[論文レビュー] Broadband polarization-independent low-crosstalk metasurface lens array-based mid wave infrared focal plane arrays

Aytekin Özdemir, Nazmi Yılmaz+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、中赤外域（MWIR）焦点面アレイ（FPAs）向けに、広帯域で偏光に依存せず、すべてが誘電体のメタサーフェスレンズアレイを提案する。これにより、高い集光効率（85％以上）と低い光学クロストーク（2.8％未満）を達成した。波長未満の誘電体ナノ構造を設計することで、コンactで高分解能なFPAsを実現し、性能指標（FoM）が91に達した。これは、これまでのあらゆるMWIR FPA設計を上回り、信号対雑音比と感度を向上させる。

ABSTRACT

The miniaturization of pixel is essential for achieving high-resolution, planar, compact-size focal plane arrays (FPAs); however, the resulted increase in the optical crosstalk between adjacent pixels leads to serious drawback and trade-off. In the current work, we design and propose an efficient broadband polarization-insensitive all-dielectric metasurface lens array-based focal plane arrays (FPA) operating in the mid-wave infrared (MWIR). High focusing efficiency over 0.85 with superior optical crosstalk performance is achieved. We demonstrated that optical crosstalk can be reduced to low levels below 2.8% with high efficiency. For the device performance, a similar figure-of-merit (FoM) from the previous reports was used and our device achieved FoM of 91 which outperformed all other types MWIR FPAs designed so far. Proposed metasurface lens arrays demonstrate great potential for increasing the signal to noise ratio and sensitivity thus paving the way for compact-size, high-resolution FPAs.

研究の動機と目的

• 高分解能中赤外域（MWIR）焦点面アレイ（FPAs）におけるピクセルの微小化と光学クロストークのトレードオフを克服すること。
• 広帯域の赤外帯域で高い集光効率を維持しながらクロストークを最小限に抑える、平面的でコンパクトなFPA設計を開発すること。
• 誘電体メタサーフェスを用いたMWIR FPAで偏光に依存しない動作と広帯域動作を達成すること。
• 既存の設計を上回る性能指標（FoM）をMWIR FPAで達成し、感度と信号対雑音比を向上させること。

提案手法

• 中赤外波の位相と振幅を制御するために、すべてが誘電体の波長未満のナノ構造を用いたメタサーフェスレンズアレイを設計する。
• 非周期的で幾何的に設計されたナノフィンアレイを用いて、広帯域で偏光に依存しない波面制御を実現する。
• SiO2/Siなどの構造の幾何形状と屈折率対比を最適化することで、MWIR帯域全域で85％以上の高い集光効率を達成する。
• フル波動電磁界シミュレーションを用いて、クロストークや集光効率を含む光学的応答をモデル化・検証する。
• 集光効率とクロストークに基づいた性能指標（FoM）を定義し、先行研究と比較して性能をベンチマーク化する。
• 数値シミュレーションによる検証を通じて、MWIRスペクトル全域で低クロストーク（2.8％未満）と高い効率を示すことを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メタサーフェスレンズアレイは、中赤外帯域で85％以上の高い集光効率を維持しながら、2.8％未満の低い光学クロストークを達成できるか？
• RQ2 誘電体メタサーフェスレンズアレイにおいて、MWIR用途で偏光に依存しない動作をどのように達成できるか？
• RQ3 広帯域で偏光に依存しないMWIR FPAの最大性能指標（FoM）はどの程度であり、既存の設計を上回れるか？
• RQ4 波長未満の誘電体ナノ構造は、最小限のクロストークでコンパクトで平面的かつ高分解能なFPAアーキテクチャを実現できるか？

主な発見

• メタサーフェスレンズアレイは、中赤外帯域全域で85％を超える集光効率を達成した。
• 光学クロストークは2.8％未満にまで低減され、高密度FPAsにおけるピクセル間干渉を顕著に低減した。
• 装置は性能指標（FoM）が91に達し、これまでに報告されたMWIR焦点面アレイで最高の値を記録した。
• 設計は偏光に依存せず、任意の入射偏光状態でも安定した性能を発揮する。
• 広帯域動作はMWIRスペクトル全体にわたり維持され、高分解能イメージング用途に適している。
• すべてが誘電体のアプローチにより、低吸収と高い熱安定性を実現し、実用的なMWIRイメージングシステムに適している。