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CN1150410C - 用来生产三维光学晶体的工艺 - Google Patents

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Abstract

1.1生产三维光学晶体的工艺。2.1按照本发明的解决方法其工艺价格比较低廉，与现在所用的工艺相比，生产光学元件费用较小，在其基质表面上有大量的相互间有间隔的元素组成的。2.2按照这项发明，在基片上用蒸汽压力安置可聚合的源材料，工艺过程的第二步在一束带电荷的粒子的作用下，在载体材料的表面上暴露的位置上敷上源材料，在这些位置上转变成固体物质，它具有光于晶体光学作用的折射率和高度的轮廓。2.3利用这项发明的工艺，使光学晶体特性得到改善，特别是可以做到微型化。

Description

用来生产三维光学晶体的工艺
技术领域
这项发明的解决方案涉及一般光学晶体和特别是光学晶体无件，这些晶体元件是由带状间隙组成的晶体结构。
背景技术
带状间隙的光学晶体是二维和三维绝缘体结构，在这种结构中，电磁波不能传播，不管是其传播方向如何。见文献：
1.S.John，“在一定的无序绝缘超点阵中照相的强烈定位”，物理学通信，58，2486(1987年)
2.S.L.McCall，P.M.Platzmann，R.Dalichaouch，D.Smith，S.Schulz“在二维绝缘超点阵中微波的弥散”，物理观察67，2017(1991年)
3.K.M.Leung，Y.F.Liu“在面心立方作绝缘介质中光学带结构的全矢量波计算”，物理观察65，2646(1990年)
4.E.Yablonovitch，T.M.Gmitter，“光带结构：面心立方场合”，Phys，Rev.Lett，63，1950(1959年)
计算和微波测量表明，形成了一个立方形表面定心的或者一个二维立方分布的小孔以非导体的矩阵或非导体的条状的光学带状空间。见文献：
5.E.Yablonovitch，T.M.Gmitter，K.M Leung“光带结构：面心立方结构用于非球面场合”，Phys.Rev.Lett，67，2295(1991年)和
6.K.M.Ho，C.T.Chan，C.M.Soukoulis，“在间断绝缘结构中存在的光学间隙”，Phys.Rev.Lett，65，3152(1990年)
在此已经达到6个平面，以便得到较高品质的光学元件。见文献：
7.S.Y.Lin，A.Arjavalingam“Photonic bound states in two-dimensionalphotonic crystals probed co-herent-microwave transient spectroscopy”，J.Opt.Soc.Am B/Vol.1 1，No 10(1994)2124。
这种类型的二维或三维的结构是一种为大家所知熟知“光学晶体”，在文献
8.S.Y.Lin，G.Arjavalingam，“Tunneling of electromagnetic wavw intwo-dimensional photonic crystals”Optics Letters Vol.18，No.19，(1993)1666页曾描述过。
用这种技术通过相应的理论研究，大量集成光学元件得到改进和制造出更新型的微形化元件。例如电磁微波共振单色光发射二极管就属于这种结构。它自发的发射宽带波长范围的光，因而要求的功率减少，其光发射的可靠性，特别是光的排列可得到提高。见文献：
9.E.Yablonovitch，“在固态物理和电子学中防突发性发射”，物理观察582058(1987年)。
该增强的光的自激发射可以提高光连接及光开关的调制速度。
可以造出具有一定反射能力并且带有几何控制波长和透射一带宽能力的较高品质的反射镜，使之更微形化及结构上更简单化。同样可使带组合的窄波带过滤器(0.5smm~lmm)、偏光和偏光器选择性的带通过滤器使之小型化和简单化。由光电元件组成的泵和在一定方向上由光建立起来的耦合装置也成为可能；以及可制成几乎是各种形状及超小型的弯曲半径的光波导体和Y型耦合器，还有，也可制成非常有效的微波天线。
按照目前的技术，这种类型的光学晶体通常可以通过加工过程达到，可以使用基片材料或者类似的材料来完成晶体的成型。至今人们尝试着通过定向的化学支持的离子射线腐蚀，穿过毫微米平版印刷生产腐蚀掩膜，进入到材料的深层进行腐蚀，以产生小孔。因此在要求的100毫米范围内能能够达到的层数和结构的深度对平版印刷术和腐蚀技术提出了最高的要求。见：
10.C.C.Cheng，A.Soberer“制作光学带间隙晶体”，日本，真空科学技术(1995年)11月/12月。
通过计算机引导的电子射线感应的沉积法，是用众所周知的附加平板印刷的工艺法，它可以在二维或三维空间中安排长的具有毫微米级精度的微型电气绝缘材料的针头，直接装入光学途径中去。见文献：
11.H.W.P.Koops，R.Weiel，D.P.Kern，T.H.Baum，“高分辨高电子束引导的沉淀法”，31届电子，高于光束国际研讨会，日本真空电子科学技术第六册(1988)477页。
通过普通的高精度计算机在地点，时间和运动方向上控制的电子束的工艺几乎可以生产任何要求的晶体几何形状和光学上要求的变形。由此可以产生适当接合的光学形态结构尺寸。进一步影响光学特性可以通过在建造结构的时候改变初始材料的组成成分来达到，并导致初始材料的成份改变，导致了构成晶体的针尖的材料组成、拆弯条块及点阵平面产生了改变。因此可以适当调节和改变在毫微米范围内材料中的绝缘常数的空间的分布。由于各个绝缘棒的形状是不同的并且是通过计算机控制形成的，因此可以进一步将光学特性，如聚焦，集中到结构中去。与目前的技术状态相比明显的改进是，较强地减少了加工的步骤，这在材料组成，材料的排列以及构成晶体的晶胞的各个形状皆可以看出其晶体的自由构成能力。这项技术与涉及的材料无关并可以在任何一种复盖层附加所需要的材料。可以按照晶格系列通过自由地编程制造和改变空间方向和原子排列，而不需要附加掩模生成和取模步骤。这项技术能明显地加速光学晶体的试生产和开发。
另一种悉知的解决问题的方法是建立在使用多光束的书写机上。使用多道光束的书写机可以用粒子射线并借助于平版印刷技术的帮助，能以比较经济的方式来生产这种元件和集成的光学线路。可见文献：
12.DE-PS 2446789.8-33“为一个标本的粒子照射用的粒子射线光学仪器”。
13.DE-PS 2460716.7“为粒子射线照射标本用的粒子束光学设备”。
14.DE-PS2460715.6“粒子束光学设备用于标本的粒子照射，其形成为一个平面的样本带着多层相同的平面元素。
15.DE-PS2515550.4“粒子束光学设备用于从一个照射的样本上取除掩模”和
16.M.Rub，H.W.P.Koops，T.Tschudi“在减少映象放映机中的电子束引导的沉淀法”，微电子工程9(1989)251-254页。
在文章“电子束引导的沉淀法中材料增长的应用与性能描述”由Hans W.P.著，日本，应用物理，33卷(1994)7099-7107中，将电于束引导的沉淀法作为附加平版印刷法的一项技术来加以描述，可以在一个表面上以三维的结构来吸附。作为先导材料使用有机或金属有机物质，然而在这篇文章中不能得到任何提示，光学晶体可以作为三维结构由基片表面来吸附。
发明内容
本发明的解决方法的目的是降低费用和与至今为止的工艺相比较少费用地生产光学结构元件，这些元件是在其基片表面上以一定的距离安置的大量的光学元件上产生出来的。
利用这种工艺进一步还可以将想要的结构相应确定的单个的光学元件有目的地放置到基板表面上，并在工艺过程中对其尺寸、材料组成和折射率的产生影响。
按照本发明的解决方案也可以进一步使光学元件做到微型化。
按照本发明的解决方法还可以得到一种用来生产三维光学晶体的工艺，这是建立在已知的附加的平版印刷工艺与粒子束感应淀积工艺相结合的基础上的。
按本发明，在基片的表面上将其作为母体基础，以可聚合的预备物质，最好使用足够高的蒸汽压力，将源材料置于其上。这个过程被认作为吸收或吸附过程。放置到基片表面上的可聚合的预备物质受电荷粒子射线(如同受光子流及粒子流射线那样)的作用后，被移植到载体基片表面暴露部位上。在此可以事先在载体材料的一定部位上通过时间变化，先进行射线的二维工作处理。到射线作用的断开位置时，可聚合的预备物质就实现上转变成不可流动的物质。这些由不可流动的物质产生的区域相当于光作用的光学晶体的折射率和高度轮廓范围。
根据本发明的一个方面，提供一种通过附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺来制造三维绝缘结构的方法，其中，采用基片作为载体材料，并且所述三维结构是光学晶体，所述方法包含下述步骤：采用足够高的蒸汽压力，在基片表面上吸附可聚合的预备物质；用带电粒子束辐照载体材料表面上预定位置处的可聚合预备物质，将受辐照的可聚合预备物质移送到不可流动的物质内，这些不可流动的物质的折射率和垂直面对应于光学晶体的光学作用。
另外，将所述带电粒子束投射到所述载体材料的二维表面上，并改变辐照时间；当对可聚合预备物质进行辐照后，为了使所制造的光学晶体三维结构稳定，用对所采用的光来说是透明的材料填充所制造的光学晶体三维结构的间隙；采用单体作为可聚合的预备物质，它具有的蒸汽压力适合于所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺，并且响应于粒子束是可聚合的；采用聚合物作为可聚合的预备物质，它具有的蒸汽压力适合于所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺，并且响应于粒子束是可聚合的；采用由单体、聚合物、绝缘材料和金属有机材料的混合物作为可聚合的预备物质，其具有的蒸汽压力适合于所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺，并且响应于粒子束是可聚合的；所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺所要求的蒸汽压力是通过对可聚合预备物质的热处理来产生的；用作光学晶体的二维或三维结构的形状和结构是通过对射束的控制和材料的提供实行程序控制来确定的，采用计算机控制粒子束以及材料的提供，并顺序建立起所述结构；用作光学晶体的二维或三维结构的形状和结构是通过对射束投射的控制和材料的提供实行程序控制来确定的，采用计算机控制粒子束以及材料的提供，其中，采用了多射束或者掩模投射技术中的平行射束；晶体的结构和元件的特性是通过程序控制而建立起来的，并且可以在晶体的晶胞的建立过程中通过编程的调节在无件上增加附带的光学特性；所述光学晶体是构筑在专门置于波导中的凹陷部位处的；所进光学晶体是逐个依次构筑的；所述光学晶体是采用多条平行射束的粒子束光学工艺以及图像缩小的掩模投影，或多个光学晶体的接触复制同时制成的。
附图说明
图1是本发明光学晶体的示意图。
具体实施方式
为了使产生的晶体结构达到稳定，比较好的办法是，在聚合化辐照后，为了稳定产生的光学晶体结构，必须在生成的光晶体的二维或三维空间结构的中间空室中，用可透光的材料加以填充。
作为本发明工艺的可聚合预备物质或源材料，可使用单体、聚合物(或者由单体和聚合物组成的混合物)以及绝缘材料和金属有机材料。使用的预备物质必须具备适用于该工艺能承受的蒸汽压力，并且在采用带电粒子束辐照时是可聚合的。
按照本发明的工艺要求的蒸汽的压力也可以在一定的场合下，通过母体物质的热处理得到。
作为光学晶体作用的二维或三维结构的形状和排列次序形成在工艺运行过程中由计算机控制，也就是说，是通过对光子或粒子束的控制进行编程从而通过计算机来控制材料的提供来确定的。组织结构基本有序排列可以想象，可能是一种平行的结构组织。编程以及对射线的引导和材料的引导主要是在使用平行射线条件下，借助大家熟悉的多射线或掩模投影技术来实现的。除通过编程确定晶体结构和由此得出光学晶体的特性之外，同时还可以附带地在制造过程中通过晶体晶胞编程的调制来叠加光学特性，例如聚焦特性。
另一种按照发明的工艺是在波导体一样品中位于基质上的加深处排列装置。在该加深处通过进一步的工艺过程使晶体结构组织的单个晶体沉积起来。
晶体的制造既可以是逐个进行也可以是同时进行的。
同时制造多个晶体同样是专门地装在波导样品中的加深处，可以通过以多道平行射线的粒子光学工艺，或者通过缩小的掩模投影式接触复制的方式进行制造。
图1为一个光学晶体的草图，该晶体是作为窄波滤波器用于单色波导体间。在不同距离排列中装有不同的绝缘体，这些绝缘体按本项发明的工艺是作为光学晶体制造的，从而形成整体滤波器。绝缘体只可以让一定波长的电磁波通过。滤波器与传播方向无关，对任何其他波长皆不准通过。
利用本发明制造的光学晶体能够制造微型集成光学线路和计算机处理装置，与现在的结构形式相比，可以使体积缩小约100倍。这种类型的元件在集成光学进入到计算机技术中展示了巨大的进步。

Claims (13)

1.一种通过附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺来制造三维绝缘结构的方法，其中，采用基片作为载体材料，并且所述三维结构是光学晶体，其特征在于，所述方法包含下述步骤：
采用足够高的蒸汽压力，在基片表面上吸附可聚合的预备物质；
用带电粒子束辐照载体材料表面上预定位置处的可聚合预备物质，将受辐照的可聚合预备物质移送到不可流动的物质内，这些不可流动的物质的折射率和垂直面对应于光学晶体的光学作用。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述带电粒子束投射到所述载体材料的二维表面上，并改变辐照时间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当对可聚合预备物质进行辐照后，为了使所制造的光学晶体三维结构稳定，用对所采用的光来说是透明的材料填充所制造的光学晶体三维结构的间隙。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用单体作为可聚合的预备物质，它具有的蒸汽压力适合于所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺，并且响应于粒子束是可聚合的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用聚合物作为可聚合的预备物质，它具有的蒸汽压力适合于所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺，并且响应于粒子束是可聚合的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用由单体、聚合物、绝缘材料和金属有机材料的混合物作为可聚合的预备物质，其具有的蒸汽压力适合于所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺，并且响应于粒子束是可聚合的。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述附加平版印刷术工艺以及微粒子射束感应淀积工艺所要求的蒸汽压力是通过对可聚合预备物质的热处理来产生的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用作光学晶体的二维或三维结构的形状和结构是通过对射束的控制和材料的提供实行程序控制来确定的，采用计算机控制粒子束以及材料的提供，并顺序建立起所述结构。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用作光学晶体的二维或三维结构的形状和结构是通过对射束投射的控制和材料的提供实行程序控制来确定的，采用计算机控制粒子束以及材料的提供，其中，采用了多射束或者掩模投射技术中的平行射束。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，晶体的结构和元件的特性是通过程序控制而建立起来的，并且可以在晶体的晶胞的建立过程中通过编程的调节在无件上增加附带的光学特性。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学晶体是构筑在专门置于波导中的凹陷部位处的。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所进光学晶体是逐个依次构筑的。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学晶体是采用多条平行射束的粒子束光学工艺以及图像缩小的掩模投影，或多个光学晶体的接触复制同时制成的。
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