Een multi-institutionele onderzoekssamenwerking heeft een nieuwe benadering gecreëerd voor het fabriceren van driedimensionale micro-optica door de vormgedefinieerde vorming van poreus silicium (PSi), met brede effecten in geïntegreerde opto-elektronica, in beeld brengen, en fotovoltaïsche.

Samenwerken met collega's bij Stanford en The Dow Chemical Company, onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign vervaardigden 3-D dubbelbrekende gradiëntbrekingsindex (GRIN) micro-optica door elektrochemisch voorgevormde Si-microstructuren te etsen, zoals vierkante kolommen, PSi-structuren met gedefinieerde brekingsindexprofielen.

"De opkomst en groei van transformatie-optica in het afgelopen decennium heeft de interesse in het gebruik van GRIN-optica om lichtvoortplanting te beheersen, nieuw leven ingeblazen, " legde Paul Braun uit, de Ivan Racheff hoogleraar Materials Science and Engineering in Illinois. "In dit werk, we hebben ontdekt hoe we de startvorm van de siliciummicrostructuur en de etscondities kunnen koppelen om een ​​unieke set van wenselijke optische eigenschappen te realiseren. Bijvoorbeeld, deze elementen vertonen nieuwe polarisatie-afhankelijke optische functies, inclusief splitsen en scherpstellen, uitbreiding van het gebruik van poreus silicium voor een breed scala aan geïntegreerde fotonica-toepassingen.

"De sleutel is dat de optische eigenschappen een functie zijn van de etsstroom, ' zei Braun. 'Als je de etsstroom verandert, je verandert de brekingsindex. We denken ook dat het belangrijk is dat we de structuren in silicium kunnen maken, aangezien silicium belangrijk is voor fotovoltaïsche, in beeld brengen, en geïntegreerde optische toepassingen.

"Onze demonstratie met een driedimensionale, lithografisch gedefinieerd siliciumplatform toonde niet alleen de kracht van GRIN-optiek, maar het illustreerde het ook in een veelbelovende vormfactor en materiaal voor integratie in fotonische geïntegreerde schakelingen, " verklaarde Neil Krueger, een voormalig promovendus in de onderzoeksgroep van Braun en eerste auteur van het artikel, "Poreus siliciumgradiënt brekingsindex micro-optica, " verschijnen in Nano-letters .

"De echte nieuwigheid van ons werk is dat we dit doen in een driedimensionaal optisch element, " voegde Krüger eraan toe, die onlangs bij Honeywell Aerospace is gekomen als wetenschapper in geavanceerde technologie. "Dit geeft extra controle over het gedrag van onze structuren, aangezien licht kromlijnige optische paden volgt in optisch inhomogene media zoals GRIN-elementen. Het dubbelbrekende karakter van deze structuren is een extra bonus omdat gekoppelde dubbelbrekende/GRIN-effecten een mogelijkheid bieden voor een GRIN-element onderscheidend presteren, polarisatie-selectieve operaties."

Volgens de onderzoekers is PSi werd aanvankelijk bestudeerd vanwege de zichtbare luminescentie bij kamertemperatuur, maar meer recentelijk zoals deze en andere rapporten hebben aangetoond, heeft bewezen een veelzijdig optisch materiaal te zijn, omdat de porositeit op nanoschaal (en dus de brekingsindex) kan worden gemoduleerd tijdens de elektrochemische fabricage.

"Het mooie van dit 3D-fabricageproces is dat het snel en schaalbaar is, " becommentarieerde Weijun Zhou bij Dow. "Grootschalig, nanogestructureerde GRIN-componenten kunnen gemakkelijk worden gemaakt om een ​​verscheidenheid aan nieuwe industriële toepassingen mogelijk te maken, zoals geavanceerde beeldvorming, microscopie, en straalvorming."

"Omdat het etsproces modulatie van de brekingsindex mogelijk maakt, deze benadering maakt het mogelijk om de optische prestaties en de fysieke vorm van het optische element te ontkoppelen, " voegde Braun eraan toe. "Dus, bijvoorbeeld, een lens kan worden gevormd zonder zich te hoeven aanpassen aan de vorm die we voor een lens bedenken, het openen van nieuwe kansen in het ontwerp van geïntegreerde siliciumoptiek."