Ученые создали новую основу для интегральной фотоники

Наноразмерная золотая антенна, размещенная на кристалле, может передавать инфракрасный свет по одному узкому каналу, даже если в материале нет физического волновода.

Исследователи из 4-го физического института Штутгартского университета и Итальянского технологического института (IIT) в Милане продемонстрировали этот механизм на природном гиперболическом ван-дер-ваальсовом материале. 

Свет, исходящий из небольшого источника, обычно распространяется в виде круговых или сферических волновых фронтов, подобно ряби, расходящейся после удара камня о воду. Такое равномерное распространение является базовым свойством волн, но оно становится проблемой, когда фотонным устройствам нужно эффективно перемещать свет по определенному маршруту.

Современные оптические системы решают эту проблему с помощью волноводов. Например, стеклянные волокна удерживают лазерный свет, позволяя ему распространяться на большие расстояния с минимальными потерями. В фотонных интегральных схемах используются волноводы гораздо меньшего размера, созданные с помощью литографических методов производства, таких как нанесение резиста, литография и травление. Производство этих наноструктур технически сложно и существенно увеличивает производственные затраты.

Исследователи продемонстрировали еще один способ направления света без использования искусственного волновода, работая  с двумерным материалом — оксидихлоридом молибдена (MoOCl₂). Они разместили на его поверхности наноразмерную золотую антенну и осветили ее инфракрасным лазером. Это привело к возникновению сильно локализованных оптических волн, которые распространялись только в одном направлении.

Вместо того чтобы распространяться по всему материалу, свет оставался в узком канале. Его поведение напоминало свет, проходящий по невидимому волноводу, который естественным образом содержится внутри кристалла.

MoOCl₂ — двухосный материал, то есть его оптические свойства резко различаются в зависимости от направления в кристалле. Вдоль одной оси он ведет себя как металл и поддерживает поверхностные плазмоны — коллективные электронные колебания, способные переносить электромагнитную энергию.

Вдоль перпендикулярной оси материал ведет себя как диэлектрик и сильно ограничивает движение плазмонов. Эта резкая разница в зависимости от направления, известная как анизотропия, ограничивает распространение плазмонных волн узким маршрутом.

Поскольку этот эффект напоминает движение воды по каналу, исследователи назвали его плазмонной канализацией.

Форма и направление волн существенно менялись в зависимости от длины волны в инфракрасном диапазоне. При длине волны около 4 мкм исследователи наблюдали строго направленное канализированное распространение.

Когда они увеличили длину волны до 5 мкм, волновой фронт вернулся к привычной кольцеобразной форме, напоминающей рябь, равномерно расходящуюся по воде. При длине волны 3 мкм он приобрел открытую гиперболическую форму.

Канальное состояние можно представить как эллиптический волновой фронт, растянутый настолько, что фокусы эллипса фактически уходят в бесконечность. Изменив только длину волны возбуждения, исследователи перевели распространяющиеся волны в MoOCl₂ из открытой формы в закрытую, пройдя между ними критическое состояние канальной волны.

Исследователи предполагают, что плазмонная канализация в гиперболических материалах может стать новой основой для интегральной фотоники. Поскольку материал направляет свет без использования литографически изготовленных волноводов, это может упростить производство фотонных чипов.