Una collaborazione di ricerca multi-istituzionale ha creato un nuovo approccio per la fabbricazione di micro-ottiche tridimensionali attraverso la formazione definita dalla forma di silicio poroso (PSi), con ampi impatti nell'optoelettronica integrata, immagini, e fotovoltaico.

Lavorando con i colleghi di Stanford e The Dow Chemical Company, i ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno fabbricato micro-ottica con indice di rifrazione del gradiente birifrangente (GRIN) 3D mediante incisione elettrochimica di microstrutture di silicio preformate, come colonne quadrate, Strutture PSi con profili di indice di rifrazione definiti.

"L'emergere e la crescita dell'ottica di trasformazione nell'ultimo decennio ha rivitalizzato l'interesse nell'uso dell'ottica GRIN per controllare la propagazione della luce, " ha spiegato Paul Braun, l'Ivan Racheff Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali all'Illinois. "In questo lavoro, abbiamo capito come accoppiare la forma iniziale della microstruttura di silicio e le condizioni di attacco per realizzare un insieme unico di qualità ottiche desiderabili. Per esempio, questi elementi mostrano nuove funzioni ottiche dipendenti dalla polarizzazione, compresa la scissione e la messa a fuoco, espandere l'uso del silicio poroso per un'ampia gamma di applicazioni fotoniche integrate.

"La chiave è che le proprietà ottiche sono una funzione della corrente di incisione, " disse Braun. "Se cambi la corrente di incisione, si cambia l'indice di rifrazione. Riteniamo inoltre importante il fatto di poter creare le strutture in silicio, poiché il silicio è importante per il fotovoltaico, immagini, e applicazioni ottiche integrate.

"La nostra dimostrazione utilizzando un tridimensionale, la piattaforma in silicio litograficamente definita non solo mostrava la potenza dell'ottica GRIN, ma lo ha anche illustrato in un fattore di forma promettente e materiale per l'integrazione all'interno di circuiti integrati fotonici, " ha dichiarato Neil Krueger, un ex studente di dottorato nel gruppo di ricerca di Braun e primo autore dell'articolo, "Micro-ottica con indice di rifrazione a gradiente di silicio poroso, " che appare in Nano lettere .

"La vera novità del nostro lavoro è che lo stiamo facendo in un elemento ottico tridimensionale, "aggiunse Krueger, che è recentemente entrato a far parte di Honeywell Aerospace come scienziato in tecnologia avanzata. "Questo dà un ulteriore controllo sul comportamento delle nostre strutture dato che la luce segue percorsi ottici curvilinei in mezzi otticamente disomogenei come gli elementi GRIN. La natura birifrangente di queste strutture è un ulteriore vantaggio perché gli effetti accoppiati birifrangente/GRIN forniscono un'opportunità per un elemento GRIN per eseguire distinti, operazioni selettive di polarizzazione."

Secondo i ricercatori, PSi è stato inizialmente studiato per la sua luminescenza visibile a temperatura ambiente, ma più recentemente, come questo e altri rapporti hanno dimostrato, ha dimostrato di essere un materiale ottico versatile, poiché la sua porosità su nanoscala (e quindi l'indice di rifrazione) può essere modulata durante la sua fabbricazione elettrochimica.

"La bellezza di questo processo di fabbricazione 3D è che è veloce e scalabile, " ha commentato Weijun Zhou a Dow. "Grande scala, componenti GRIN nanostrutturati possono essere facilmente realizzati per consentire una varietà di nuove applicazioni industriali come l'imaging avanzato, microscopia, e sagomatura del fascio."

"Poiché il processo di incisione consente la modulazione dell'indice di rifrazione, questo approccio consente di disaccoppiare le prestazioni ottiche e la forma fisica dell'elemento ottico, " aggiunse Braun. "Così, Per esempio, una lente può essere formata senza doversi conformare alla forma che pensiamo per una lente, aprendo nuove opportunità nella progettazione di ottiche al silicio integrate."