提高計算機芯片數(shù)據(jù)路由能力！3D打印最小龍勃透鏡誕生

來源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來自美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Ilzhlinois at Urbana-Champaign, UIUC)的研究人員展示了Luneburg透鏡，可聚焦可見波長的光，是迄今為止我們所知的最小的球形Luneburg透鏡。該研究成果2020年12月3日發(fā)表在上。

多光子直接激光寫入(direct laser writing, DLW)是一種新興的亞微米級增材制造技術(shù)，用于制造微型三維(3D)光子器件。在DLW中，飛秒脈沖激光通過多光子聚合過程在光刻膠中形成亞微米體素分辨率的光學組件。DLW現(xiàn)已用于形成透鏡、反射鏡、波導(dǎo)、光子晶體、相位掩膜以及其他相關(guān)的光學元件，以及用于光束整形、成像和光子集成。由于儀器和光致抗蝕劑化學的發(fā)展，現(xiàn)在可以廣泛使用DLW，但DLW制造的微型光學器件仍然受光致抗蝕劑單一折射率的限制。此外，DLW工藝無法制造獨立式元件，從而限制了復(fù)合透鏡和復(fù)雜的波導(dǎo)光子網(wǎng)絡(luò)的形成。

來自美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC)的研究人員通過光束曝光(SCRIBE)方法介紹了表面下可控的折射率，這是一種光刻方法，可以改變可以用DLW渲染的設(shè)備的范圍。通過SCRIBE，研究人員展示了第一個3D梯度折射率(gradient refractive index, GRIN) 制造工藝，該工藝可實現(xiàn)亞微米級的空間和折射率分辨率。SCRIBE光刻技術(shù)的參數(shù)多功能性實現(xiàn)了傳統(tǒng)DLW以前無法實現(xiàn)的幾何和GRIN配置。這項研究中提出的微透鏡包括在可見波長范圍內(nèi)經(jīng)過色彩校正的雙合透鏡，級聯(lián)的光子納米射流發(fā)生器以及具有球形折射率分布和幾何形狀的3D Luneburg透鏡。

直徑15 μm的球型Luneburg GRIN透鏡在同時控制3D空間中的幾何形狀和折射率的能力方面展示了SCRIBE最強大的制造優(yōu)勢之一。這款Luneburg透鏡可聚焦可見波長的光，是迄今為止我們所知的最小的球形Luneburg透鏡。

SCRIBE通過聚焦脈沖飛秒激光以在多孔介質(zhì)內(nèi)部局部聚合負性光致抗蝕劑來生成地下光學元件。通過控制寫入過程中的激光曝光，可調(diào)節(jié)介孔支架內(nèi)聚合光致抗蝕劑的填充率，從而使633 nm的光達到 1.28（未填充支架的折射率）至1.85的前所未有的可調(diào)折射率范圍。

作為演示，該團隊制造了三個透鏡：平透鏡、世界上第一個可見光Luneburg透鏡（一種以前無法制造的具有獨特聚焦特性的球面透鏡）、可以實現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)路由功能的3D波導(dǎo)。標準透鏡具有單一的折射率，因此只有一個光可以通過透鏡傳播。通過在制造過程中控制內(nèi)部折射率和透鏡形狀，研究團隊利用兩種獨立的方法將光彎曲到單個透鏡內(nèi)部。

▲a. 用SCRIBE在PSi內(nèi)部印刷的球型Luneburg鏡片的形成。b示意圖顯示了使用SCRIBE在多孔支架內(nèi)印刷的四類微光學元件

▲c. 在藍色PSi DBR內(nèi)打印的三個伊利諾伊大學印章的光學圖像，并且打印激光的曝光從左到右增加。隨著書寫曝光的增加，在阻帶中觀察到更大的紅移。d. 在藍色PSi DBR上印有5 mm × 7 mm的伊利諾伊大學“ I”徽標

▲亞表面菲涅耳雙棱鏡產(chǎn)生的干涉圖的示意圖。b由有效折射率為1.82的菲涅耳雙棱鏡產(chǎn)生的在633 nm處模擬和測量的干涉圖的xz平面截面。

▲在633 nm下模擬和測量的雙峰的聚焦行為

研究人員認為，這種折射率控制是聚合物固化過程的結(jié)果。截留在孔中的聚合物的數(shù)量由激光強度和曝光條件控制。盡管聚合物本身的光學特性沒有改變，但材料的總折射率卻隨激光曝光而受到控制。團隊成員表示，他們希望他們的方法將對復(fù)雜的光學組件和成像系統(tǒng)的制造產(chǎn)生重大影響，并將對推進個人計算有用。這種發(fā)展的應(yīng)用的一個很好的例子將是它對個人計算機內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊�。當前的計算機使用電氣連接來傳輸數(shù)據(jù)。但是，由于可以使用不同顏色的光來并行發(fā)送數(shù)據(jù)，因此可以使用光波導(dǎo)以更高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)。一個主要的挑戰(zhàn)是只能制造傳統(tǒng)的波導(dǎo)在單個平面上，因此可以連接芯片上有限數(shù)量的點。通過創(chuàng)建三維波導(dǎo)，我們可以顯著改善數(shù)據(jù)路由，傳輸速度和能源效率。