Ett multiinstitutionellt forskningssamarbete har skapat ett nytt tillvägagångssätt för att tillverka tredimensionell mikrooptik genom formdefinierad bildning av poröst kisel (PSi), med breda effekter inom integrerad optoelektronik, bildbehandling, och solceller.

Arbetar med kollegor på Stanford och The Dow Chemical Company, forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign tillverkade 3-D dubbelbrytande gradientbrytningsindex (GRIN) mikrooptik genom att elektrokemiskt etsa förformade Si-mikrostrukturer, som fyrkantiga kolumner, PSi-strukturer med definierade brytningsindexprofiler.

"Uppkomsten och tillväxten av transformationsoptik under det senaste decenniet har återupplivat intresset för att använda GRIN-optik för att kontrollera ljusutbredning, " förklarade Paul Braun, Ivan Racheff professor i materialvetenskap och teknik vid Illinois. "I det här arbetet, vi har listat ut hur man kopplar startformen för kiselmikrostrukturen och etsningsförhållandena för att realisera en unik uppsättning önskvärda optiska egenskaper. Till exempel, dessa element uppvisar nya polarisationsberoende optiska funktioner, inklusive splittring och fokusering, utöka användningen av poröst kisel för ett brett utbud av integrerade fotonikapplikationer.

"Nyckeln är att de optiska egenskaperna är en funktion av etsströmmen, " sa Braun. "Om du ändrar etsströmmen, du ändrar brytningsindex. Vi tycker också att det faktum att vi kan skapa strukturerna i kisel är viktigt, eftersom kisel är viktigt för solceller, bildbehandling, och integrerade optikapplikationer.

"Vår demonstration med en tredimensionell, litografiskt definierad kiselplattform visade inte bara kraften hos GRIN-optik, men det illustrerade det också i en lovande formfaktor och material för integration inom fotoniska integrerade kretsar, " sa Neil Krueger, en före detta doktorand i Brauns forskargrupp och första författare till artikeln, "Mikrooptik för porös kiselgradientbrytningsindex, " dyker upp i Nanobokstäver .

"Den verkliga nyheten med vårt arbete är att vi gör detta i ett tredimensionellt optiskt element, " tillade Krueger, som nyligen anslöt sig till Honeywell Aerospace som forskare inom avancerad teknologi. "Detta ger extra kontroll över beteendet hos våra strukturer givet att ljus följer kurvlinjära optiska banor i optiskt inhomogena medier som GRIN-element. Den dubbelbrytande naturen hos dessa strukturer är en extra bonus eftersom kopplade dubbelbrytande/GRIN-effekter ger en möjlighet för ett GRIN-element att utföra distinkt, polarisationsselektiva operationer."

Enligt forskarna, PSi studerades initialt på grund av dess synliga luminescens vid rumstemperatur, men på senare tid, som denna och andra rapporter har visat, har visat sig vara ett mångsidigt optiskt material, eftersom dess porositet i nanoskala (och därmed brytningsindex) kan moduleras under dess elektrokemiska tillverkning.

"Det fina med denna 3D-tillverkningsprocess är att den är snabb och skalbar, " kommenterade Weijun Zhou på Dow. "Stor skala, nanostrukturerade GRIN-komponenter kan lätt tillverkas för att möjliggöra en mängd nya industriapplikationer som avancerad bildbehandling, mikroskopi, och balkformning."

"Eftersom etsningsprocessen möjliggör modulering av brytningsindex, detta tillvägagångssätt gör det möjligt att frikoppla den optiska prestandan och den fysiska formen av det optiska elementet, Braun tillade. till exempel, en lins kan formas utan att behöva anpassa sig till formen som vi tänker på för en lins, öppnar upp för nya möjligheter i designen av integrerad kiseloptik."