Fabricação de Elementos Ópticos Difrativos Empregando Processos de Microusinagem. Giuseppe Antonio Cirino

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1 Fabricação de Elementos Ópticos Difrativos Empregando Processos de Microusinagem Giuseppe Antonio Cirino

2 Conteúdo Introdução Importância & Objetivos Revisão Bibliográfica Óptica Difrativa: Aspectos Gerais Processos de Fabricação Resultados e discussão Dispositivos em Polímeros Replicagem de microlentes EODs com modulação de fase e de amplitude - transmissão e/ou reflexão EODs Híbrido EODs com modulação Complexa Conclusão

3 1 1. Introdução Relevância da micro-óptica & óptica difrativa Elementos ópticos mais leves e menos volumosos Avanço em sistemas massivos de comunicação

4 Revisão Bibliográfica Óptica Difrativa : Fundamentos EOD: Que é? Dispositivo capaz de armazenar opticamente informação - Como se armazena? Modulando a fase e/ou amplitude de uma frente de onda luminosa incidente num material adequado - Como se lê? Observando o padrão de difração gerado

5 Revisão Bibliográfica Óptica Difrativa : Fundamentos Modulação da amplitude devido à opacidade - A intensidade da frente de onda pode ser atenuada bloqueando-se certas regiões. Exemplo: Filme fotográfico P&B (transparência)

6 Revisão Bibliográfica Óptica Difrativa : Fundamentos Modulação da fase devido ao micro-relevo - A forma da frente de onda é alterada, e sua propagação tem a direção modificada, convergir para um foco, ou exibir qualquer comportamento escolhido

7 Revisão Bibliográfica Óptica Difrativa : Fundamentos Da Refração Para a Difração - Exemplo típico da conversão de um elemento óptico convencional por um EOD (lente Plano-convexa)

8 Revisão Bibliográfica Óptica Difrativa : Fundamentos Reconstrução da Imagem - EOD de Fourier Difração de Fraunhofer - EOD de Fresnel Propagação da luz no espaço livre

9 Revisão Bibliográfica Fabricação de EOD: Fundamentos - Uso da óptica binária: relevo de fase discreto - Litografia + Corrosão p/ Plasma -N = 2 M M: # máscaras (etapas) N: # níveis de fase

10 Revisão Bibliográfica Fabricação em escala: Replicagem de EODs > EODs Competitivos > técnicas populares: prensagem quente prensagem frio cura por UV injeção

11 3 3. Materiais e Métodos Equipamentos: Fabricação - facilidades de sala-limpa - Fotoalinhadora UV - Reator de corrosão por plasma - Reator de deposição por plasma Equipamentos : Caracterização - Perfilometro / Elipsometro - UV-Vis-NIR - Microscop. AFM / SEM - Bancada Óptica

12 4 Tipos de Dispositivos Fabricados - Dispositivos em Polímeros - Replicagem de microlentes com molde em Si - EODs com modulação de fase - 2 e 4 níveis de fase - modo transmissão e/ou reflexão - EODs Híbrido - EODs com modulação Complexa (fase e amplitude)

13 4.1 Dispositivos em polímero (Novolak) Quais comprimentos de onda são permitidos?? 600 < λ < 2500 nm adequado para telecomunicações (1550 nm) Região adequada!! 1550 nm Novolak AR-P330 ( 12 µm )

14 4.1 Dispositivos em polímero (Novolak) Características Gerais - matriz de microlentes para a divisão de feixe laser - geração de cerca de 30 feixes de saída - Processo com apenas 1 etapa de litografia

15 4.1 Dispositivos em polímero (Novolak) Caracterização Óptica: (P max / P min ) < 4

16 4.2 Dispositivos em polímero (PMMA) Quais comprimentos de onda são permitidos?? 500 < λ < 2500 nm adequado para telecomunicações (1550 nm) Região adequada!! 1550 nm

17 4.2 Dispositivos em polímero (PMMA) Fabricação de micro-molde em silício - Emprego da corrosão isotrópica - seca: plasma de SF 6 - úmida: HF + 6HNO 3 + CH 3 COOH, Tamb.

18 4.2 Dispositivos em polímero (PMMA) Resultado: molde via corrosão úmida é mais adequado! Corrosão Isotrópica úmida seca Rugosidade Média [Å] 6,3±19% 112±10%

19 4.2 Dispositivos em polímero (PMMA) Resultados ópticos: Produção de uma distribuição linear, com intensidade constante

20 4.3 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Estratégia (corrosão por plasma) : > testes preliminares em filme SiO 2 plasma CF % H 2 (máscara de resiste) > corrosão de sílica fundida plasma CF % H 2 (máscara de resiste) QUALIDADE NÃO MUITO BOA!! plasma CF 4 (máscara de alumínio) QUALIDADE BOA!! > uso de filme fino (a:c-h) plasma O 2 (máscara de resiste) QUALIDADE MUITO BOA!!

21 4.3.1 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Sílica fundida - máscara de alumínio Resultados Ópticos - EOD binário Set-up Reconstrução Óptica

22 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Filme fino a:c-h - Caracterização Índice de Refração (n a:c-h ), Espessura (th a:c-h ), Coef. Absorção (α a:c-h ) - Elipsometria: a:c-h (160 nm nominal) sobre Si n a:c-h = 1,589 ± (λ = 633nm ) th a:c-h = 180 ± 1,6% nm - UV-Vis-NIR: Método do Envelope filme espessura > 500 nm sobre vidro n a:c-h = 1,604 ± (600 > λ > 1500nm ) th a:c-h ( th nominal -th obtido ) < 5% α a:c-h = 5% µm -1 (Lambert-Beer)

23 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Filme fino a:c-h - Corrosão por plasma - plasma de O 2 (máscara de resiste) - 5 condições de processo: menor rugosidade normalizada (R a /th): 50 mtorr / 100 W RF R a /th = 5, Reprodutibilidade: 5 processos idênticos taxa de corrosão média: r a:c-h = 299 ± 6%(3σ) nm/min

24 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Fabricação de EODs em a:c-h (4 níveis de fase)

25 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) EODs Fabricados em a:c-h : Resultados Imagens AFM Imagem SEM Fase quaternária

26 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Verificação da qualidade do processo - monitoramento da ordem-zero - Intensidade da ordem-zero deve ser mínima! - Rendimento 95%

27 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Resultados Ópticos - EOD em (a:c-h) Set-up 4 níveis Reconstrução óptica 2 níveis

28 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Operação por reflexão - Implementação de degraus de (λ/4) em filme de SiO 2 - Metalização de toda a estrutura (alumínio)

29 4.3.2 EODs com modulação de fase (micro-relevo) Resultados Ópticos Set-up Foto do EOD Padrão de difração

30 4.4 EODs Híbridos (refração & difração) Características Importantes - Geração de imagens em alto ângulo - Replicação de padrões Reconstrução Óptica

31 4.4 EODs Híbridos (refração & difração) Fabricação do EOD Híbrido: - divisor de feixe em polímero (Novolak) - EOD de fase (sílica fundida ou a:c-h)

32 4.4 EODs Híbridos (refração & difração) Exemplo de Geração de imagem em alto ângulo Aplicações: - sistemas de referenciamento - gabarito óptico Reconstrução Óptica Applied Optics v.40, n.2, 2001

33 4.6 EODs Complexos Características - Imagens de alta qualidade

34 4.6 EODs Complexos Resultados Ópticos Aplicação em mostradores (displays) holográficos

35 4.6 Tipos de EODs Fabricados: Características Gerais - Resumo (a:c-h) reconstrução (a:c-h)

36 5 5. Conclusões Gerais Vários tipos de EODs foram fabricados com sucesso Os resultados ópticos finais mostraram-se satisfatórios Uma atuação em equipe foi imprescindível para a realização deste trabalho