CN100346196C - 展现增强的功能性的光学组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对一种用于增强各包括至少一可操作表面的光子器件的功能性的方法。该方法包括：堆叠该等光子器件(220)，使得每一可操作表面对准以形成一复合表面；向该复合表面施加一适合于接收复制的薄膜；且在所施加薄膜中复制一纳米结构图案。实质上，用所复制的纳米结构图案的一足够部分来复制每一可操作表面，以通过执行一与纳米结构有关的特定功能来增强对该等器件的操作。

Description

展现增强的功能性的光学组件及其制造方法
本申请案主张2002年6月18日申请的美国临时申请案第60/389,512号的权利，发明者为Jian Wang、Herbert Kostal和Yong Kewan Park，标题为“OPTICAL COMPONENTS EXHIBITING ENHANCED FUNCTIONALITYAND METHOD OF MAKING SAME”。
技术领域
本发明通常涉及光学组件，且尤其涉及展现增强的功能性的光学组件。
背景技术
在光学网络、电信、光学应用和光子的领域中，非常需要不断地增强器件性能并降低制造、包装和组装成本。因此，非常需要多功能光子组件或展现增强的功能性的光子组件。例如，需要提供整体的光子组件，可将该整体的光子组件并入一光子集成电路(PIC)，例如，其展现增强的功能性，诸如III-V型半导体化合物激光器、化合物调制器和包括偏振器在内的LiNbO3调制器。
该等组件与并入其的PICS将代表相关技术状态的显著改良。
发明内容
本发明针对一种用于增强各包括至少一可操作表面的光子器件的功能性的方法，该方法包括：堆叠该等光子器件，使得每一可操作表面对准以形成一复合表面；向该复合表面施加一适合于接收复制的薄膜；且在所施加薄膜中复制一纳米结构图案，其中，实质上，通过执行一与纳米结构有关的特定功能来操作该等器件的每一可操作表面。
特别地，本发明公开了一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：一适合于具有所述传输的功能的表面；以及复数个形成于所述表面中的纳米结构，其中所述纳米结构适合于向所述表面提供增强的功能性，且所述表面包括至少一石榴石材料。
特别地，一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：一适合于具有所述传输的功能的可操作表面；以及复数个形成于所述可操作表面中的纳米结构，其中所述纳米结构适合于向所述可操作表面提供增强的功能性，且所述器件包含一石榴石磁转子。
附图说明
通过考虑下文结合随附图式对本发明优选实施例的详细描述，可以促进对本发明的理解，在该等图式中，相同的数字指的是相同的部分，且其中：
图1说明一种用于根据本发明的一个方面产生多功能或增强的光子组件的方法的流程图；
图2a、2b和2c说明根据本发明的一个方面可用于图1的方法中的器件的透视图；且
图3说明根据本发明的一个方面适合于供图1的方法使用的示范性装置的结构图。
具体实施方式
应了解到，本发明的图式和描述已被简化以说明与清楚理解本发明有关的元件，同时为了明晰的目的，消除了在典型的光子组件及其制造方法中发现的许多其它元件。所属领域的技术人员将认识到，其它元件和/或步骤在实施本发明中是需要的和/或必需的。然而，因为该等元件和步骤已为此项技术所熟知，且因为其不能促进更好地理解本发明，所以未在此提供对该等元件和步骤的论述。此处之揭示针对所属领域的技术人员已知的该等元件和步骤的所有此等变化和修改。
现在参考图1，其展示一用于根据本发明的一个方面产生多功能光子组件的方法100的流程图。根据本发明的一个方面，次波长光学结构，诸如纳米结构或纳米元件，通常是尺寸从0.1nm到1000nm的结构，可在通常太小以致于在使用常规技术时不能有效地复制或印刻该等纳米结构的器件表面上被复制。根据本发明的一个方面，方法100通常包括：形成器件110；堆叠所形成的器件120；向器件堆叠的表面施加薄膜130；在器件堆叠的相同表面上形成纳米结构；且将器件堆叠进行拆叠150。
使用所属领域的技术人员已知的任何合适方法，诸如，磊晶成长、照相平版印刷技术和蚀刻，可形成该等器件110。例如，该等器件可采用III-V型半导体化合物光子器件的形状。例如，该等器件可为有源的，诸如固态边缘发射激光器、发光二极管(LED)、超发光二极管(SLED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、调制器、开关、可变光学衰减器(VOA)或光检测器，或例如，该等器件可为无源的，诸如波导或基于波导的分裂器、组合器、隔离器或耦合器。对该等器件的制造及使用可由所属领域的技术人员很好的理解。
现在也参看图2a，其展示根据本发明的一个方面可被增强的III-V型半导体化合物激光器器件210。器件210包括可操作表面，其包括刻面或界面A与B。一般而言，例如，该等可操作表面是可用于器件210的光子操作中的表面，且可具有小的面积，例如大约接近于10到100μm2。现在也参看图2b，如在相关技术中同样被很好理解，器件210可形成于器件210的条215中。例如，若干条215可共同地形成一晶圆的大部分，器件210最初由该晶圆形成110(图1)。在处理110(图1)之后，可分离条215以提供可操作器件210，或可将其保持原样直到在拆叠150(图1)之后。
再次参考图1与图2a、2b和2c，已形成110的器件210可被堆叠120在相似的器件上，或者在任何其它器件上，其中可创造所形成的器件的堆叠120。可堆叠多个器件210或条215，以创造器件220之复合堆叠。在该复合堆叠220中，个别器件210或条215的每一表面A和B可对准以分别形成集体的堆叠表面A′和B′。根据本发明的一个方面，表面A′和/或B′可用以通过接收将在表面A和B中的至少一个上被提供的纳米结构图案而向每一堆叠器件210提供增强的功能性。
如所属领域的技术人员将理解，为了形成堆叠220而对准且堆叠器件210或条215创造了一与表面A和B相比更大的表面面积A′或B′，其上以形成纳米结构。即，虽然表面A或B的面积可能太小而难以有效复制，但是根据本发明的一个方面，表面A′或B′可具有一足够的表面面积以用于复制。
例如，以所属领域的技术人员已知的任何常规方式，诸如通过通常在向多个器件同时施加抗反射(AR)涂层时所使用的该等方法，可执行该对准和堆叠120。为了解决可能由经由常规堆叠技术而对准的器件的高度位移所导致的非平坦表面，可使用所属领域的技术人员已知的技术，诸如，揭示于Xiaoyun Sun、Lei Zhuang、Wei Zhang和Stephen Y.Chou的文章中的技术，J.Vac.Sci.Tech B 3922(1998)，标题为“Multilayer Resist Methods forNanoimprint Lithography on Nonflat Surfaces”，其全部揭示内容如同此处所陈述以引用的方式并入本文中。该文章教示了一种用于解决该等表面位移的方法，例如，使用一表面平面化层。例如，可通过施加厚度大于各种器件的高度位移的抗蚀剂层来实现该表面平面化。可在向该表面施加可复制层之前施加该层。以此方式，例如，平面化层可提供一实质上平坦的表面，为通过填充与对准有关的台阶和空隙来复制做好准备。
再次参考图1，可向表面A′和/或B′施加一薄膜130。该薄膜可适用于在平版印刷140期间接收所形成的纳米结构。例如，该薄膜可采用光阻、聚甲基丙烯酸甲酯、紫外线可固化聚合物层或热塑性层的形状。该薄膜与允许更早形成的铸模相比可稍微柔软的，而非相反的。
仍参考图1，使用一平版印刷处理，可在表面A′或B′中形成纳米结构140，该平版印刷处理诸如照相平版印刷、全息照相平版印刷、干扰平版印刷、e束平版印刷、或标题为NANOIMPRINT LITHOGRAPHY的美国专利第5,772,905号中所揭示的平版印刷，该专利的全部揭示内容如同此处所陈述以引用方式并入本文中。该专利教示了一种用于通过使用涂覆于一用于接收纳米印刻图案的表面上的薄膜而在一表面上创造超细(诸如小于25nm)图案的平版印刷方法。尽管为了完全性的目的，但是可将具有至少一个突出特征的铸模挤压在被施加130到表面A′或B′的薄膜中。该铸模中的至少一个突出特征在该薄膜内创造了至少一个对应凹陷。在复制之后，该铸模可从该薄膜中移除，且处理该薄膜并处理表面，使得将该薄膜内的图案转移到可操作表面。因此，将该铸模中的图案复制在器件的表面中。当然，尽管可利用用于在器件220之堆叠的可操作表面A′或B′内或上形成一结构的任何合适的方法。
另外，虽然可使用表面A′或B′来接收特征的复制图案，但是纳米结构特征可具有与表面A或B相比的如此小尺寸，以致于同样可将复制图案的足够部分在功能上复制到每一表面A或B上。例如，对应于偏振特征的图案可被复制在该表面A′上。归因于特征在复制图案内的尺寸化，该图案也可在功能上形成于每一单个表面A上。一具有25nm特征的循环图案可被复制到表面A′中，其包括一特定器件的表面A。如果(例如)表面A的尺寸接近50μm2，那么表面A可接收接近1000循环的被复制到表面A′中的图案，其为足以增强功能性的量。因此，增强的功能性导致(即使)表面A可能不具有足以在其中个别地复制图案的面积。因此，器件210的增强的功能性可通过以此方式复制表面A′并因此复制表面A而实现。
仍参考图1，在将纳米结构复制到表面A′或B′上时，器件堆叠可为个别使用而被拆叠150。
此外，经复制器件的子集，例如其间的一个、所有或某些数量，可用于测试。即，可测试具有对应于特征的复制图案的增强的功能性的器件210或器件集合，以确保经复制的纳米结构图案执行所需的功能。
如所属领域的技术人员将认识到，可将各种图案复制在该等器件中。该等图案可提供各种光学或光子功能。例如，该等图案可采用孔、带、渠沟或柱子的形状，其都可具有共同的周期或无共同的周期，且可具有各种高度和宽度。例如，该等带可具有矩形槽的形状，或者具有三角形或半圆形槽。类似地，柱子(基本上与孔相反)可被图案化。可用在两轴线中具有共同的周期或者通过改变一轴线或两轴线的周期将该等柱子图案化。该等柱子可成形为(例如)升高的台阶、圆形的半圆或三角形的形状。该等柱子也可成形为一轴线中具有一圆锥形且另一轴线中具有另一圆锥形。
因此，在器件上被图案化的纳米结构实际上可充当可用一施加图案而实现的任何光学元件，诸如(例如)偏振器、偏振束分裂器与组合器、窄带滤波器、人造双折射波板、宽带偏振反射器、透镜或可调滤波器。
纳米结构的说明性用途是用于偏振管理，例如偏振器或偏振束分裂器。该纳米结构可被图案化为栅格或格栅型器件。如相关技术中已知，假定波长远远大于栅格间隔，则栅格结构传输具有垂直于栅格或格栅线的E向量的辐射且反射平行辐射。因为当前处理能够形成与波长相比小的纳米结构，所以可实现偏振管理。例如，在器件采用激光器的形状、且经复制的图案对应于一偏振器、且其上复制的表面为激光器的刻面、且偏振器在激光波长下具有高反射率的情况下，可实现一在单一偏振中发出激光的激光器。
纳米结构的另一说明性用途是用于波长管理，例如，作为窄带滤波器或可调滤波器。该等纳米结构可采用(例如)栅格的形状。利用该栅格间隔的滤波器的功能性在相关技术中已知。例如，可使用共振效应且改变格栅厚度、波长和入射角度以实现所需的结果。在一示范性实施例中，例如，可通过设计成允许向前和向后传播零次波而产生能效滤波器。在共振时，向前传播零次波的衍射效率接近0，且向后传播波的衍射效率接近1。通过遵循此原则，例如，具有高效率、窄带和小尺寸的滤波器可应用于另一光子器件。
因此，通过在光子、光学或光电子器件或组件的可操作表面(诸如，刻面或界面)上图案化纳米结构，可改良器件或组件的功能性，且与自由空间包装和组装相关的成本得以降低，因为所施加图案的功能性有效地增强了对基础器件的操作。
现在参考图3，其展示一适用于执行图1的方法的装置300。装置300可采用一复制器的形状，在该复制器中可安装有铸模320和器件220的堆叠。复制器300可包括用于将薄膜施加130(图1)到堆叠220的构件。复制器300可包括承载器件220的堆叠的固定区块330和承载铸模320的可移动铸模区块340。耦合到x-y定位器360和z定位器370的控制器350可控制铸模320靠在堆叠220上的施加。
可在铸模320上提供对准标记380，同时可在器件堆叠220上提供附带标记385。一传感器390可用以使对准标记380、385对准，并向控制器350提供对准信号。例如，控制器350也可配备有输入-输出电路400以供用户控制。
在操作中，通过开动z定位器370，藉此在z方向中相对于器件区块330的堆叠集合移动铸模区块340，控制器350可控制将铸模320复制在被施加130(图2)到器件堆叠220的薄膜中。例如，使用光学或电学对准技术，通过x-y定位器360，可实现铸模320与器件堆叠220的对准。例如，传感器390和对准标记380、385可采用光学检测器或光学对准标记的形状，其产生一波纹对准图案，使得可采用波纹对准技术来相对于堆叠220定位铸模320。该等技术已为所属领域的技术人员已知。控制器350可具有传感器390所提供的对准信息，并使用x-y定位器360于x-y平面相对于薄膜来调整铸模区块340的位置。尽管，当然，可使用所属领域的技术人员已知的其它合适的对准技术。
所属领域的技术人员将认识到，不脱离本发明的精神和范围的情况下，可实施对本发明的许多修改和变化。因此，倘若对本发明的修改和变化在随附权利要求及其等价物的范围之内，则本发明意欲涵盖对本发明的修改和变化。

Claims (34)

1.一种用于增强光子器件的功能性的方法，每一光子器件包括至少一可操作表面，所述方法包含：
堆叠所述光子器件，使得每一所述可操作表面经调整以形成一复合表面；
向所述复合表面施加一适合于接收一复制的薄膜；以及
在所述施加的薄膜中复制一纳米结构图案；
其中，实质上，用所述复制的纳米结构图案的一足够部分来复制每一所述可操作表面，以藉由执行一与所述纳米结构有关的特定功能来增强对所述器件的操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含：
提供一包括指示所述纳米结构图案的复数个特征的铸模；且
使所述复合表面与所述铸模对准。
3.根据权利要求2所述的方法，其进一步包含向所述复合表面施加所述经对准的铸模。
4.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述薄膜包含沉积所述薄膜。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该沉积会沉积一热塑性层。
6.根据权利要求4所述的方法，其中该沉积会沉积一紫外线可固化聚合物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述薄膜包含在该薄膜上进行一旋涂操作。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述在该薄膜上进行的旋涂操作包含旋涂聚甲基丙烯酸甲酯、热塑性塑料与光阻中的至少一种。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述在该薄膜上的进行的旋涂操作包含旋涂一紫外线可固化聚合物。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一可操作表面包含至少一刻面。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一可操作表面包含至少一界面。
12.根据权利要求1所述的方法，其进一步包含在所述堆叠步骤之前形成至少一所述光子器件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述形成包含蚀刻、磊晶成长、全息平版印刷与照相平版印刷中的至少一种。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述堆叠包含堆叠一条所述光子器件。
15.一种在一由一处理所复制的光子器件的一表面上形成的纳米结构，该处理包含：
堆叠所述光子器件，使得每一所述可操作表面对准以形成一复合表面；
向所述复合表面施加一适合于接收一复制的薄膜；且
在所述施加的薄膜中复制一纳米结构图案；
其中，实质上，用所述复制的纳米结构图案的一足够部分来复制每一所述可操作表面，以通过执行一与所述纳米结构有关的特定功能来增强对所述器件的操作。
16.根据权利要求15所述的产品，其中所述结构提供偏振管理。
17.根据权利要求15所述的产品，其中所述结构提供波长管理。
18.根据权利要求15所述的产品，其中所述光子器件包含至少一III-V型半导体化合物有源光子器件。
19.根据权利要求15所述的产品，其中所述光子器件包含至少一III-V型半导体化合物无源光子器件。
20.一种用于提供增强一光子器件的功能性的方法，该光子器件包括至少一可操作表面，所述方法包含：
使所述光子器件与其它器件堆叠，藉此创造一复合表面；
向所述复合表面施加一适合于接收一复制的薄膜；以及
在所述施加的薄膜中复制一纳米结构图案；
其中，实质上，用所述复制的纳米结构图案的一足够部分来复制所述光子器件的所述表面，以藉由执行一与所述纳米结构有关的特定功能来增强对所述器件的操作。
21.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一可操作表面包含至少一刻面。
22.根据权利要求20所述的方法，其中所述至少一可操作表面包含至少一界面。
23.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含在所述堆叠步骤之前形成所述光子器件。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述形成包含蚀刻、磊晶成长、全息平版印刷与照相平版印刷中的至少一种。
25.根据权利要求20所述的方法，其中所述光子器件包含至少一III-V型半导体化合物有源光子器件。
26.根据权利要求20所述的方法，其中所述光子器件包含至少一III-V型半导体化合物无源光子器件。
27.根据权利要求20所述的方法，其中所述堆叠包含堆叠所述声音器件作为一条所述光子器件的一部分。
28.根据权利要求20所述的方法，其进一步包含将所述堆叠的光子器件进行拆叠。
29.一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：
一适合于具有所述传输的功能的表面；以及
复数个形成于所述表面中的纳米结构，
其中所述纳米结构适合于向所述表面提供增强的功能性，且所述表面包括至少一石榴石材料。
30.一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：
一适合于具有所述传输的功能的表面；以及复数个形成于所述表面中的纳米结构，
其中所述纳米结构适合于向所述表面提供增强的功能性，所述表面包含一界面。
31.一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：
一适合于具有所述传输的功能的可操作表面；以及
复数个形成于所述可操作表面中的纳米结构，
其中所述纳米结构适合于向所述可操作表面提供增强的功能性，且所述器件包含一石榴石磁转子。
32.一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：
一适合于具有所述传输的功能的可操作表面；以及
复数个形成于所述可操作表面中的纳米结构，
其中所述纳米结构适合于向所述可操作表面提供增强的功能性，且所述器件为有源。
33.一种展示适用于具有至少一波长的一传输的增强功能性的光电子器件，所述器件包含：
一适合于具有所述传输的功能的表面；以及
复数个形成于所述表面中的纳米结构，
其中所述纳米结构适合于向所述表面提供增强的功能性，且所述增强的功能性包括偏振管理。
34.一种用于提供增强光子器件的功能性的方法，每一所述光子器件包括至少一可操作表面，所述方法包含：
堆叠所述光子器件，使得每一所述可操作表面对准以形成一复合表面；
向所述复合表面施加一适合于接收一复制的薄膜；以及
在所述施加的薄膜中复制一纳米结构图案；
其中，实质上，用所述复制的纳米结构图案的一足够部分来复制每一所述可操作表面，以通过执行一与所述纳米结构有关的特定功能来增强对所述器件的操作。
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Granted publication date: 20071031

Termination date: 20170617