提高计算机芯片数据路由能力！3D打印最小龙勃透镜诞生

来源：江苏激光联盟

据悉，来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Ilzhlinois at Urbana-Champaign, UIUC)的研究人员展示了Luneburg透镜，可聚焦可见波长的光，是迄今为止我们所知的最小的球形Luneburg透镜。该研究成果2020年12月3日发表在上。

多光子直接激光写入(direct laser writing, DLW)是一种新兴的亚微米级增材制造技术，用于制造微型三维(3D)光子器件。在DLW中，飞秒脉冲激光通过多光子聚合过程在光刻胶中形成亚微米体素分辨率的光学组件。DLW现已用于形成透镜、反射镜、波导、光子晶体、相位掩膜以及其他相关的光学元件，以及用于光束整形、成像和光子集成。由于仪器和光致抗蚀剂化学的发展，现在可以广泛使用DLW，但DLW制造的微型光学器件仍然受光致抗蚀剂单一折射率的限制。此外，DLW工艺无法制造独立式元件，从而限制了复合透镜和复杂的波导光子网络的形成。

来自美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校(University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC)的研究人员通过光束曝光(SCRIBE)方法介绍了表面下可控的折射率，这是一种光刻方法，可以改变可以用DLW渲染的设备的范围。通过SCRIBE，研究人员展示了第一个3D梯度折射率(gradient refractive index, GRIN) 制造工艺，该工艺可实现亚微米级的空间和折射率分辨率。SCRIBE光刻技术的参数多功能性实现了传统DLW以前无法实现的几何和GRIN配置。这项研究中提出的微透镜包括在可见波长范围内经过色彩校正的双合透镜，级联的光子纳米射流发生器以及具有球形折射率分布和几何形状的3D Luneburg透镜。

直径15 μm的球型Luneburg GRIN透镜在同时控制3D空间中的几何形状和折射率的能力方面展示了SCRIBE最强大的制造优势之一。这款Luneburg透镜可聚焦可见波长的光，是迄今为止我们所知的最小的球形Luneburg透镜。

SCRIBE通过聚焦脉冲飞秒激光以在多孔介质内部局部聚合负性光致抗蚀剂来生成地下光学元件。通过控制写入过程中的激光曝光，可调节介孔支架内聚合光致抗蚀剂的填充率，从而使633 nm的光达到 1.28（未填充支架的折射率）至1.85的前所未有的可调折射率范围。

作为演示，该团队制造了三个透镜：平透镜、世界上第一个可见光Luneburg透镜（一种以前无法制造的具有独特聚焦特性的球面透镜）、可以实现大规模数据路由功能的3D波导。标准透镜具有单一的折射率，因此只有一个光可以通过透镜传播。通过在制造过程中控制内部折射率和透镜形状，研究团队利用两种独立的方法将光弯曲到单个透镜内部。

▲a. 用SCRIBE在PSi内部印刷的球型Luneburg镜片的形成。b示意图显示了使用SCRIBE在多孔支架内印刷的四类微光学元件

▲c. 在蓝色PSi DBR内打印的三个伊利诺伊大学印章的光学图像，并且打印激光的曝光从左到右增加。随着书写曝光的增加，在阻带中观察到更大的红移。d. 在蓝色PSi DBR上印有5 mm × 7 mm的伊利诺伊大学“ I”徽标

▲亚表面菲涅耳双棱镜产生的干涉图的示意图。b由有效折射率为1.82的菲涅耳双棱镜产生的在633 nm处模拟和测量的干涉图的xz平面截面。

▲在633 nm下模拟和测量的双峰的聚焦行为

研究人员认为，这种折射率控制是聚合物固化过程的结果。截留在孔中的聚合物的数量由激光强度和曝光条件控制。尽管聚合物本身的光学特性没有改变，但材料的总折射率却随激光曝光而受到控制。团队成员表示，他们希望他们的方法将对复杂的光学组件和成像系统的制造产生重大影响，并将对推进个人计算有用。这种发展的应用的一个很好的例子将是它对个人计算机内数据传输的影响。当前的计算机使用电气连接来传输数据。但是，由于可以使用不同颜色的光来并行发送数据，因此可以使用光波导以更高的速率发送数据。一个主要的挑战是只能制造传统的波导在单个平面上，因此可以连接芯片上有限数量的点。通过创建三维波导，我们可以显着改善数据路由，传输速度和能源效率。