[논문 리뷰] Broadband polarization-independent low-crosstalk metasurface lens array-based mid wave infrared focal plane arrays

Aytekin Özdemir, Nazmi Yılmaz외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 15.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 중간파장 적외선(MWIR) 초점 평면 배열(FPAs)을 위한 광역, 편광에 민감하지 않은 전도체 메타표면 렌즈 어레이를 제안하며, 높은 집중 효율(85% 이상)과 낮은 광학적 교차 간섭(2.8% 이하)을 달성한다. 마이크로파장의 도핑을 통해 하위파장의 유전체 나노구조를 설계함으로써, 소형이고 고해상도의 FPA를 실현하며, 성능 지표(FoM)가 91에 이를 정도로 이전의 모든 MWIR FPA 설계를 뛰어넘는다. 이는 신호 대 잡음비와 감도를 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 중간파장 적외선(MWIR) 초점 평면 배열(FPAs)에서 픽셀의 미니어처라이제이션과 광학적 교차 간섭 사이의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 광역적 인프라레드 대역폭에서 높은 집중 효율을 유지하면서 교차 간섭을 최소화하는 평판형, 소형 FPA 설계를 개발하기 위해.
• 유전체 메타표면 기반의 MWIR FPAs에서 편광 독립성과 광역 작동을 달성하기 위해.
• 기존 설계를 뛰어넘는 성능 지표(FoM)를 향상시켜 감도와 신호 대 잡음비를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 중간적외선 파장의 위상과 진폭을 제어하기 위해 전도체 기반의 하위파장 나노구조를 사용한 메타표면 렌즈 어레이 설계를 수행한다.
• 비정규적이고 기하학적으로 설계된 나노핀 어레이를 활용하여 광역, 편광에 민감하지 않은 파면 조작을 실현한다.
• 유전체 구조의 기하학적 형상과 굴절률 대비 비율(예: SiO2/Si)을 최적화하여 MWIR 대역 전체에서 높은 집중 효율(85% 이상)을 달성한다.
• 전파장 전자기 시뮬레이션을 통해 집중 효율과 교차 간섭을 포함한 광학적 반응을 모델링하고 검증한다.
• 집중 효율과 교차 간섭을 기반으로 한 성능 지표(FoM)를 정의하여 이전 연구들과의 성능 비교 기준을 마련한다.
• 수치적 시뮬레이션을 통해 MWIR 스펙트럼 전역에서 낮은 교차 간섭(2.8% 이하)과 높은 효율을 보여주는 설계의 유효성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 메타표면 렌즈 어레이는 중간파장 적외선 대역에서 높은 집중 효율(85% 이상)을 달성하면서도 낮은 광학적 교차 간섭(2.8% 이하)을 유지할 수 있는가?
• RQ2 유전체 메타표면 렌즈 어레이는 MWIR 응용 분야에서 어떻게 편광 독립성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 광역, 편광에 민감하지 않은 MWIR FPA의 최대 성능 지표(FoM)는 얼마이며, 기존 설계를 뛰어넘을 수 있는가?
• RQ4 하위파장의 유전체 나노구조는 최소한의 교차 간섭을 갖는 소형, 평판형, 고해상도 FPA 아키텍처를 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 메타표면 렌즈 어레이는 중간파장 적외선 대역 전체에서 집중 효율이 85%를 초과한다.
• 광학적 교차 간섭이 2.8% 이하로 감소하여 고밀도 FPAs에서의 픽셀 간 간섭을 크게 줄였다.
• 장치는 성능 지표(FoM)가 91에 이르며, 현재까지 보고된 바 중에서 MWIR 초점 평면 배열에서 가장 높은 수준이다.
• 설계는 편광 독립적이며, 임의의 입사 편광 상태에서도 안정적인 성능을 보인다.
• 광역 작동은 전체 MWIR 스펙트럼 범위에서 유지되어 고해상도 영상 촬영 응용에 적합하다.
• 전체 유전체 방식은 낮은 흡수와 높은 열안정성을 보여 실용적인 MWIR 영상 시스템에 적합하다.