Формирование ближнего кирального поля с помощью диэлектрических наноантенн

Инженерия интенсивности и направления излучения от одиночных квантовых источников за счет структурирования её окружения на наноуровне является центральной задачей современной нанофотоники. В этой работе мы демонстрируем, что несимметричное возбуждение высокоиндексной суб-волновой диэлектрической частицы точечным источником, расположенным в выемке на поверхности, способно привести к формированию кирального ближнего поля подобного полю вращающегося диполя и квадруполя. Мы используем этот эффект для возбуждения однонаправленных мод в диэлектрическом и плазмонном волноводах.

Изучаемая структура решает задачу уменьшения геометрических размеров наноантенны при сохранении коэффициента направленности излучения, за счет увеличения площади её эффективной апертуры S. А так же позволяет добиться появления кирального распределения поля, которое представляет наибольший интерес в исследованиях возможности использования наноантенн для конфигурации ближнего поля.Ещё одна задача, которая была решена в данной работе – это однонаправленное возбуждение волноводных мод с
помощью наноантенны. Эта однонаправленность может быть применена в нанофотоникепри создании эффективных систем управления сигналами в оптических интегральных схемах.

Наряду с источниками электромагнитных волн и их детекторами, важным

элементом беспроводных технологий передачи информации являются антенны [1,2]. В

радиотехнике антенной называется устройство, которое преобразует электрические и

магнитные токи в радиоволны и, наоборот, радиоволны - в наведенные ими токи [1,2].

Понятие антенны стало значительно шире в связи с новым разделом науки под

названием нанооптика. Эта наука исследует передачу и прием оптических сигналов

объектами субмикронного и даже нанометрового размера [3,4]. Нанооптика, в частности,

ставит перед исследователями вопрос об эффективности и направленности передачи

оптической информации между наноэлементами.

Принимая во внимание то, что задача о излучении наночастицы может быть аналитически решена

только в нескольких наиболее простых случаях, для изучения наноантенны, имеющую сложную форму,

частотную дисперсиию диэлектрической проницаемости материала и т.д, мы  использовали программное

обеспечение для имитационного моделирования. Этим программным обеспечением является лицензионный

пакет CST Microwave Studio, использующий методы конечных разностей во временной области, конечных

элементов, вычисления собственных мод.

В этой работе для создания оптической наноантенны с низким уровнем диссипативных

потерь и управляемой диаграммой направленности, мы использовали диэлектрические материалы с

высоким значением диэлектрической проницаемости (более 10) для возбуждение в наноантенне

высших мультипольных моментов.

Типичным примером такого материала является кремний, реальная часть диэлектрической

проницаемости которого приблизительно равна 18, в оптической области частот, а уровень потерь на

порядок ниже, чем в благородном металле (золото, серебро).

В этой работе мы показали, что несимметричное возбуждение высокоиндексной

субволновой диэлектрической наночастицы точечным дипольным источником,

расположенным в выемке на ее поверхности, способно привести к формированию

кирального ближнего поля схожего с полем вращающегося диполя и вращающегося

квадруполя, в зависимости от частоты [5]. Используя численное моделирование мы

продемонстрировали, что этот эффект является следствием возбуждения высших

мультипольных мод (квадрупольной и октyпольной) поля в наночастице. Мы

использовали этот эффект для однонаправленного возбуждения волноводных мод в

диэлектрическом волноводе и поверхностного плазмон-поляритона. Мы достигли

величины front-to- back ratio по напряженности поля до 5.5 для диэлектрического

волновода и до 7.5 для плазмонного волновода. Мы верим, что наши результаты найдут

применение в области интегральной нанофотоники и системах квантовой обработки

информации.

[1] S. Silver, Microwave antenna theory and design (Peter Peregrinus, 1949).
[2] C. Balanis, Antenna theory: analysis and design (New York; Brisbane : J. Wiley, 1982).
[3] N. F. van Hulst, Nature 448, 141 (2007).
[4] A. V. Akimov, A. Mukherjee, C. L. Yu, D. E. Chang, A. S. Zibrov, P. R. Hemmer, H. Park,
and M. D. Lukin, Nature 450, 402 (2007).
[5] S. Li, D. Baranov, A. Krasnok, and P. Belov, Appl. Phys. Lett., 107, 171101 (2015)

In this Letter, we have shown that the asymmetric excitation of a high-index dielectric subwavelength
nanoparticle by a point dipole source located in the notch at its surface can lead to the formation of
chiral near-field similar to that of a circularly polarized dipole or quadrupole, depending on the frequency. Using
numerical simulations, we have shown that this effect originates from higher multipole modes excitation
(quadrupole and octupole). We have used this effect for demonstration of unidirectional excitation of waveguide
modes in a dielectric and a plasmonic waveguide. We have attained the value of front–to–back ratio in terms
of the field strengths up to 5.5 for a dielectric waveguide and up to 7.5 for the plasmonic waveguide. We envision
that our results will be used for the integrated nanophotonics and quantum information processing systems.