Optische Antennenfelder
Konzept der Yagi-Uda-Richtantenne aus der Nachrichtentechnik auf optische Wellenlängen übertragen.
Konzept der Yagi-Uda-Richtantenne aus der Nachrichtentechnik auf optische Wellenlängen übertragen.
Eine Standard-TV-Antenne empfängt Signale, die mit elektromagnetischen Frequenzen im Megahertz-Bereich übertragen werden und konvertiert sie zu elektrischen Pulsen im Stromkabel. Hierbei werden durch die Antenne verschiedene Größenskalen miteinander verknüpft: Die Übertragungswellenlänge liegt im Bereich von Zentimetern bis Meter, während die Größe einer elektrischen Leitung im Millimeter-Bereich liegt. Physikern Universität Stuttgart ist es jetzt gemeinsam mit Kollegen am Max Planck Institut für Festkörperforschung gelungen, dieses Konzept aus der Antennentheorie auf das Gebiet der Nano-Optik zu übertragen. Sie realisierten etwa 100 Nanometer große metallische Strukturen, die effizient optische Frequenzen im Bereich von mehreren hundert Terahertz empfangen.
Spezielle Antennen-Geometrien können Strahlung aus bestimmten Richtungen bevorzugen. Eine solche nach einer Richtung orientierte Antenne ist die Yagi-Uda-Antenne, deren Konzept für Radio- und Radarsignale bereits 1926 realisiert wurde. Diese Antenne, die aus einer parallelen Anordnung von unterschiedlich langen Stabantennen besteht, kann Signale aus einer ausgewiesenen Richtung fünf bis zehn Mal effizienter empfangen als eine einfache Stabantenne. Sind mehrere Yagi-Uda-Antennen in einem Antennenfeld angeordnet, verstärkt sich das empfangene Signal zusätzlich um ein Vielfaches. Solche Antennenfelder werden für die Signalübertragung über sehr große Distanzen eingesetzt, zum Beispiel für die Kommunikation mit Satelliten.
Das Forscherteam skalierte das Konzept von Yagi-Uda-Antennenfeldern nun auf die Größenordnung von optischen Wellenlängen. Hierzu stellten sie etwa 100 Nanometer große Golddrähte unterschiedlicher Länge her, die übereinander angeordnet werden. Dazwischen wurden Abstandsschichten mit glasähnlichen Eigenschaften eingebracht. Diese dreidimensionalen einzelnen Nano-Yagi-Uda-Antennen ordneten sie periodisch in Antennenfeldern an. Dabei stellte sich heraus, dass die vom Antennenfeld absorbierte Energie stark vom Einfallswinkel und von der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Welle abhängt. Die Forscher zeigten, dass eine einfallende Welle mit Schwingungsfrequenz um 200 THz maximal absorbiert wird, wenn ihre Einfallsrichtung mit der ausgewiesenen Antennenachse der einzelnen Yagi-Uda-Antennen übereinstimmt.
Abb.: a: Schematischer Darstellung des Yagi-Uda Antennenfelds. Die Periode in x-Richtung beträgt Px=450nm und in y-Richtung Py=300 nm. Das kleine Bild zeigt eine einzelne Antenne mit den geometrischen Parametern Lr=300nm, Lf=250nm, Ld=230nm und S=100nm. b: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines dreidimensionalen optischen Yagi-Uda-Antennenfeldes. Der weiße Balken entspricht einer Länge von 500nm. (Bild: D. Dregely et al., Nature Communications)
Bei dieser Frequenz (200 THz) und Einfallsrichtung wird die 1.500 Nanometer lange Welle auf einen Bereich gebündelt, der etwa 100 nm groß ist. Dies kann in Zukunft für die Realisierung von hochempfindlichen Detektoren im Nahinfrarotbereich genutzt werden. Zudem zeigten die Wissenschaftler mit Hilfe von numerischen Berechnungen, dass die optischen Antennenfelder auch als Sender arbeiten können. Über eine phasengesteuerte Anregung der einzelnen Yagi-Uda-Antennen im Feld kann die Abstrahlungsrichtung optischer Wellenlängen präzise eingestellt werden. Die Forscher versprechen sich dadurch die Realisierung eines „phased arrays“ für optische Wellenlängen und somit neuartige Möglichkeiten der optischen Datenübertragung im Mikrometerbereich.
Universität Stuttgart / MH
