コンピュータチップのデータルーティング機能の向上! 3Dプリントされた最小のリューネブルグレンズが誕生

コンピュータチップのデータルーティング機能の向上! 3Dプリントされた最小のリューネブルグレンズが誕生
出典: 江蘇レーザー連盟

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校(UIUC)の研究者らは、可視光の波長を集光できる、これまでに知られている球面型リューネブルグレンズの中で最も小さいリューネブルグレンズを実証した。研究結果は2020年12月3日に発表されました。

多光子直接レーザー書き込み (DLW) は、小型の 3 次元 (3D) フォトニック デバイスを製造するための新しいサブミクロン規模の積層造形技術です。 DLW では、フェムト秒パルスレーザーが多光子重合プロセスを通じてフォトレジスト内にサブミクロンのボクセル解像度を持つ光学部品を形成します。 DLW は現在、レンズ、ミラー、導波路、フォトニック結晶、位相マスク、その他の関連光学部品の形成、およびビーム成形、イメージング、フォトニック統合に使用されています。 DLW は現在、計測機器とフォトレジスト化学の進歩により広く利用可能になっていますが、DLW で製造されたマイクロオプティクスは、依然としてフォトレジストの単一の屈折率によって制限されています。さらに、DLW プロセスでは自立型コンポーネントを製造できないため、複合レンズや複雑な導波路フォトニック ネットワークの形成が制限されます。

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校 (UIUC) の研究者らは、DLW でレンダリングできるデバイスの範囲を変える可能性のあるフォトリソグラフィー法である、ビーム露光による表面下制御可能な屈折率 (SCRIBE) を導入しました。研究者らは、SCRIBE を使用して、サブマイクロメートルの空間および屈折率解像度を実現する初の 3D 勾配屈折率 (GRIN) 製造プロセスを実証しました。 SCRIBE リソグラフィのパラメトリックな汎用性により、従来の DLW では実現できなかった形状と GRIN 構成が可能になります。この研究で提案されているマイクロレンズには、可視波長範囲で色補正されたダブレットレンズ、カスケード型フォトニックナノジェットジェネレーター、球面屈折率プロファイルと形状を備えた 3D リューネブルグレンズが含まれます。

直径 15 μm の球面 Luneburg GRIN レンズは、3D 空間で形状と屈折率を同時に制御できるという、SCRIBE の最も強力な製造上の利点の 1 つです。このリューネベルグレンズは可視光の波長を集光することができ、現在知られている中で最も小さい球面リューネベルグレンズです。
SCRIBE は、パルスフェムト秒レーザーを集束させて多孔質媒体内のネガ型フォトレジストを局所的に重合することにより、表面下の光学素子を生成します。書き込みプロセス中にレーザー露光を制御することで、メソポーラススキャフォールド内の重合フォトレジストの充填率を調整することができ、その結果、633 nm 光で 1.28 (充填されていないスキャフォールドの屈折率) から 1.85 まで、これまでにない調整可能な屈折率範囲が実現します。

チームはデモンストレーションとして、平面レンズ、世界初の可視光ルーネベルグレンズ(これまでは作れなかった独特の集光特性を持つ球面レンズ)、大規模なデータルーティング機能を可能にする3D導波路の3つのレンズを製作しました。標準レンズは屈折率が 1 つしかないため、レンズを通過できる光線は 1 本だけです。研究チームは、製造工程中に内部の屈折率とレンズの形状を制御することで、2つの独立した方法を使用して単一のレンズ内で光を曲げました。
▲a. SCRIBE を使用して PSi 内部に印刷された球面リューネブルグレンズの形成。 b SCRIBE を使用して多孔質スキャフォールド内に印刷された 4 種類のマイクロ光学素子を示す概略図 ▲c. 青色 PSi DBR 内に印刷されたイリノイ大学のスタンプ 3 個の光学画像。印刷レーザーの露出は左から右に向かって増加しています。書き込み露出が増加すると、ストップバンドでより大きな赤方偏移が観察されます。 d. 5 mm × 7 mm の青色 PSi DBR にイリノイ大学の「I」のロゴが印刷された、表面下のフレネル複プリズムによって生成される干渉パターンの概略図。 b 有効屈折率 1.82 のフレネル複プリズムによって生成された 633 nm での干渉パターンのシミュレーションと測定の xz 平面断面。 ▲ 633 nm でのシミュレーションおよび測定された二重ピークの集束動作 研究者は、この屈折率制御はポリマー硬化プロセスの結果であると考えています。細孔内に閉じ込められるポリマーの量は、レーザーの強度と照射条件によって制御されます。ポリマー自体の光学特性は変化しませんが、材料全体の屈折率はレーザー照射に応じて制御されます。チームメンバーは、このアプローチが複雑な光学部品や画像システムの製造に大きな影響を与え、パーソナルコンピューティングの進歩に役立つことを期待していると述べている。この開発の応用の良い例としては、パーソナル コンピュータ内のデータ転送への影響が挙げられます。現在のコンピューターは電気接続を使用してデータを転送します。ただし、異なる色の光を使用してデータを並行して送信できるため、光導波路を使用すると、はるかに高速でデータを送信できます。大きな課題は、従来の導波管は単一の平面でしか製造できないため、チップ上の接続できるポイントの数が限られていることです。 3 次元導波管を作成することで、データ ルーティング、伝送速度、エネルギー効率を大幅に向上できます。

レンズ、コンピュータ、データ

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