微透鏡集成技術的案例
用于光子集成電路的集成微透鏡和光柵耦合器
光通過介質傳播到微透鏡，然后我們使用Coordinate Breaking，使之與光纖對準相關的各種參數相對應 。Lumerical 得到的傳播角度在 System Explorer 的 Field 部分手動設置為 ZOS。
為了使耦合高效，重要的是設計一個具有最佳曲率的微透鏡，同時考慮到與光纖的距離。OpticStudio 提供了優化系統的工具，或者通過簡單的掃描一個或兩個參數來可視化對耦合效率的影響。我們在下面顯示了鏡頭曲率和光纖在 x 方向上橫向偏移對耦合效率的影響。
上面的掃描表明，對于微透鏡中心和光纖之間 300μm 的給定距離，曲率半徑約為 500μm 時達到最大耦合效率。然后將微透鏡的曲率半徑設置為 500μm。
公差分析
微尺度耦合器設計可以實現高光纖-波導耦合效率，其效率通常對錯位非常敏感。在封裝中，滿足所需的對準公差具有挑戰性且成本高昂。雖然可以注意到它會導致峰值耦合效率降低，放寬對準容差的常見方法是在微尺度耦合器中添加透鏡。
添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴束并朝向光纖準直。擴束和準直依賴于光和大于波長尺度的特征結構進行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學傳播 （POP） 進行完全模擬。POP 使用標量衍射理論在宏觀系統中傳播標量場。
對于 300μm 硅層頂部帶有400μm曲率半徑的微透鏡的光柵耦合器，ZBF 平面旋轉 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纖中，這表示光纖具有擴展的纖芯。然后，可以通過 Universal Plot 工具對 coordinate breaks執行掃描來評估 fiber alignment對耦合效率的影響。
Zemax 提供耦合效率。
展開 Ansys Lumerical | 用于光子集成電路的集成微透鏡和光柵耦合器
光通過介質傳播到微透鏡，然后我們使用Coordinate Breaking，使之與光纖對準相關的各種參數相對應 。Lumerical 得到的傳播角度在 System Explorer 的 Field 部分手動設置為 ZOS。
為了使耦合高效，重要的是設計一個具有最佳曲率的微透鏡，同時考慮到與光纖的距離。OpticStudio 提供了優化系統的工具，或者通過簡單的掃描一個或兩個參數來可視化對耦合效率的影響。我們在下面顯示了鏡頭曲率和光纖在 x 方向上橫向偏移對耦合效率的影響。
上面的掃描表明，對于微透鏡中心和光纖之間 300μm 的給定距離，曲率半徑約為 500μm 時達到最大耦合效率。然后將微透鏡的曲率半徑設置為 500μm。
公差分析
微尺度耦合器設計可以實現高光纖-波導耦合效率，其效率通常對錯位非常敏感。在封裝中，滿足所需的對準公差具有挑戰性且成本高昂。雖然可以注意到它會導致峰值耦合效率降低，放寬對準容差的常見方法是在微尺度耦合器中添加透鏡。
添加微透鏡為從光柵中提取的光束留出了一些空間 ，以便于其擴束并朝向光纖準直。擴束和準直依賴于光和大于波長尺度的特征結構進行宏觀相互作用。這可以通過 OpticStudio 中的物理光學傳播 （POP） 進行完全模擬。POP 使用標量衍射理論在宏觀系統中傳播標量場。
對于 300μm 硅層頂部帶有400μm曲率半徑的微透鏡的光柵耦合器，ZBF 平面旋轉 5 度并耦合到 13μm 束腰的光纖中，這表示光纖具有擴展的纖芯。然后，可以通過 Universal Plot 工具對 coordinate breaks執行掃描來評估 fiber alignment對耦合效率的影響。
Zemax 提供耦合效率。
展開 集成微透鏡陣列的CMOS傳感器分析
使用界面配置光柵結構
使用嚴格的FMM / RCWA，我們模擬了像素大小等于或小于2 μm的CMOS傳感器，尤其是研究了微透鏡的有效性。
集成微透鏡陣列的CMOS傳感器分析
通過連續減小CMOS傳感器的像素尺寸，近幾十年來已經實現了越來越好的空間分辨率，并且這種趨勢有望繼續。但是，這便將關注點放到位于每個像素頂部的微透鏡上。當像素尺寸接近波長時，微透鏡是否仍可以按預期聚焦光線？我們在選定的示例中使用VirtualLab Fusion研究了此問題。
[VirtualLab] 集成微透鏡陣列的CMOS傳感器分析
與此同時，這也為覆蓋在每個像素上的微透鏡的功能帶來了疑問。在此示例中，我們研究了像素大小等于或小于2um CMOS傳感器的性能。 并在仿真分析中采用嚴格的FMM / RCWA以檢測微透鏡的有效性。
2. 建模任務
采用的幾何參數來自Y. Huo, et al., Opt. Express 18, 5861-5872 (2010)
采用的幾何參數來自Y. Huo, et al., Opt. Express 18, 5861-5872 (2010)
3. 2 um像素的微透鏡陣列(X-Z截面仿真)
4. 1.8 um像素的微透鏡陣列(X-Z截面仿真)
5. 1.6 um像素的微透鏡陣列(X-Z截面仿真)
6. 3D仿真與結果對比
7. 走進VirtualLab Fusion
8. VirtualLab Fusion的工作流程
? 構造光柵結構
- Configuration of Grating Structures by Using Interfaces [應用案例]
- Configuration of Grating Structures by Using Special Media. [應用案例]
? 計算光柵結構內部的場分布
9. VirtualLab Fusion技術
10.
展開 
[NEWSLETTER] 集成微透鏡陣列的CMOS傳感器分析
但是，這便將關注點放到位于每個像素頂部的微透鏡上。當像素尺寸接近波長時，微透鏡是否仍可以按預期聚焦光線？我們在選定的示例中使用VirtualLab Fusion研究了此問題。
集成微透鏡陣列的CMOS傳感器分析
使用嚴格的FMM / RCWA，我們模擬了像素大小等于或小于2 μm的CMOS傳感器，尤其是研究了微透鏡的有效性。
使用界面配置光柵結構
在VirtualLab Fusion中，光柵結構是在“堆棧”中配置的，根據光柵的幾何形狀，可以用一系列界面或特殊介質構造光柵結構。在這種使用情況下，說明了基于界面的光柵結構的配置。
For more information send a message to: support@infotek.com.cn / support@infocrops.com
展開 集成微透鏡陣列的CMOS傳感器分析
與此同時，這也為覆蓋在每個像素上的微透鏡的功能帶來了疑問。在此示例中，我們研究了像素大小等于或小于2um CMOS傳感器的性能。 并在仿真分析中采用嚴格的FMM / RCWA以檢測微透鏡的有效性。
2. 建模任務
采用的幾何參數來自Y. Huo, et al., Opt. Express 18, 5861-5872 (2010)
采用的幾何參數來自Y. Huo, et al., Opt. Express 18, 5861-5872 (2010) 3. 2 um像素的微透鏡陣列(X-Z截面仿真)
4. 1.8 um像素的微透鏡陣列(X-Z截面仿真)
5. 1.6 um像素的微透鏡陣列(X-Z截面仿真)
6. 3D仿真與結果對比
7. 走進VirtualLab Fusion
8. VirtualLab Fusion的工作流程
? 構造光柵結構- Configuration of Grating Structures by Using Interfaces [應用案例]- Configuration of Grating Structures by Using Special Media. [應用案例]? 計算光柵結構內部的場分布
9. VirtualLab Fusion技術
10.
展開 Lumerical系列|用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。
引言
從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。
研究現狀
現有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵來實現非對稱衍射，打破光柵區域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
圖1 不同類型的垂直光柵耦合器結構。（a）階梯型光柵；（b）逆向設計型光柵
工作原理及仿真結果
本期文章要介紹的是一種微透鏡輔助的垂直光柵耦合器，其結構如圖2所示。該器件是由SOI切趾的光柵耦合器，包層和柱面微透鏡組成。其中，包層不僅可以保護光柵，還可以幫助控制入射光的角度。
展開 【Lumerical系列】用于增強耦合效率的集成微透鏡輔助的垂直光柵耦合器
<p>本期文章將介紹一種集成微透鏡輔助光柵耦合器（ML-VGC）的設計，以提高垂直入射條件下的耦合效率<sup>[1]</sup>。利用熱回流工藝將微透鏡集成到一個標準的220nm的絕緣體上硅（SOI）光柵耦合器，這種集成方法在操縱垂直入射光的投射角方面提供了更大的靈活性，使其與底層光柵的最佳耦合角對準，從而有效地提高器件的總體耦合效率（CE）。</p><p><br></p><p><strong>引言</strong></p><p><br></p><p>從光纖到硅器件的高效光耦合是硅光子學中的關鍵技術。端面耦合器由于其需要制造在芯片表面上而面臨限制，這對晶圓級器件測試提出了挑戰。與端面耦合器相比，光柵耦合器具有靈活的放置、更高的對準公差以及無需表面拋光等優點，從而實現晶圓級測試并降低光纖封裝成本。傳統的光柵耦合器通常需要傾斜入射，通常約10°，以防止二階反射。然而，垂直入射在特定應用中是必不可少的，原因在于其不僅可以簡化多芯光纖（MCF）或垂直腔面發射激光器（VCSEL）的封裝過程，還能減小由于傳統光柵耦合器由于角度對準所占據更多的空間。</p><p><br></p><p><strong>研究現狀</strong></p><p>現有的提高垂直入射光柵耦合器的耦合效率主要集中在專門設計光柵結構。例如，圖1（a）中的結構采用階梯型光柵<sup>[2]</sup>來實現非對稱衍射，打破光柵區域的垂直對稱性，以獲得高方向性和高耦合效率。此外，還有一些方案是基于逆向設計優化出最佳參數，從而產生獨特的光柵結構，以增強面外輻射并提高耦合效率，如圖1（b）所示<sup>[3]</sup>，這些逆向設計方法都提供了較大的靈活性。雖然上述方法能增強耦合效率性能，但也面臨制造的復雜性及容差等問題。
展開 飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展
文章發布：上海安世亞太官方訂閱號（搜索：PeraShanghai）
聯系我們：021-58403100
隨著科學技術的發展，人們對器件的微型化和集成化的要求越來越高，這些微型器件具有能耗少、功能集成、設計自由程度高等特點。尤其是在光學領域，集成光波導芯片等器件在具有與傳統器件相同功能的基礎上，其體積卻可以縮小幾十倍。
作為最基本的微光學元件，微透鏡在多個領域都有非常廣泛的潛在應用，然而常見的面向透明硬脆材料微透鏡的制備方法效率低下，且對作業環境的要求較高，極大地限制了透明硬脆材料微透鏡陣列的大面積制備。
近日，清華大學樊華博士后、吉林大學王磊副教授和徐穎教授等人在《液晶與顯示》（ESCI、核心期刊）發表了題為“飛秒脈沖激光空間光場調控的微透鏡陣列制備技術進展”的綜述文章。
本文介紹了利用飛秒激光燒蝕結合濕法刻蝕制備硬脆材料微透鏡陣列的基本方法，并系統地分析了影響所制備微透鏡形貌的關鍵因素。通過在加工過程中對聚焦光斑的數量和位置進行精細調控，極大地提高了透明硬脆材料微透鏡陣列的加工效率，且可以在加工過程中動態地調整飛秒激光燒蝕改性的形貌，從而實現不同尺寸微透鏡陣列的高速制備。
引言
微透鏡陣列對表面質量和形貌要求比較高，因此對制備工藝提出了很嚴格的要求。科研人員提出了許多方法來實現具有高表面質量的微透鏡陣列的高效制備，比如：
針對柔性材料的熱壓印成型方法實現了大面積微透鏡陣列；
利用灰度光刻工藝和轉印方法在柔性的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)襯底上實現了微透鏡陣列；
利用光刻和熱回流方式實現了基于聚二甲基硅氧烷材料的微透鏡陣列等。
展開 Moldex3D模流分析之微透鏡數組成型技術突破性進展
圖1 原始流道設計
使用直接澆口一次產生48個微透鏡數組(圖2)，可顯著提升生產效能同時減少材料的浪費(表一)。
圖二 直接澆口和最終成品示意圖
表一 在冷流道中用扇形澆口和直接澆口的比較
臺大團隊利用田口法找出射出成型(IM)與射出壓縮成型(ICM)的最佳參數，以減少殘留應力和翹曲。不同于融膠溫度、射出速度、保壓壓力和冷卻時間等在射出成型中相對重要的因素，在射出壓縮成型中，以融膠時間、壓縮間隙、壓縮時間及壓縮組件會對保壓和光學性質上有較顯著的影響。圖3和圖4為IM和ICM的翹曲與總和光彈條紋比較。結果顯示ICM減少了總位移和收縮，相較于IM也具備更好的光學性能。
圖3 IM和ICM間總位移的比較
圖4 IM與ICM總和光彈條紋的比較
最終，模擬結果通過實際成型實驗的驗證，在4吋基盤上成功的制作出具有相似光條紋和光學性質的雙面微透鏡數組(圖5)。以OKP4為材料，僅在射出成型靠近澆口區域觀察到光彈條紋，在射出壓縮成型中則并未觀察到此現象。如圖6所示，成型微透鏡數組展現了其聚焦功能和清晰的成像。在Moldex3D仿真分析軟件的幫助下，雙面微透鏡數組成型技術與效率得到大幅提升，亦滿足現今光學產業高性能且微小輕薄的需求。
圖5 模擬與實際成型的光彈條紋
圖六 透過成型微透鏡觀察到的畫面
結果
此案例藉由Moldex3D分析不同流道設計和成型參數之優缺點，通過采用直接澆口取代原本扇形澆口設計，材料利用率提高到66.3%，從而成功生產出微透鏡數組，其材料使用率是扇形澆口的三倍。射出成型和射出壓縮成型參數經過優化之后，翹曲和收縮程度也被大幅度改善。最終，在實際成型實驗中完成了雙面透鏡數組的制作，結果顯示出與Moldex3D模擬高度相符。
展開 上海理工大學《Optics Express》：基于PμSL 3D打印技術的多焦距微透鏡陣列制造
微透鏡陣列是由微米級或亞毫米級透鏡按一定規律排列而成的陣列，被廣泛應用于光學和光子學領域，包括立體顯示、光均勻化、光束整形和三維成像等。與單個透鏡相比，微透鏡陣列可以收集每一點上的信息，如入射光線的強度和角度。在集成成像系統中，微透鏡陣列上的透鏡從不同的觀察角度在不同的空間位置捕捉一組子圖像，而這些圖像可以被重建在一起以提供一個偽視覺。此外，在光場成像系統中，位于物鏡和圖像傳感器之間的微透鏡陣列能夠在單次攝影曝光下收集空間和方向信息，無需聚焦于3D物體。大多數的微透鏡陣列中，所有透鏡的焦距都是相同的，這導致景深狹窄、深度感知能力有限。因此，這些微透鏡陣列不能直接獲取距離不同的物體的清晰圖像。
近日，上海理工大學張大偉教授課題組提出了一種多焦距微透鏡陣列的制作方法。該微透鏡陣列制造過程具體如下：首先，利用摩方精密面投影微立體光刻3D打印技術（nanoArch P140，BMF Precision，Shenzhen, China）制備出孔壁呈不同傾斜角度的微孔陣列，再采用旋涂的方法使微孔中殘留部分光敏樹脂并得到不同曲率的液面，最后經過PDMS翻模即可得到多焦距微透鏡陣列。該多焦距透鏡陣列能夠擴展成像景深，具有感知物體深度的能力。該成果以“Fabrication of uniform-aperture multi-focus microlens array by curving microfluid in the microholes with inclined walls”為題發表在光學期刊Optics Express上。
展開 
Moldex3D模流分析之微透鏡數組成型技術突破性進展
圖1 原始流道設計
使用直接澆口一次產生48個微透鏡數組(圖2)，可顯著提升生產效能同時減少材料的浪費(表一)。
圖二 直接澆口和最終成品示意圖
表一 在冷流道中用扇形澆口和直接澆口的比較
臺大團隊利用田口法找出射出成型(IM)與射出壓縮成型(ICM)的最佳參數，以減少殘留應力和翹曲。不同于融膠溫度、射出速度、保壓壓力和冷卻時間等在射出成型中相對重要的因素，在射出壓縮成型中，以融膠時間、壓縮間隙、壓縮時間及壓縮組件會對保壓和光學性質上有較顯著的影響。圖3和圖4為IM和ICM的翹曲與總和光彈條紋比較。結果顯示ICM減少了總位移和收縮，相較于IM也具備更好的光學性能。
圖3 IM和ICM間總位移的比較
圖4 IM與ICM總和光彈條紋的比較
最終，模擬結果通過實際成型實驗的驗證，在4吋基盤上成功的制作出具有相似光條紋和光學性質的雙面微透鏡數組(圖5)。以OKP4為材料，僅在射出成型靠近澆口區域觀察到光彈條紋，在射出壓縮成型中則并未觀察到此現象。如圖6所示，成型微透鏡數組展現了其聚焦功能和清晰的成像。在Moldex3D仿真分析軟件的幫助下，雙面微透鏡數組成型技術與效率得到大幅提升，亦滿足現今光學產業高性能且微小輕薄的需求。
圖5 模擬與實際成型的光彈條紋
圖六 透過成型微透鏡觀察到的畫面
結果
此案例藉由Moldex3D分析不同流道設計和成型參數之優缺點，通過采用直接澆口取代原本扇形澆口設計，材料利用率提高到66.3%，從而成功生產出微透鏡數組，其材料使用率是扇形澆口的三倍。射出成型和射出壓縮成型參數經過優化之后，翹曲和收縮程度也被大幅度改善。
展開 Kateeva（科迪華）已完成微透鏡平坦化技術開發，向多家面板廠提供量產打印設備及工藝方案
據悉，OLED噴墨打印設備領導者Kateeva（ 科迪華）近期已完成MLP（Micro Lens Planarization 微透鏡平坦化）技術開發，向多家面板制造商提供量產打印設備及工藝方案，用于新一代智能手機低功耗微棱鏡工藝。其中，六代量產設備將于2022年三季度搬入，并于年底前開始量產。
隨著智能手機高刷新率和高分辨率帶來的功耗增加問題，提升續航能力是手機制造商極力要解決的痛點，而降低屏幕功耗成為了面板廠商集中攻克的方向。MLP技術，通過引入高折射率的材料，搭配下層圖形化設計形成子像素級微型透鏡，達到正面出光量≥15%以上的提升，在保持電池容量不變的條件下增加OLED屏幕的亮度，延長手機的使用時間。
圖片來源：Kateeva公司
MLP技術中核心的工藝——高折材料 (n>1.7) 平坦層將由噴墨打印設備來完成。在墨水材料的開發方面，2017年科迪華與美國Pixelligent公司開始深度的研發合作，驗證噴墨打印高折射率納米材料，用于增加OLED屏幕出光量。進入2020年，科迪華同國內各家面板廠合作開發MLP量產應用。科迪華設有物理化學實驗室、工藝實驗室、分析實驗室，配套各種規格尺寸的打印設備為客戶進行全方位的工藝驗證。在噴墨打印專家團隊支持下，先后驗證近十款高折墨水，制作樣品進行光效測試，并通過了客戶嚴苛的可靠性與流片一致性驗證。
工藝方面，作為重要的工藝參數之一的膜厚均一性，經科迪華驗證，不同的膜厚均可達到3%以下的指標。特別要指出的是，MLP技術中高折材料膜層減薄化是技術發展的趨勢，科迪華已經展示可實現低至2微米的MLP膜層，同時保持膜厚均勻度指標要求，可望在量產中進一步降低面板廠商80%的相關材料成本。
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