提高計(jì)算機(jī)芯片數(shù)據(jù)路由能力！3D打印最小龍勃透鏡誕生

來(lái)源：江蘇激光聯(lián)盟

據(jù)悉，來(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)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(jiàn)波長(zhǎng)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(xiě)入(direct laser writing, DLW)是一種新興的亞微米級(jí)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(guò)多光子聚合過(guò)程在光刻膠中形成亞微米體素分辨率的光學(xué)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(xué)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(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在可以廣泛使用DLW，但DLW制造的微型光學(xué)器件仍然受光致抗蝕劑單一折射率的限制。此外，DLW工藝無(wú)法制造獨(dú)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(lái)自美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC)的研究人員通過(guò)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(guò)SCRIBE，研究人員展示了第一個(gè)3D梯度折射率(gradient refractive index, GRIN) 制造工藝，該工藝可實(shí)現(xiàn)亞微米級(jí)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(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)DLW以前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾何和GRIN配置。這項(xiàng)研究中提出的微透鏡包括在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)經(jīng)過(guò)色彩校正的雙合透鏡，級(jí)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(shí)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(qiáng)大的制造優(yōu)勢(shì)之一。這款Luneburg透鏡可聚焦可見(jiàn)波長(zhǎng)的光，是迄今為止我們所知的最小的球形Luneburg透鏡。

SCRIBE通過(guò)聚焦脈沖飛秒激光以在多孔介質(zhì)內(nèi)部局部聚合負(fù)性光致抗蝕劑來(lái)生成地下光學(xué)元件。通過(guò)控制寫(xiě)入過(guò)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(dá)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(tuán)隊(duì)制造了三個(gè)透鏡：平透鏡、世界上第一個(gè)可見(jiàn)光Luneburg透鏡（一種以前無(wú)法制造的具有獨(dú)特聚焦特性的球面透鏡）、可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)路由功能的3D波導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)透鏡具有單一的折射率，因此只有一個(gè)光可以通過(guò)透鏡傳播。通過(guò)在制造過(guò)程中控制內(nèi)部折射率和透鏡形狀，研究團(tuán)隊(duì)利用兩種獨(dú)立的方法將光彎曲到單個(gè)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(xué)元件

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

▲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(cè)量的干涉圖的xz平面截面。

▲在633 nm下模擬和測(cè)量的雙峰的聚焦行為

研究人員認(rèn)為，這種折射率控制是聚合物固化過(guò)程的結(jié)果。截留在孔中的聚合物的數(shù)量由激光強(qiáng)度和曝光條件控制。盡管聚合物本身的光學(xué)特性沒(méi)有改變，但材料的總折射率卻隨激光曝光而受到控制。團(tuán)隊(duì)成員表示，他們希望他們的方法將對(duì)復(fù)雜的光學(xué)組件和成像系統(tǒng)的制造產(chǎn)生重大影響，并將對(duì)推進(jìn)個(gè)人計(jì)算有用。這種發(fā)展的應(yīng)用的一個(gè)很好的例子將是它對(duì)個(gè)人計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊�。�?dāng)前的計(jì)算機(jī)使用電氣連接來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。但是，由于可以使用不同顏色的光來(lái)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(gè)主要的挑戰(zhàn)是只能制造傳統(tǒng)的波導(dǎo)在單個(gè)平面上，因此可以連接芯片上有限數(shù)量的點(diǎn)。通過(guò)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。