Fraunhofer-Institut für Elektronische NanosystemeDie Technologie der Mikro- bzw. Nanostrukturierung ermöglicht die Umsetzung neuartiger optischer Bauelemente wie Metaflächen und Metalinsen. Metaflächen stellen strukturierte zweidimensionale Flächen dar und setzen sich aus zueinander regelmäßig angeordneten Nanostrukturen zusammen. Das Besondere an diesen Nanostrukturen ist deren Dimension, die um ein Vielfaches kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts mit der sie in Wechselwirkung treten und dadurch die Manipulation der Ausbreitung von Licht auf Subwellenlängenniveau ermöglichen. Auf dieser Basis lassen sich neuartige optische Bauelemente konstruieren, unter anderem sogenannte Metalinsen.
Metalinsen sind spezielle Gebilde von Metaflächen und ermöglichen die Realisierung planarer optischer Linsen, die sich im Vergleich zu herkömmlichen diffraktiven Linsendurch eine geringere Bauhöhe auszeichnen. Durch die Nanostrukturierung (Ausrichtung, Form, Größe) und deren periodische Anordnung erfolgt hier die Umsetzung eines spezifischen Phasenprofils, wobei die Nanostrukturen im Einzelnen eine spezifische Transmissionsamplitude und -phase umsetzen. Dies erlaubt eine gezielte sowie auf die Wellenlänge zugeschnittene Modellierung der optischen Eigenschaften (Brennweite, numerische Apertur) der Metalinse.
Neben Metalinsen lassen sich weitere optische Komponenten mittels Metaflächen umsetzen und entsprechend miniaturisieren. Hierzu gehören unter anderem Ein- und Auskoppelstrukturen, Strahlteiler, Polarisatoren sowie Reflektoren.
Durch die Anwendung mikrotechnologischer Fertigungsprozesse lassen sich Metaoptiken zum einen auf Waferlevel-Ebene kostengünstig in Serie fertigen und zum anderen bietet sie das Potential durch entsprechende Prozessschritte Mikrooptiken in herkömmliche Chiptechnologien zu integrierten. Letzteres ermöglicht neuartige Devices bei denen sowohl elektrische als auch optische Funktionen integriert sind.
Potentielle Anwendungen für integrierte Mikrooptiken werden in den Quantentechnologien sowie bei PICs gesehen, wo sowohl optische als auch elektronisch integrierte Schaltungen auf einem Chip benötigt werden. Die Anwendung hochintegrierter und -miniaturisierter optischer Metaflächen könnte eine Schlüsselkomponente darstellen, weshalb das Fraunhofer ENAS in enger Kooperation mit der Technischen Universität Chemnitz an integrierbaren Mikrooptiken auf der Basis von Metaflächen forscht.
