Nanophotonische Gruppenantenne
Ein Chip mit 4096 phasenabgestimmten Miniantennen strahlt Bilder des MIT-Logos ab.
Viele Antennen sind besser als eine. So nutzt man Arrays aus vielen Radioantennen für die Radioastronomie, den Rundfunk oder die Kommunikation. Durch die Abstimmung der Phasen der einzelnen Antennen lässt sich beim Empfang die Winkelauflösung erhöhen bzw. bei der Emission die räumliche Verteilung der Strahlung beeinflussen. Jetzt haben Forscher am MIT einen Chip mit phasenabgestimmten Miniantennen hergestellt, deren gemeinsame IR-Strahlung das MIT-Logo ergibt.
Abb.: Ein Ausschnitt aus der phasenabgestimmten Gruppenantenne (links) und ein Bild einer einzelnen Antenne (rechts). (Bild: J. Sun)
Der Siliziumchip, den Michael Watts und seine Kollegen präsentieren, enthält eine Gruppenantenne aus 64 × 64 oder 4096 Einzelantennen, die jeweils etwa drei Mikrometer groß sind. Das Array, das insgesamt nur einen Viertel Quadratmillimeter misst, wurde mit einem Laser von 1,55 Mikrometern Wellenlänge zur Strahlung angeregt. Dazu wurde das Laserlicht über eine Glasfaser in 64 parallele Wellenleiter evaneszent gekoppelt. Die Kopplungsstärken waren so bemessen, dass alle Wellenleiter die gleiche Lichtleistung erhielten, die sich dann gleichmäßig auf jeweils 64 Antennen aufteilte.
Da das Licht mit unterschiedlichen Phasenverzögerungen bei den Antennen ankam, strahlten diese es mit unterschiedlichen Phasen ab. Indem die Forscher die Phasen aufeinander abstimmten, konnten sie erreichen, dass sich die von den Antennen ausgehenden Lichtwellen im Fernfeld zu einem gewünschten Lichtmuster überlagerten. Als Muster wählten die Forscher das MIT-Logo. Sie berechneten die dafür nötigen Phasenverzögerungen und dimensionierten die Gruppenantenne entsprechend.
Während das von den Antennen abgestrahlte Licht im Nahbereich ein regelmäßiges Muster aus Punkten ergab, zeigten sich im Fernfeld anstelle der Lichtpunkte viele MIT-Logos. Die Mehrfachbilder traten auf, da die Abstände zwischen den Antennen mehrere Lichtwellenlängen betrugen. Mit kleineren, dichter gepackten Antennen ließe sich ein einzelnes Bild erzeugen.
Abb.: Das von der Gruppenantenne abgestrahlte Lichtmuster aus vielen MIT-Logos. (Bild: J. Sun)
Die beobachteten Logos waren indes verrauscht, was die Forscher darauf zurückführen, dass das aus der Glasfaser gekoppelte Licht teilweise an den Wellenleitern gestreut wurde. Diese Störungen ließen sich verringern, indem der Abstand zwischen den Kopplungspunkten und den Antennen vergrößert wurde. So strahlte ein Teilarray aus 32 × 32 Antennen, die möglichst weit von der Glasfaser entfernt lagen, ein weniger verrauschtes Bild ab, das allerdings wegen der geringeren Zahl der Antennen eine kleinere Auflösung hatte.
Darüber hinaus gelang es Watts und seinen Kollegen, das abgestrahlte Lichtmuster zu verändern, indem sie die Phasenverzögerung der einzelnen Antennen gezielt vergrößerten. Dazu ersetzten sie das undotierte Silizium in den Lichtleitungen innerhalb der einzelnen Antennen abschnittsweise durch dotiertes Silizium. Über zwei Kupferkontakte konnte ein steuerbarer elektrischer Strom durch den dotierten Abschnitt fließen und ihn erwärmen, woraufhin sich die Phasenverzögerung mehr oder weniger stark vergrößerte. So konnten die Forscher zwischen verschiedenen Lichtmustern hin und her schalten.
Für Chips, auf denen eine große Zahl von einzeln ansteuerbaren Antennen integriert ist, gibt es viele interessante Anwendungen. Man könnten aus ihnen holographische Displays herstellen oder sie für das radarähnliche optische Beobachtungsverfahren LADAR (Laser Detection and Ranging) nutzen. Auch in der Interferometrie und in der biomedizinischen Bildgebung sehen Watts und seine Kollegen mögliche Anwendungen für ihre Gruppenantenne.
Rainer Scharf
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