením hodnôt uvedených v ref. 21 na mutilcoefficient model. Vypočítava sa kvázi-TEM režim 22 podporovaný vlnovodom plazmových štrbín a potom sa použije ako integrovaný zdroj na excitáciu celého systému. Stojí za zmienku, že tu uvedená štruktúra sa líši od štruktúry, ktorú sme navrhli v ref. 7. V predchádzajúcom návrhu plazmmonický vlnovod pozostáva z dvoch rovnobežných drôtov s pravouhlými prierezmi. Okraj vlnovodu má konečnú šírku 50 nm, v takom prípade by súčasne existovali dva alebo viac propagačných režimov 7, 23 . V našom súčasnom návrhu sa však predpokladá, že hrana vlnovodu je dostatočne dlhá a nekonečná v smere x , čo zaisťuje, že vo medzere je podporovaný iba asymetrický režim 23, čo poskytuje ďalšie pohodlie pre integráciu na čip. Geometrický rozdiel má vplyv aj na radiačné charakteristiky ďalekého poľa, o ktorých budeme hovoriť neskôr.

Pokiaľ ide o holý vlnovod, väčšina energie sa odráža na otvorenom konci a nemôže efektívne vyžarovať, ako sa uvádza v predchádzajúcom texte 17, 20 a zobrazuje sa na obr. 2a. Fázové rozdelenie na obrázku 2b predpokladá žiarenie z otvoreného vlnovodu napodobňujúceho jednosmerný bodový zdroj s sférickou fázovou prednou stranou, sprevádzanú fázovými diskontinuitami na dvoch stranách. Tento bod ďalej overuje vyžarovací obrazec vzdialeného poľa zobrazený na obr. 2c. Jednosmerné sférické vlny produkujú nízku smerovosť okolo 2 a veľké bočné laloky sú spôsobené fázovými diskontinuitami a zvyškovým žiarením z obidvoch strán. Tu je smerovosť definovaná ako D (φ, ϕ) = 4π p (φ, ϕ) / P rad v lineárnej stupnici, kde φ a ϕ predstavujú smer pozorovania, p (φ, ϕ) je hustota uhlovej energie a P rad je vyžarovaný výkon. V porovnaní s holým vlnovodom poskytuje nanoantenna trúbky so zúženým otvorom postupný a plynulý prechod z energie lokalizovanej pod vlnovou dĺžkou na vlny voľného priestoru, ako je znázornené na obr. 2d. So zväčšením šírky štrbiny sa obmedzený režim plazmónu postupne stáva oddeleným režimom plazmónu, ktorý sa šíri po povrchoch strieborných dosiek, a nakoniec vyžaruje do voľného priestoru cez otvor v rohu. Veľký otvor s relatívne rovnomerným predným fázovým prvkom pripomína zdroj rovinnej vlny a môže tak vytvárať vysoko smerové žiarenie, ako je naznačené na obr. 2e, f. Ak však clona klaksónu naďalej rastie, rozdelenie poľa a fázy cez clonu klaksónu sa stáva ďaleko od konštantnosti, čo vedie k rozdeleniu vzoru žiarenia a k pozoruhodnému zníženiu smerovania pozdĺž osi klaksónu.

Image

a - c ) Prípad holého vlnovodu. Amplitúda ( a ), fáza ( b ) distribúcie elektrického poľa a obrazec žiarenia ( c ) holého vlnovodu. ( d - f ) nanoantenna trúbka s La = 3, 5 μm a 9 = 10 °. Amplitúda ( d ), fáza ( e ) distribúcie elektrického poľa a obrazec žiarenia ( f ). ( g - i ) nanoantenna trúbka s La = 3, 5 μm a 9 = 25 °. Amplitúda ( g ), fáza ( h ) distribúcie elektrického poľa a obrazec žiarenia ( i ).

Obrázok v plnej veľkosti

Fázová zmena poľa cez otvor sa dá ilustrovať použitím jednoduchého geometrického modelu. S odkazom na obr. 2d, g, predpokladáme, že na vrchole nanoantenny rohu (bod O) existuje imaginárny zdroj čiar. Konštanty s konštantnou fázou vyžarujúcich vĺn sú valcové. Pretože medzi vlnami, ktoré prechádzajú pozdĺž bočnej strany a osi klaksónu, existuje rozdiel dráhy A, fázy v bode A a bode B pri otvore rohu sú odlišné. Okrem toho, na rozdiel od rádiofrekvenčných rohových antén, kde sa s kovmi zaobchádza ako s dokonalými elektrickými vodičmi, dochádza tu k náhlem zmene fázy A mimo otvoru plazmmonálneho rohu v dôsledku odrazu a rozptylu množiacich sa plazmónov. Táto fázová zmena, znázornená prerušovanou kružnicou na obr. 2d, g, tiež prispieva k žiareniu z ďalekého poľa. Fázovú zmenu δ 0 pre plazmonický roh nanoantenna možno teda písať ako:

Image

kde k je počet vln množiacich sa vĺn vo vnútri nanoantenónov rohov. Aby bola zmena fázy čo najmenšia, je výhodná krátka dĺžka a malý uhol vzplanutia. Ako je však uvedené vyššie, na zabezpečenie postupného prispôsobovania impedancie je teda potrebný veľký otvor (tj dĺžka a uhol nemôžu byť súčasne príliš malé), a tým sa zabezpečí účinné žiarenie. Pri praktických aplikáciách by sa preto mal zohľadniť kompromis medzi týmito extrémami. Je potrebná systematická štúdia o výkonnosti nanoanantén s ohľadom na geometrické parametre.

Radiačné charakteristiky

Smernosť pozdĺž osi klaksónu, označená ako Dt , je vynesená na obr. 3a, b ako funkcia uhla vzplanutia a dĺžky antény. Pre danú dĺžku la a zväčšujúce sa malé uhly 9 sa vzor v rovine E zužuje a Dt sa zväčšuje. Avšak za určitým uhlom Dt začína klesať, keď sa uhol vzplanutia neustále zvyšuje, čo naznačuje zmršťovanie hlavného laloku. Nakoniec sa vzor rozdelí a hlavné maximum sa na osi neobjaví. Táto zmena je v súlade s diskusiou na obr. 2 a môže byť tiež pozorovaná pri konštantnom uhle a meniacich sa dĺžkach, ako je znázornené na obr. 3b. Poznamenávame, že vzťah medzi smerovosťou a geometrickými parametrami je tiež v súlade s našou predchádzajúcou štúdiou 7, čo ďalej potvrdzuje platnosť vyššie uvedenej diskusie o fázových variáciách. Súčasná štruktúra má však kvôli geometrickým rozdielom vyššiu smerovosť (> 20) ako predchádzajúca (~ 13).

Image

Smerovateľnosť D t a zisk Gt, ako aj účinnosť väzby a žiarenia pre nanomateriály plazmmonových rohov s pevnou dĺžkou L a = 3, 5 μm a premenlivými uhlami ( a, c ) alebo s pevným uhlom 9 = 10 ° a meniacou sa dĺžkou L a ( b, d ). Vložky v ( a, b ) znázorňujú zodpovedajúce vzory žiarenia nanoantenónov s rôznymi geometrickými parametrami.

Obrázok v plnej veľkosti

Popri smerovaní sú dôležitými opatreniami pre antény používané v bezdrôtovej komunikácii 1, 24 aj ďalšie parametre, ako je účinnosť väzby ec, účinnosť žiarenia a a Gt . Účinnosť väzby ec opisuje nesúlad pri napájaní nanoantenny a je definovaná ako e c = 1- | Γ t | 2, kde Γ t je koeficient odrazu napätia v bode spojenia medzi vlnovodom a nanoantennou. Účinnosť žiarenia ea znázorňuje schopnosť nanoantenny ako prevodníka medzi riadenou energiou a žiarením vo voľnom priestore. Môže sa vyjadriť ako e a = P rad / P t , kde P t je energia dodávaná do nanoantenny z vlnovodu. Zisk Gt = e c e a D t je celková hodnota zásluh, ktorá zohľadňuje účinnosť antény aj jej smerové vlastnosti.

Pre účinnosť spojenia ec, pretože nanoantenna rohu je neodmysliteľne spojená s vlnovodom, obvykle zostáva vysoká s meniacimi sa geometrickými parametrami, ako je naznačené na obr. 3c, d. Vo väčšine prípadov je účinnosť väzby ec vyššia ako 90%. Iba pre rohy s krátkymi dĺžkami ( L a <1 μm) sa účinnosť spojenia e c výrazne zníži. Je to tak preto, že malý otvor krátkeho klaksónu, ktorý sa blíži vlnovodu s otvoreným koncom, si nemôže dovoliť postupný prechod na prispôsobenie impedancie, čím sa znižuje účinnosť spojenia. Zatiaľ čo účinnosť väzby ec je relatívne stabilná, účinnosť žiarenia ea vykazuje silnú závislosť od dĺžky labu klaksónu. Dlhšie rohy vedú k vyšším ohmickým stratám, čo vedie k nižšej účinnosti žiarenia. Na rozdiel od účinnosti však zisk Gt vykazuje optimálne hodnoty ako funkcie dĺžky a uhla rohu, čo naznačuje, že optimálna hodnota nanoantenny rohu môže byť realizovaná v rámci daného rozsahu rozmerov. Z praktického hľadiska musia rozmery klaksónu vždy spĺňať určité konkrétne kritériá, ako je vysoká hustota integrácie. Očakáva sa preto, že výsledky budú usmerňovať návrh a uľahčia aplikáciu nanoantenónov rohov.

Širokopásmové funkcie

Všimnite si, že vyššie uvedená diskusia je založená na jednofrekvenčnej situácii, ďalej študujeme širokopásmové charakteristiky nanoantenónov rohov, ako je znázornené na obr. 4. Variačný rozsah geometrických parametrov je daný okolo optimálnych hodnôt v jednofrekvenčnej frekvencii. prípad (tj La = 3, 5 μm a 9 = 10 °). Smerovosť Dt sa všeobecne zväčšuje s rozmermi a udržiava sa väčšiu ako 10 v širokom rozsahu vlnových dĺžok od 1200 nm do 2000 nm. Účinnosť väzby ec zostáva vysoká a účinnosť žiarenia ea sa znižuje s rastúcou dĺžkou a uhlom, podobne ako vyššie uvedený prípad s jednou frekvenciou. Tu sa sústredíme na telekomunikačné vlnové dĺžky v rozsahu od O pásma do U pásma (1260 - 1675 nm) a nastavíme špecifický štandard ( Gt > 5) na definovanie užitočnej šírky pásma, ako je uvedené na obrázku 4c, f. Keď sa dĺžka L a húkačky zväčšuje, šírka pásma sa najprv zvyšuje a potom klesá so zachovanou špičkovou frekvenciou. Súčasne zvýšenie uhlu 9 rohov vedie k červeným posunom spektrálnej odozvy. Rohový nanoantenna s dĺžkou la = 3 μm a θ = 9 ° vykazuje najširšiu šírku pásma, ktorá pokrýva celé požadované vlnové pásmo s priemerným ziskom Gt väčším ako 6. Táto širokopásmová reakcia sa pripisuje neprítomnosti rezonančných prvkov v húkačka, vďaka ktorej je nanoantenna neresonančným žiaričom s nízkym Q- odporom s impedanciou, ktorá zostáva takmer konštantná v širokom frekvenčnom pásme. Naproti tomu rezonančné nanoantenódy, ako sú dipólové nanoantenódy, sa podobajú rezonátorom s relatívne vysokým Q, pričom impedancia sa rýchlo mení s frekvenciou, čo vedie k úzkym šírkam pásma 16, 20 . Vynikajúca širokopásmová funkcia, ako aj vysoký zisk umožňujú nanoantenámom rohov fungovať ako všadeprítomné stavebné kamene pre budúce fotonické obvody.

Image

Zaznamenáva sa širokopásmová odozva so zmenami v dĺžke klaksónu ( a – c ) a uhle ( d – f ). Šedé prerušované čiary na obr. ( C ) a ( f ) označujú rozsah vlnových dĺžok od O pásma po pásmo U (1260 - 1675 nm), ako aj špecifický štandard, Gt = 5, na stanovenie šírky pásma.

Obrázok v plnej veľkosti

Širokopásmový optický bezdrôtový nanolink typu point-to-point

Ďalej staviame kompletný optický bezdrôtový nanolink typu point-to-point s použitím navrhovaných nanoantenónov rohov. Kvôli jednoduchosti sa identické rohy ( La = 3 μm a 9 = 9 °) používajú tak na vysielacích, ako aj na prijímacích koncoch, ako je znázornené na obr. 5a. Na porovnanie je uvedený aj ďalší bezdrôtový nanolink založený na dipólových nanočasticiach. Dipólové nanoantenódy sú navrhnuté tak, aby sa dokonale prispôsobili prívodnému vlnovodu a rezonovali pri λ = 1550 nm 16 . V porovnaní s dipólovým nanolinkom vykazuje spojenie na báze rohu výrazné zvýšenie amplitúdy E- poľa. Obrázok 5b zobrazuje profil poľa vo vnútri vlnovodov na prijímacích koncoch, čo potvrdzuje, že plazmónové režimy podporované vlnovodmi sú úspešne excitované. Okrem toho tiež demonštruje výhodu nanolinku na báze rohu pri bezdrôtovom prenose energie. Na výslovnú ilustráciu problému prenosu energie používame známu prenosovú rovnicu Friis 16, 24 :

Image

a ) Rozloženie elektrického poľa nanolinku pri λ 0 = 1550 nm založené na simulácii FDTD. b ) Zodpovedajúce profily E poľa vo vnútri prijímacích vlnovodov nanolinkov pomocou nanoantenónov rohových (hore) a dipólových (dole). Dve čísla majú rovnakú farebnú lištu. c ) Prenos energie nanolinkov pomocou nanoantenónov rohového (červeného) a dipólového (modrého), ako aj priameho vlnovodného prepojenia (čierneho) pri vlnovej dĺžke λ 0 = 1550 nm. Výsledky sa získali pomocou Friisovej rovnice. d ) prenos spektrálneho výkonu hornových (červených) a dipólových (modrých) nanolinkov pri d = 50 μm.

Obrázok v plnej veľkosti

Image

kde Pt a Pr sú vstupný a prijímaný výkon na vysielacích a prijímacích termináloch, d je vzdialenosť medzi terminálmi, G ° ta G0r sú zisky vysielacej a prijímacej antény. Na základe Friisovej rovnice porovnávame prenos energie v troch scenároch: nanolink na báze rohu, nanolink na báze dipólu a priame vlnovodné prepojenie, ako je znázornené na obr. 5c. Pri vlnovej dĺžke X = 1550 nm má nanoantenónový roh vysoký zisk Gt 6, 8 so smernosťou Dt blízkou 20, zatiaľ čo zisk dipólového nanošantánu dosahuje iba 0, 66 s nízkou smerovou schopnosťou okolo 1, 5 16, 17 . Takto sa dosiahne 100-násobné zlepšenie bezdrôtového prenosu energie. Medzitým vo veľkých vzdialenostiach niekoľkých desiatok mikrónov vykazujú bezdrôtové nanolinky na báze rohov aj dipólov výrazne nižšie straty ako priame vlnovodné spojenie, ako sa uvádza v predchádzajúcich štúdiách 16, 17 . Prenos spektrálneho výkonu sa môže tiež vypočítať pomocou rovnice (2), ako je znázornené na obrázku 5 (d). Bezdrôtový prenos energie cez nanolink na báze klaksónu je relatívne stabilný s iba malými odchýlkami v celom požadovanom rozsahu vlnových dĺžok, takže vykazuje zjavné širokopásmové vlastnosti. Naopak bezdrôtový prenos energie prostredníctvom dipólového nanolinku vykazuje veľké kolísanie viac ako 30 dB v rozsahu telekomunikačných vlnových dĺžok, čo overuje úzku šírku pásma takého nanolinku.

Funkčná optická bezdrôtová sieť

Široká šírka spojov typu point-to-point, založených na klaksóne, predstavuje základ pre širokopásmové optické bezdrôtové komunikácie v nanorozmeroch. Tu integráciou s inými plazmmonickými nanozariadeniami predstavujeme koncept a návrh širokopásmových optických bezdrôtových sietí. Ako jednoduchý príklad je uvedená vysielacia sieť s hviezdicovou topológiou, ako je znázornené na obr. 6a. Sieť obsahuje vysielač, bezdrôtový smerovač a tri prijímače. Širokopásmový signál vysielaný vysielačom sa najskôr doručí do bezdrôtového smerovača a potom sa rozdelí na tri rôzne kanály s rôznymi vlnovými dĺžkami. Potom router nasmeruje rozdelené signály rôznymi smermi a vedie ich k rôznym prijímačom cez nanoantenódy rohov. Prijímače tak môžu na požiadanie získať signály v špecifických pásmach vlnových dĺžok. V takejto vysielacej sieti je bezdrôtový smerovač najdôležitejším prvkom. Aby sa dosiahli funkcie WDM a split, využívame pri navrhovaní smerovača plazmové splittery 22 a dutiny 25 nano-diskov, ako aj nanoantenódy rohov, ako je to znázornené na obr. 6b. Pre optimalizáciu bezdrôtového smerovača a siete využívame simuláciu 2D FDTD kvôli obmedzeniam pamäte počítača a času na výpočet. Hrúbka kovu sa považuje za nekonečnú. Geometrické parametre sa vyberajú nasledovne: La = 3 μm, 9 = 9 °, Li = L3 = L4 = Ld = 0, 5 μm, L2 = 0, 75 μm, Ra = 0, 29 μm, Rb = 0, 265 μm Rc = 0, 235 um, g = 0, 01 um. Výstupný výkon na rôznych portoch smerovača je zobrazený na obrázku 6c, čo ukazuje pomer výkonu 4: 2: 1 pre tri kanály. Poznamenávame, že úpravou geometrických parametrov je možné vyladiť pomer výkonu tak, aby vyhovoval iným špecifickým požiadavkám 26 . Rozloženie siete blízkeho poľa je tiež znázornené na obr. 6d, čo naznačuje, že signál v kanáli 1550 nm je úspešne odoslaný správnou cestou a nakoniec dôjde k zodpovedajúcemu prijímaču. V neposlednom rade, hoci prezentovaná bezdrôtová sieť WDM má jednoduchú topológiu a funkčnosť, poskytuje nové paradigma pre širokopásmovú optickú bezdrôtovú komunikáciu v nanomateriáli. K funkcionalizácii takejto širokopásmovej bezdrôtovej siete je možné pridať aj mnoho ďalších typov nanoanténnych systémov alebo nanovláken, ako sú izolátory, prepínače.

Image

a ) Schéma. Biela farba predstavuje širokopásmový signál, zatiaľ čo iné farby označujú rôzne kanály. Celá sieť je zabudovaná do homogénneho prostredia. ( b ) Náčrt bezdrôtového smerovača WDM. A, B, C sú tri rôzne výstupné porty. c ) Normalizované prenosy energie na rôznych výstupných portoch smerovača. ( d ) distribúcia bezdrôtovej siete v poli E pri 0 = 1550 nm.

Obrázok v plnej veľkosti

záver

Širokopásmové bezdrôtové komunikácie majú pri rádiových a mikrovlnných frekvenciách zásadný význam. V tomto článku sme si uvedomili silnú koncepciu v nanofotonickom režime. Konkrétne sme demonštrovali kompletný návrh efektívnych širokopásmových optických bezdrôtových nanolinkov a sietí. Ako základné stavebné kamene sa dôkladne študujú integrované nanomateriály plazmmonových rohov na čipe. Vďaka 100-násobnému vylepšeniu bezdrôtového prenosu energie a ultraširokej šírke pásma, ktorá pokrýva celý rozsah telekomunikačných vlnových dĺžok, širokopásmové nanolinky a siete do značnej miery prekonávajú predchádzajúce návrhy, ako aj priame vlnovody, čím otvárajú perspektívu vysokokapacitného optického bezdrôtového pripojenia. komunikácia na nanoúrovni.

metódy

Simulácie FDTD sa vykonávajú pomocou komerčného softvéru FDTD Solutions v8.11.318, Lumerical. Na všetky výpočty sa na uzavretie simulačnej oblasti použijú dokonale zladené vrstvy (PML). V simuláciách sa používa najjemnejšia veľkosť mriežky 2 nm. V 3D aj 2D simuláciách vypočítavame kvázi-TEM režim priamo pomocou optického režimu riešiča integrovaného do riešení FDTD a tento režim aplikujeme ako integrovaný zdroj na excitáciu nanoantén a systémov. V λ 0 = 1, 55 μm má šíriacu konštantu γ 0 = 0, 1778 + 9, 1613 j μm -1, čo zodpovedá stratám šírenia 1, 54 dB / μm. Čistý príkon Pt je teda možné jednoducho získať ako

Image

normalizované na počiatočný výkon zdroja režimu. Na odvodenie účinnosti väzby ec a koeficientu odrazu Γt zaznamenávame intenzitu blízkeho poľa vo vnútri medzery a použijeme nelineárny postup montáže 17, 20 . Amplitúda poľa vo vnútri medzery v polohe x môže byť zapísaná ako

Image

, kde E ° je maximálna amplitúda poľa, y je šírka konštanty šírenia. Obrázok 7 zobrazuje profily intenzity blízkeho poľa a ich krivky pre holé vlnovody a nanoantenny rohov s La = 3, 5 μm a 9 = 10 °. Silný vzor stojatých vĺn sa mohol jasne pozorovať pre holý vlnovod a koeficient odrazu sa mohol určiť ako Γt = 0, 7523 e −0 3505 j , čo znamená, že sa odrazilo 56, 6% energie vysielanej do vlnovodu. Zatiaľ čo pre nanoantennu trúbky, Γ t = 0, 092 e 0, 2364 j , čo naznačuje, že na nanoantennu trúbky bolo možné preniesť viac ako 99% vstupného výkonu. Okrem toho by sa propagačná konštanta mohla odvodiť aj nelineárnym prispôsobením kriviek ako γ = 0, 1722 + 9, 266 j μm −1, čo veľmi dobre súhlasí s hodnotou yo, ktorá sa získa priamo z riešiča módu. Vyžarovaný výkon P rad sa dosiahne integráciou vonkajšieho Poyntingovho vektora do uzavretého boxu, ktorý obklopuje nanoantennu trúbky, ale vylučuje malú obdĺžnikovú oblasť, kde vlnovod vstupuje do boxu. Smerové a radiačné vzorce sa získavajú uskutočňovaním štandardnej projekcie časovo spriemerovaných polí blízkeho vzdialenému poľu zaznamenaných v uzavretom boxe. Pre projekcie ďalekého poľa vypočítame profil ďalekého poľa na sférickej ploche, ktorá je vzdialená 1 meter od simulačnej oblasti. Rozlíšenie vzorov žiarenia z ďalekého poľa je 1 °.

Image

Obrázok v plnej veľkosti

Ďalšie informácie

Ako citovať tento článok : Yang, Y. et al . Širokopásmové nanofotonické bezdrôtové spojenia a siete využívajúce integrované plazmmonálne antény na čipe. Sci. Rep. 6, 19490; doi: 10, 1038 / srep19490 (2016).

Komentáre

Odoslaním komentára súhlasíte s tým, že budete dodržiavať naše zmluvné podmienky a pokyny pre komunitu. Ak zistíte, že je niečo urážlivé alebo nie je v súlade s našimi podmienkami alebo pokynmi, označte ho ako nevhodné.