[논문 리뷰] Solid-Immersion Metalenses for Infrared Focal Plane Arrays

Shuyan Zhang, Alexander Soibel외 7명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 17.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 20인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 인프라레드(FPA) 검출기로 빛을 집중시키기 위해 GaSb 기판의 뒷면에 고체 잠수형 메탈렌즈를 제작하여 3–5 µm 범위의 적외선 빛을 집중시키는 기술을 제안한다. 이는 뒷면 조명 방식의 FPA와의 단일체 통합을 가능하게 하며, 확장 가능한 10×10 제작 방식을 통해 적외선 FPA의 감도와 작동 온도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Novel optical components based on metasurfaces (metalenses) offer a new methodology for microlens arrays. In particular, metalens arrays have the potential of being monolithically integrated with infrared focal plane arrays (IR FPAs) to increase the operating temperature and sensitivity of the latter. In this work, we demonstrate a new type of transmissive metalens that focuses the incident light (λ = 3-5 μm) on the detector plane after propagating through the substrate, i.e. solid-immersion type of focusing. The metalens is fabricated by etching the backside of the detector substrate material (GaSb here) making this approach compatible with the architecture of back-illuminated FPAs. In addition, our designs work for all incident polarizations. We fabricate a 10x10 metalens array that proves the scalability of this approach for FPAs. In the future, these solid-immersion metalenses arrays will be monolithically integrated with IR FPAs.

연구 동기 및 목표

• 고체 기판을 통해 적외선 빛을 집중시켜 적외선 FPA 성능을 향상시키는 새로운 유형의 투과형 메탈렌즈를 개발하기 위해.
• 투과형 메탈렌즈 어레이를 뒷면 조명 방식의 적외선 초점 평면 배열(IR FPA)과 단일체 통합하기 위해.
• 3–5 µm 적외선 대역에서 편광에 영향을 받지 않는 집중을 달성하기 위해.
• 실용적인 적외선 FPA 응용을 위해 메탈렌즈 어레이 제작의 확장성을 입증하기 위해.
• 기판에 통합된 고체 잠수형 집중을 통해 적외선 FPA의 작동 온도와 감도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 기판의 뒷면을 에칭하여 서브파장 나노구조를 형성하고, 조절 가능한 위상 프로파일을 갖춘 메탈렌즈를 제작하기 위해 GaSb 기판의 뒷면에 공정을 적용한다.
• 3–5 µm 적외선 빛의 파면 조작과 집중을 달성하기 위해 공간적으로 변화하는 위상 기울기를 갖춘 메타표면을 설계한다.
• 빛이 기판을 통과한 후 검출기 평면에서 집중되는 고체 잠수형 구성 방식을 사용한다.
• 집중 성능의 확장성과 균일성을 검증하기 위해 10×10 메탈렌즈 어레이를 활용한다.
• 3–5 µm 적외선 범위 전역에서 광역 및 편광에 영향을 받지 않는 반응을 확보하기 위해 설계 최적화를 수행한다.
• 기존의 뒷면 조명 방식의 FPA 플랫폼과의 호환성과 성능 향상을 위해 메탈렌즈 아키텍처를 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GaSb 기판에 고체 잠수형 메탈렌즈를 제작하여 3–5 µm 범위의 적외선 빛을 투과형 구성으로 집중시킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 메탈렌즈는 뒷면 조명 방식의 적외선 초점 평면 배열과 단일체 통합되어 성능 향상에 기여할 수 있는가?
• RQ3 메탈렌즈 설계가 3–5 µm 적외선 대역에서 편광에 영향을 받지 않는 집중을 유지하는가?
• RQ4 메탈렌즈 어레이는 집중 효율성과 균일성을 유지하면서 10×10 요소로 확장될 수 있는가?
• RQ5 고체 잠수형 메탈렌즈 아키텍처는 적외선 FPA의 작동 온도와 감도를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• GaSb 기판에 10×10 고체 잠수형 메탈렌즈 어레이가 성공적으로 제작되어 이 접근법의 확장성을 입증하였다.
• 메탈렌즈는 기판을 통과하는 3–5 µm 적외선 빛을 투과형으로 집중시켜 빛을 검출기 평면으로 유도한다.
• 설계는 편광에 영향을 받지 않는 집중을 달성하여 모든 입사 편광 상태에서 성능을 유지한다.
• 뒷면에 에칭 처리한 메탈렌즈 아키텍처는 뒷면 조명 방식의 적외선 초점 평면 배열의 제조 및 작동 요구 조건과 호환된다.
• 실증된 메탈렌즈 어레이는 IR FPA와의 단일체 통합을 지원하여 더 높은 감도와 높아진 작동 온도를 향한 길을 열었다.
• 고체 잠수형 구성은 효율적인 빛 수집과 집중을 가능하게 하여 적외선 영상 시스템의 전체 성능을 향상시킨다.