Ny siliciumætsningsteknik fremstiller mikrooptik med 3D gradient brydningsindeks

Et multi-institutionelt forskningssamarbejde har skabt en ny tilgang til fremstilling af tredimensionel mikrooptik gennem den formdefinerede dannelse af porøst silicium (PSi), med bred indvirkning inden for integreret optoelektronik, billeddannelse, og solceller.

Samarbejde med kolleger hos Stanford og The Dow Chemical Company, forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign fremstillede 3-D dobbeltbrydende gradient refractive index (GRIN) mikrooptik ved elektrokemisk ætsning af præformede Si-mikrostrukturer, som firkantede kolonner, PSi -strukturer med definerede brydningsindeksprofiler.

"Fremkomsten og væksten af ​​transformationsoptik gennem det sidste årti har revitaliseret interessen for at bruge GRIN-optik til at kontrollere lysudbredelsen, "forklarede Paul Braun, Ivan Racheff professor i materialevidenskab og teknik i Illinois. "I dette arbejde, vi har fundet ud af, hvordan man kobler startformen af ​​siliciummikrostrukturen og ætsningsbetingelserne for at realisere et unikt sæt af ønskværdige optiske kvaliteter. For eksempel, disse elementer udviser nye polarisationsafhængige optiske funktioner, herunder opdeling og fokusering, udvidelse af brugen af ​​porøst silicium til en bred vifte af integrerede fotonikapplikationer.

"Nøglen er, at de optiske egenskaber er en funktion af ætsestrømmen, " sagde Braun. "Hvis du ændrer ætsestrømmen, du ændrer brydningsindekset. Vi synes også, at det er vigtigt, at vi kan skabe strukturerne i silicium. da silicium er vigtigt for solceller, billeddannelse, og integrerede optikapplikationer.

"Vores demonstration ved hjælp af en tredimensionel, litografisk defineret siliciumplatform viste ikke kun kraften i GRIN-optik, men det illustrerede det også i en lovende formfaktor og materiale til integration i fotoniske integrerede kredsløb, " sagde Neil Krueger, en tidligere ph.d.-studerende i Brauns forskningsgruppe og førsteforfatter til papiret, "Porøs silicium gradient brydningsindeks mikro-optik, " dukker op i Nano bogstaver .

"Den virkelige nyhed i vores arbejde er, at vi gør dette i et tredimensionelt optisk element, "tilføjede Krueger, der for nylig er kommet til Honeywell Aerospace som videnskabsmand i avanceret teknologi. "Dette giver ekstra kontrol over vores strukturers opførsel, da lyset følger krumlinjede optiske baner i optisk inhomogene medier såsom GRIN-elementer. Disse strukturers dobbeltbrydende natur er en ekstra bonus, fordi koblede dobbeltbrydende/GRIN-effekter giver mulighed for et GRIN-element at udføre distinkt, polarisationsselektive operationer. "

Ifølge forskerne, PSi blev oprindeligt undersøgt på grund af dets synlige luminescens ved stuetemperatur, men for nylig, som denne og andre rapporter har vist, har vist sig at være et alsidigt optisk materiale, da dens nanoskala porøsitet (og dermed brydningsindeks) kan moduleres under dens elektrokemiske fremstilling.

"Det smukke ved denne 3D-fremstillingsproces er, at den er hurtig og skalerbar, "kommenterede Weijun Zhou på Dow." Stor skala, nanostrukturerede GRIN -komponenter kan let laves for at muliggøre en række nye industriapplikationer, såsom avanceret billeddannelse, mikroskopi, og stråleformning."

"Fordi ætsningsprocessen muliggør modulering af brydningsindekset, denne tilgang gør det muligt at afkoble den optiske ydeevne og den fysiske form af det optiske element, " tilføjede Braun. "Således, for eksempel, en linse kan dannes uden at skulle tilpasse sig den form, vi tænker på for en linse, åbner op for nye muligheder i designet af integreret siliciumoptik."