[論文レビュー] Solid-Immersion Metalenses for Infrared Focal Plane Arrays

Shuyan Zhang, Alexander Soibel+7 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、赤外線（3–5 µm）を赤外線焦点面配列（IR FPA）検出器に集光するため、GaSb基板の裏面に作製された固体浸漬けメタレンズを提案する。これにより、裏面照射型FPAとモノリシック統合が可能となり、IR FPAの感度と動作温度が向上する。メタレンズアレイは、スケーラブルな10×10プロセスを備え、偏光に依存しない透過型集光を実現し、IR FPAの性能を向上させる。

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.

研究の動機と目的

• 赤外線を固体基板を通過させる透過型メタレンズを新たに開発し、IR FPAの性能を向上させること。
• メタレンズアレイを裏面照射型赤外線焦点面配列（IR FPA）とモノリシック統合可能とする。
• 3–5 µmの赤外帯域において偏光に依存しない集光を実現すること。
• 実用的なIR FPA用途に向けたメタレンズアレイのプロセススケーラビリティを実証すること。
• 基板統合型固体浸漬け集光構造を用いて、IR FPAの動作温度と感度を向上させること。

提案手法

• 基板の裏面にエッチングを施し、所定の位相プロファイルを持つ波長未満のナノ構造を形成することで、メタレンズをプロセスする。
• 空間的に変化する位相勾配を持つメタサーフェスを設計し、3–5 µmの赤外光の波front制御および集光を実現する。
• 光が基板を通過した後に検出器面に集光する、固体浸漬け構成を採用する。
• スケーラビリティと集光性能の一様性を検証するため、10×10メタレンズアレイを用いる。
• 3–5 µmの赤外帯域において、広帯域かつ偏光に依存しない応答を実現するための設計最適化を実施する。
• 既存の裏面照射型FPAプラットフォームとの適合性と性能向上を図るため、メタレンズアーキテクチャを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3–5 µmの赤外光を集光できる、GaSb基板上に固体浸漬けメタレンズを透過型構成で作製可能か？
• RQ2 このようなメタレンズを裏面照射型赤外線焦点面配列とモノリシック統合し、性能向上が可能か？
• RQ3 メタレンズ設計が、3–5 µmの赤外帯域において偏光に依存しない集光を維持できるか？
• RQ4 メタレンズアレイを10×10素子にスケーリングしても、集光効率および一様性が保持されるか？
• RQ5 固体浸漬けメタレンズ構造は、IR FPAの動作温度と感度をどの程度向上できるか？

主な発見

• GaSb基板上に10×10の固体浸漬けメタレンズアレイを成功裏に作製し、本アプローチのスケーラビリティを実証した。
• メタレンズは、基板を透過する3–5 µmの赤外光を透過型で集光し、検出器面に光を誘導する。
• 設計により、偏光に依存しない集光が実現され、あらゆる入射偏光状態でも性能が維持された。
• 裏面エッチングによるメタレンズ構造は、裏面照射型赤外線焦点面配列のプロセスおよび動作要件と適合する。
• 提示されたメタレンズアレイは、IR FPAとのモノリシック統合を可能とし、より高い感度と上昇した動作温度への道筋を示した。
• 固体浸漬け構成により、効率的な光集光と集光が可能となり、赤外線イメージングシステム全体の性能が向上した。