CN109521507B - 衍射光学元件 - Google Patents

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Abstract

一种衍射光学元件可以包括子波长周期叠层‑间隙结构层，其在一波长下提供透射相位延迟。子波长周期叠层‑间隙结构层可以包括一组薄抗反射层，该组薄抗反射层在子波长周期的填充因子范围内与环境或基底折射率匹配。

Description

衍射光学元件
技术领域
本发明涉及衍射光学元件。更具体地，本发明的一些方面涉及提供DOE的一些区域之间的特定相位延迟的衍射光学元件(DOE)。
背景技术
衍射光学元件(DOE)可以用于引导光束。例如，DOE(例如衍射透镜、点阵发光器、点阵生成器、分束器、傅里叶阵列生成器和/或诸如此类)可以用于将光束分束、形成光束、将光束聚焦和/或诸如此类。DOE可以整合到组播交换机、波长选择开关、姿态识别系统、动作感测系统和/或诸如此类。多层表面浮雕轮廓可以选择为用于表面浮雕DOE。例如，双层(有时称为“二元”)表面浮雕轮廓可以被选择为用于表面浮雕DOE。双层表面浮雕轮廓可以被选择以近似出连续表面浮雕轮廓，并使得光刻过程和/或蚀刻过程能用于制造DOE。双层表面浮雕轮廓的周期(period)可以是子波长，以近似出连续表面浮雕轮廓。薄膜叠层可以用于形成双层表面浮雕轮廓。
发明内容
根据一些可行的实施方式，衍射光学元件可以包括在一波长下提供透射相位延迟的子波长周期叠层-间隙结构层。子波长周期叠层-间隙结构层可以包括一组薄抗反射层，该组薄抗反射层在子波长周期的填充因子范围内与环境或基底折射率匹配。
根据一些可行实施方式，衍射光学元件可以包括层的叠层，其包括一组抗反射层。层的所述叠层可以对一波长透射。层的所述叠层的宽度可以分为一组周期。该组周期中的每一个周期的宽度比所述波长短。该组周期中的一周期可以具有填充因子，该填充因子在该周期中限定了间隙的宽度。不同周期的填充因子可以不同。间隙的深度可以延伸经过层的所述叠层且经过该组抗反射层。该组周期中的每一个周期可以在所述波长下提供与相应填充因子关联的相位延迟。在不同填充因子的范围内，该组抗反射层可以与间隙中的环境或与基底折射率匹配。
根据一些可行的实施方式，叠层-间隙结构层可以包括夹在第一组抗反射层和第二组抗反射层之间的至少一个层。所述叠层-间隙结构层可以在一波长下提供透射相位延迟。所述叠层-间隙结构层可以具有比所述波长短的周期。第一组抗反射层的材料成分、厚度和层的量以及第二组抗反射层的材料成分、厚度和层的量可以被选择为，在该波长下，在所述周期的填充因子范围内实现大于85％的透射效率。
附图说明
图1是本文所述的示例性实施方式的概况图；
图2是与本文所述的示例性实施方式有关的特征图；
图3A-3G是与本文所述的示例性实施方式的示意图；和
图4A-4D是与本文所述的示例性实施方式有关的特性图。
具体实施方式
示例性实施方式的以下详细描述参照了附随的附图。相同附图标记在不同附图中可以表示相同或相似的元件。
可以使用光刻过程和/或蚀刻过程制造衍射光学元件(DOE)。例如，为了近似连续表面浮雕轮廓，可以选择多层表面浮雕轮廓以用于DOE，且DOE的表面可以被蚀刻或构图，以形成多层表面浮雕轮廓。多层表面浮雕轮廓可以用于对经过DOE的光束形成相位延迟。然而，与多层表面浮雕轮廓关联的衍射效率可能小于临界值，其对在光学系统(例如光通信系统、姿态识别系统、动作检测系统和/或诸如此类)中利用DOE来说是必要的。而且，多层表面浮雕轮廓的透光率可以小于对在光学系统中利用DOE来说必要的临界值。
本文所述的一些实施方式可以提供一种子波长周期叠层-间隙结构的DOE(sub-wavelength period stack-and-gap structured DOE)，其在一波长下提供透射相位延迟，由此为基于DOE的周期光栅(periodic grating)实现偏振无关性(polarizationindependence)。例如，本文所述的一些实施方式可以提供具有临界透光率的双层(也称为“二元”)DOE，该临界透光率用于DOE的叠层-间隙结构的填充因子(fill factor)的临界范围。而且，DOE可以与临界衍射效率关联，由此实现在光学系统中的使用，例如波长选择开关、点阵生成器和/或诸如此类。以此方式，DOE可以例如通过单个掩膜步骤和蚀刻步骤形成，由此，相对于多层制造技术、可变剂量激光直写技术、e光束直写技术和/或诸如此类，改善可制造性。进而，薄膜叠层结构的层可以与离开介质(exit media)和/或DOE的基底折射率匹配。以此方式，薄膜叠层相对于用于制造DOE的其他技术改善透光率。
图1是本文所述的示例性实施方式100的概况图。图1显示了使用作为点阵发光器(有时称为点阵生成器)的会聚透镜和DOE进行点阵生成的例子。
如图1所示，具有波长λ0的入射平面波110被朝向DOE 120引导。在一些实施方式中，DOE 120可以是具有变化填充因子的载波光栅(carrier grating)，如在本文所述的。例如，DOE 120可以与一组载波周期关联，且每一个载波周期可以包括至少一个叠层和至少一个间隙。每一个载波周期中的至少一个叠层和至少一个间隙的尺寸可以对应于填充因子，且填充因子可以配置为控制载波周期之间的相位延迟。
在一些实施方式中，DOE 120例如可以包括交替的硅(Si)薄层和二氧化硅(SiO2)薄层、交替的氢化硅(Si:H)薄层和二氧化硅薄层、和/或诸如此类，其用于形成载波光栅的叠层和间隙。在一些实施方式中，载波周期的尺寸可以基于波长λ0配置。例如，DOE 120可以配置为子波长载波光栅，其具有与小于波长λ0的宽度关联的载波周期。在一些实施方式中，DOE 120的层可以配置为提供抗反射功能。例如，DOE 120可以包括用于提供抗反射功能的单组折射率匹配薄层、用于提供抗反射功能的多组折射率匹配薄膜层、和/或诸如此类。在一些实施方式中，薄层可以是具有的厚度小于本文所述的临界值的层，例如薄膜层和/或诸如此类。在一些实施方式中，可以针对填充因子的临界范围提供抗反射功能，如本文所述的。
在一些实施方式中，入射平面波110可以具有约700纳米(nm)到约2000nm、约1000nm到约1800nm、约1400nm到约1600nm、约1500nm到约1600nm、约800nm到1000nm、约600nm到1000nm、约850nm到950nm、和/或诸如此类的波长。另外或替换地，入射平面波110可以与约1550nm的中心波长(center wavelength)关联，DOE 120可以在该波长下用于提供临界相位延迟、抗反射功能和/或诸如此类。在一些实施方式中，通过DOE 120提供的最大透射相位延迟(例如在DOE 120的不同载波周期之间)可以大于或等于π、2π、4π、和/或诸如此类。关于DOE 120的额外细节本文描述。
进一步如图1所示，DOE120使得入射平面波110衍射，且将波前(wavefront)130(例如入射平面波110的衍射级次)朝向会聚透镜140引导。会聚透镜140按焦距150与焦点平面160分开。在一些实施方式中，示例性实施方式100可以用于姿态识别系统，且焦点平面160可以是用于姿态识别的目标。另外或替换地，焦点平面160可以是物体(例如运动感测系统)、通信目标(例如用于光学通信系统)和/或诸如此类。
进一步如图1所示，基于改变波前130的取向以形成波前170的会聚透镜140，波前170被朝向焦点平面160引导，使得在焦点平面160处形成多点阵图案。在一些实施方式中，DOE 120可以用于形成一维点阵。在一些实施方式中，DOE 120可以用于形成二维点阵。以此方式，DOE可以用作点阵发光器，以从入射平面波110在焦点平面160处形成点阵，
如上所述，图1是仅作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图1所述的有所不同。
图2是与一组DOE相关的特性的一组示意图202-210。如图2所示，且通过示意图202-210所示，该组DOE可以与用于该组DOE的折射透镜的不同浮雕轮廓关联。
进一步如图2所示，且通过示意图202所示，第一DOE可以与用于折射光学元件(例如透镜)的连续相浮雕轮廓关联。第一DOE可以跨经第一DOE的表面提供从0到最大相位延迟的连续经历的相位延迟。虽然本文描述为0相位延迟，但是0相位延迟可以是最小相位延迟。换句话说，0相位延迟可以是0相对相位延迟，且最大相位延迟可以是最大相对相位延迟(相对于0相位延迟)。进一步如图示204所示，第二DOE可以与模数2π的菲涅耳区域连续相衍射光学器件关联。第二DOE可以跨经第二DOE的表面提供从0到最大相位延迟的周期性连续的相位延迟。例如，第二DOE可以包括具有0到最大相位延迟的经历相位延迟的第一区域，具有0到最大相位延迟的经历相位延迟的第二区域，和具有0到最大相位延迟的经历相位延迟的第三区域。
进一步如图2所示，且通过图示206所示，第三DOE可以与周期性n层(例如两个或更多层)浮雕轮廓关联。例如，第三DOE可以包括多个非连续层，每一层与从0到最大相位延迟的不同经历相位延迟关联。在这种情况下，第三DOE包括：第一区域，该第一区域包括具有0的第一相位延迟的第一层、具有0到最大相位延迟的第二相位延迟的第二层、和具有最大相位延迟的第三相位延迟的第三层；第二区域，具有第一层、第二层、和第三层；和第三区域，具有第一层、第二层、和第三层。进一步如图示208所示，第四DOE可以与周期性渐变折射率的相控阵基底上液晶(liquid crystal on substrate：LCOS)光学元件关联。例如，第四DOE可以在LCOS光学元件的每一个区域中提供一组不同的相位延迟。
进一步如图2所示，且通过图示210所示，第五DOE可以是子波长周期性二元光栅。例如，第五DOE可以包括二元(双层)结构，具有用于第五DOE的叠层212或间隙214的不同填充因子。基于将双层光栅结构用于叠层212或间隙214，相对于第一DOE、第二DOE、第三DOE和/或第四DOE，第五DOE可以与减少的制造时间和/或成本、改进的衍射效率和/或改进的透光率关联。在一些实施方式中，相对于x方向和y方向的载波周期(也称为间距)dc可以小于入射光的波长且可以称为子波长。在这种情况下，基于载波周期为子波长，对入射光造成局部有效折射率neff。
在一些实施方式中，局部折射率的值在第五DOE的总周期d中变化。例如，基于总周期中的可变填充因子(例如总周期中的第一载波周期具有第一填充因子，且总周期中的第二载波周期具有第二填充因子)，局部有效折射率可以在总周期中变化。填充因子可以代表叠层212的宽度w相对于叠层212所在的载波周期的宽度的比例。类似地，填充因子可以与一组叠层212之间的空间(其可以被称为间隙214)宽度相对于间隙214所在的载波周期的宽度的比例有关。基于在总周期中让填充因子变化，第五DOE可以与总周期中变化的局部有效折射率关联，且可以形成双层DOE结构，也称为二元DOE结构，其可以与环境折射率匹配或在载波周期的填充因子范围内与基底折射率匹配。在一些实施方式中，另一类型的多层DOE结构可以用载波光栅形成，例如三层DOE、四层DOE或另一类型的n层DOE(n≥2)。在一些实施方式中，DOE的总周期可以相对于多个轴线变化(例如相对于x方向和y方向)。例如，二维变化的DOE可以用于衍射透镜或另一使用情况。
如上所述，图2是仅作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图2所述的有所不同。
图3A-3G是DOE的示例性实施方式的图解。图3A显示了示例性DOE300的截面图。
如图3A所示，DOE 300可以包括基底302。在一些实施方式中，基底302可以是玻璃基底、熔融石英基底、硼硅酸盐玻璃基底和/或诸如此类。例如，基底302可以是熔融石英基底，具有约200微米到约3毫米范围的厚度或约725微米的厚度且具有约1.45的折射率nsub。在一些实施方式中，基底302可以与总周期d关联，且每一个周期可以相对于基底302的具体尺寸通过一组载波周期dc限定。例如，基底302可以包括与基底302的顶表面共面延伸的从0dc到1dc的第一载波周期、从1dc到2dc的第二载波周期、从2dc到3dc的第三载波周期、和从3dc到4dc的第四载波周期。在一些实施方式中，每一个载波周期可以与至少一个叠层关联，且可以是子波长周期。例如，第一载波周期可以包括叠层304-1，第二载波周期可以包括叠层304-2，第三载波周期可以包括叠层304-3，且第四载波周期可以包括叠层304-4。类似地，每一个载波周期可以与至少一个间隙关联。例如，第四载波周期可以与间隙306-1的一部分(间隙306-1的另一部分可以被包括在第三载波周期中)和间隙306-2的一部分关联(间隙306-2的另一部分可以被包括在基底302上的DOE 300的另一总周期的另一载波周期中)。在这种情况下，叠层304和间隙306沿与基底302的表面共面的单个维度构造出齿形。
在一些实施方式中，每一个叠层304可以与每一个间隙306的表面以上和/或基底302表面以上的具体高度h关联。例如，每一个叠层304可以与约0.5微米到约6微米范围的高度关联(例如使用硅在940纳米时的4π周期和使用熔融石英在1550纳米时的2π周期)，或与约1.2微米的高度关联(例如使用硅在1550纳米时的4π周期)。在一些实施方式中，第一叠层304可以与不同于第二叠层304的高度关联。例如，具有共同载波周期、不同载波周期和/或诸如此类的叠层304可以与基底302的顶表面以上的不同高度关联。在一些实施方式中，每一个间隙306可以与距叠层304的顶表面的共同深度关联。另外或替换地，第一间隙306可以与距叠层304的表面的第一深度关联，且第二间隙306可以与距叠层304的表面的第二深度关联。共同地，叠层304和间隙306可以形成叠层-间隙结构。
在一些实施方式中，每一个载波周期可以与填充因子关联。沿一个维度和两个维度的填充因子分别可以基于方程计算：
ff＝w/dc(1)
其中ff代表填充因子，w代表沿一个维度的具体载波周期中或沿两个维度的区域中叠层304的宽度，且dc代表沿两个维度的区域或沿一个维度的具体载波周期的宽度。在一些实施方式中，在载波周期包括多个叠层304时，w可以代表载波周期中多个叠层304的宽度之和，载波周期中的多个叠层304的宽度平均值，和/或诸如此类。在一些实施方式中，填充因子可以随总周期中的沿与基底302的顶表面共面的一维度布置的载波周期改变，使得薄抗反射层形式的叠层304和间隙306在填充因子范围内(例如在如下所述的第一到第四填充因子范围内)与环境或与基底折射率匹配。例如，第一载波周期可以与第一填充因子关联，第二载波周期可以与第二填充因子，第三载波周期可以与第三填充因子关联，且第四载波周期可以与第四填充因子关联。
在一些实施方式中，总周期中的每一个载波周期可以与不同填充因子关联。在一些实施方式中，总周期中的两个或更多载波周期可以与共同填充因子关联，而总周期中的另一两个或更多载波周期可以与不同填充因子关联。在一些实施方式中，多个总周期中的每一个载波周期可以与不同填充因子范围关联。在一些实施方式中，第一总周期中的至少一个载波周期和第二总周期中的至少一个载波周期可以与共同填充因子关联。在一些实施方式中，多个总周期可以与共同平均填充因子、不同平均填充因子和/或诸如此类关联。在一些实施方式中，每一个载波周期可以与共同填充因子关联。例如，在DOE 300包括跨经与基底302的顶表面共面的两个维度限定的载波周期(例如，且叠层沿垂直于基底302顶表面的第三维度延伸，如所示的)时，相对于两个维度中的第一维度直线布置的载波周期可以与共同填充因子关联，且相对于两个维度中的第二维度直线布置的载波周期可以与不同填充因子关联。
如图3B所示，在俯视图中，其是DOE的另一示例性实施方式，DOE 20的可以包括总周期，其具有沿与基底322顶表面共面延伸的两个维度布置的载波周期。在这种情况下，叠层和间隙沿与DOE 320的表面共面的两个维度构造出齿形。
进一步如图3B所示，DOE 320可以包括沿第一维度x的至少一个总周期dx，和一组载波周期dcx。类似地，沿第二维度y，DOE 320可以包括至少一个总周期dy，和一组载波周期dcy。以此方式，DOE 320的载波光栅(例如DOE 320的叠层和间隙)可以提供与二维偏振无关的DOE。例如，DOE 320包括沿第一维度直线对准的载波周期324-1-1、324-2-1、324-3-1、和324-4-1。类似地，DOE 320包括沿第二维度直线对准的载波周期324-1-1、324-1-2、324-1-3和324-1-4。在这种情况下，沿第二维度对准的载波周期每一个与共同填充因子关联，且沿第一维度对准的载波周期每一个与不同填充因子关联。例如，叠层326-1-1和326-1-2与共同宽度关联，造成共同填充因子，且叠层326-1-1和326-2-1与不同宽度关联，造成不同填充因子的范围。在一些实施方式中，载波周期中叠层和间隙的样式或布置方式可以基于具体设计技术选择。例如，二维严格光栅(rigorous grating)理论技术、薄膜理论技术、模拟退火和最速下降技术和/或诸如此类可以用于识别间隙和叠层的样式或布置方式，以在具体波长下提供具体相位延迟，叠层和间隙为该具体波长提供抗反射功能。
如图3C所示，且如图示340所示，提供相位延迟的示例性相位轮廓以用于本文所述的DOE的载波周期，例如相对于第一(x)维度用于DOE 300和/或用于DOE 320。例如，对于第一载波周期，通过第一载波周期的至少一个叠层和/或至少一个间隙造成0(相对)相位延迟。类似地，对于第二载波周期，造成π/2相位延迟；对于第三载波周期，造成π相位延迟；和对于第四载波周期，造成3π/2相位延迟。
在一些实施方式中，本文所述的DOE的相位延迟可以配置为用于具体光谱范围。例如，相位延迟可以配置为针对叠层和间隙能提供抗反射功能的光谱范围，例如具有1550纳米的中心照明波长的光谱范围。在这种情况下，通过叠层和间隙形成的光栅宽度可以小于1550纳米。
虽然针对相位延迟的具体设置在本文进行了描述，但是其他相位延迟也是可以的，例如其他等距间隔的相位延迟(例如0，π/4，π/2、3π/4，π)，其他非等距间隔的相位延迟(例如0，π，3π/2、7π/8)，等距间隔的相位延迟和非等距间隔的相位延迟的组合，和/或诸如此类。
如图3D所示，其是DOE的另一示例性实施方式，DOE 360可以包括多个薄层(例如薄膜层)。例如，DOE 360的叠层可以用基底362的表面上的多层薄膜制造。在这种情况下，叠层可以包括硅的第一层364-1、二氧化硅的第二层364-2、硅的第三层364-3、二氧化硅的第四层364-4、和硅的第五层364-5。在一些实施方式中，层364-1和364-2可以形成折射率匹配对。类似地，层364-4和364-5可以形成折射率匹配对。相对比地，层364-3可以是折射率匹配对之间的间隔件，其可以选择为控制DOE 360的有效折射率。
在一些实施方式中，层364可以与基底362、空气与层364的界面和/或诸如此类折射率匹配。以此方式，可以相对于用于形成衍射光学元件的其他技术改善透光率。而且，基于根据DOE 360的载波周期的填充因子改变的DOE 360的衍射指数(diffractive index)，相对于仅基于材料选择实现的折射率匹配，DOE 360可以以降低的制造难度来实现折射率匹配。在一些实施方式中，可以用沉积技术沉积出层364。例如，可以使用薄膜沉积(例如溅射淀积和/或诸如此类)沉积出层364。在一些实施方式中，可以使用掩膜蚀刻技术用层364形成叠层。
在一些实施方式中，层364-1到364-5可以与一组厚度关联。例如，DOE360可以与用于层364-1的53纳米的厚度、用于层364-2的64纳米厚度、用于层364-3的1000纳米厚度、用于层364-4的121纳米厚度和用于层364-5的28纳米厚度关联。在这种情况下，作为折射率匹配对之间的间隔层的层364-3提供相位延迟，可以通过调整使用层364形成的叠层和间隙的填充因子而调节该相位延迟。在一些实施方式中，层364-3可以与满足临界值的折射率关联，例如大于2.0的折射率，约3.5的折射率，和/或诸如此类。在一些实施方式中，可以省略折射率匹配对之间的间隔层，例如层364-3。例如，薄膜层的一个或多个折射率匹配对可以连续形成在基底362上且被蚀刻以形成没有间隔层(例如层364-3)的叠层。
虽然针对具体一组厚度在本文进行了描述，但是其他厚度也可以实现抗反射功能、具体相位延迟、具体折射率和/或诸如此类。在一些实施方式中，可以使用沉积过程形成叠层的层364。例如，硅薄膜层、二氧化硅薄膜层、和/或诸如此类可以沉积在基底362的表面上，以形成配置为一组叠层和一组间隙的一组抗反射层。另外或替换地，可以使用蚀刻过程形成叠层和间隙。例如，在硅、二氧化硅、和/或诸如此类沉积以在基底362上形成薄膜层之后，可以使用单个掩膜步骤对所述层进行掩膜并使用单个蚀刻步骤进行蚀刻，以形成间隙和叠层。
如图3E所示，DOE 380的另一例子可以包括可变填充因子和三个或更多层的浮雕图案。例如，DOE 380的叠层可以包括在基底382的表面上的多层薄膜，以形成具有变化填充因子的多层DOE。在这种情况下，叠层可以包括硅的第一层384-1、二氧化硅的第二层384-2、硅的第三层384-3、二氧化硅的第四层384-4、和硅的第五层384-5、二氧化硅的第六层384-6、硅的第七层384-7、和二氧化硅的第八层384-8。在一些实施方式中，层384-1和384-2可以形成第一折射率匹配对，层384-4和384-5可以形成第二折射率匹配对，且层384-7和384-8可以形成第三折射率匹配对。进一步地，层384-1和384-2可以是第一抗反射结构386-1，层384-4和384-5可以形成第二抗反射结构386-2，且层384-7和384-8可以形成第三抗反射结构386-3。相对比地，层384-3和384-6可以是折射率匹配对之间的间隔层，其可以被选择为控制DOE 380的有效折射率。
在另一例子中，金属层可以用作DOE 380的层。例如，并非在基底382的顶表面上形成层384-1和384-2，金属层可以用于替换抗反射结构386-1和基底382，且层384-3可以形成在金属层的顶表面上。
在DOE 380中，每一个载波周期包括多个叠层和多个间隙，以配置每一个载波周期的填充因子。例如，0dc到1dc的第一载波周期包括具有第一高度(例如层384-1到384-5)和宽度的第一叠层和具有第二高度(例如层384-1到384-8)和宽度的第二叠层，以形成第一填充因子ff1。相对比地，1dc到2dc的第二载波周期包括具有第一高度(例如层384-1到384-5)和另一宽度的第三叠层和具有第二高度(例如层384-1到384-8)和另一宽度的第四叠层，以形成第二填充因子ff2。在这种情况下，第一到第四叠层每一个与不同宽度关联，以形成第一填充因子和第二填充因子。
在另一例子中，载波周期可以包括与从薄膜层的顶表面朝向基底的顶表面的不同深度关联的多个间隙。在一些实施方式中，DOE 380可以形成在晶圆上，例如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。例如，DOE 380可以形成在晶圆上，其包括取向为通过基底382并朝向基底382的顶表面发射的一个或多个发射器。另外或替换地，DOE 380可以形成在晶圆上，其包括另一光学元件，例如垂直发射器阵列、传感器、传感器阵列和/或诸如此类。
如图3F所示，光学元件390的另一示例性实施方式可以包括基底392，该基底392具有在基底392的第一顶表面上的第一DOE 394-1和在基底392的第二底表面上的第二DOE394-2。例如，薄膜层可以被沉积和/或形成在基底392的顶表面和底表面上，以形成一组DOE394。以此方式，相对于将多个DOE安装在多个基底上并将多个基底对准，可以降低对准多个DOE的难度。在一些实施方式中，DOE 394-1和394-2的相应载波周期可以与共同填充因子关联。例如，DOE 394-1和394-2可以针对0dc到1dc的第一载波周期与第一填充因子ff1关联，且可以针对1dc到2dc的第二载波周期与第二填充因子ff2关联。另外或替换地，DOE 394-1和394-2的相应载波周期可以与不同填充因子关联。
如图3G所示，光学元件395的另一示例性实施方式可以包括具有DOE397和填充材料398的基底396。在这种情况下，填充材料398可以设置到叠层之间的间隙中和/或设置在基底396和/或叠层的表面上，以形成用于光学元件395的平面表面。以此方式，填充材料398可以密封光学元件395，以防止因水、湿气和/或诸如此类的存在造成光学性能恶化。在一些实施方式中，填充材料398可以关联于与叠层匹配的具体折射率，例如约1.6的折射率，以与具有约3.5的折射率的叠层形成1.9的差。以此方式，在光学元件395例如接触水时保持相位延迟。
虽然针对5层、8层和/或诸如此类为一组在本文进行了描述，但是其他量的层也是可以的，例如额外层、更少层或层的不同组合。
如上所述，图3A-3G仅仅是作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图3A-3G所述的有所不同。
图4A-4D是DOE的示例性特性的图解400-460。
如图4A所示，图示400显示作为光栅厚度(例如叠层的高度或间隙的深度)函数的最大可用相位延迟。在一些实施方式中，可以基于可制造性标准针对DOE选择4π最大相位延迟。一些光学系统在DOE的一些区域之间(例如在载波周期之间)会要求0到2π的临界经历相位延迟，所述区域可以基于DOE的填充因子配置。深反应离子刻蚀(DRIE)技术可以针对大于10的横纵比(aspect ratio)使用，该横纵比可以限定为深度对最小特征尺寸的比例，纵深紫外光(DUV)分布和扫描技术可用于实现大于100纳米的特征。由此，在一些实施方式中，可以使用DRIE技术和DUV分布和扫描技术实现用于叠层的约1微米的光栅厚度。在这种情况下，DOE可以配置为具有4π最大相位延迟(针对100％的填充因子，相对于0％的填充因子而言)，其可以使用1微米蚀刻使得DOE实现2π最大相位延迟(针对75％的填充因子，相对于25％的填充因子而言)。
进一步如图4A所示，且如图示400所示，可以使用具有3.5折射率的硅、具有2.0折射率的硅氮材料(SixNy)(例如氮化硅)、具有1.5折射率的二氧化硅(SiO2)和/或诸如此类制造DOE。如图400所示，硅可以被选择作为用于蚀刻以制造DOE叠层的材料。在这种情况下，硅可以相对于其他材料实现减少的薄层(例如薄膜)厚度，由此改善可制造性。例如，对于二氧化硅，需要对应于40横纵比的4微米的薄膜层厚度以实现720度(4π)的最大相位延迟。对于氮化硅，需要对应于20横纵比的2微米的薄膜层厚度以实现720度的最大相位延迟。对于硅，需要对应于7横纵比的0.7微米的薄膜层厚度以实现720度的最大相位延迟。以此方式，相对于其他材料，选择硅作为薄膜层减少了最大所需薄膜层厚度和横纵比，由此对DOE实现改善的可制造性。在一些实施方式中，硅和二氧化硅可以被选择作为用于DOE的薄膜层，且薄膜层可以用作用于蚀刻DOE的整合蚀刻停止层，以形成用于DOE叠层的多层浮雕轮廓。在一些实施方式中，填充材料可以在蚀刻之后沉积在薄层上，以填充已蚀刻叠层之间的间隙，为薄膜层提供折射率匹配材料，以避免与非折射率匹配材料(例如水)接触已蚀刻叠层有关的相位延迟性能的恶化。
如图4B所示，且如示意图420所示，可以基于DOE的填充因子针对DOE确定透光率和反射率。在这种情况下，DOE可以是具有硅薄膜叠层的非折射率匹配的二维子波长周期性载波光栅。如示意图420所示，对于非折射率匹配DOE，透光率可以小于临界值，例如小于50％，小于60％，小于70％，小于80％，小于90％，小于95％，小于99％，和/或诸如此类，用于使得光栅填充因子不同。例如，对于各种填充因子，平均透光率可以是83％。类似地，反射率可以大于临界值，例如大于60％，大于50％，大于40％，大于30％，大于20％，大于10％，大于5％，大于1％，和/或诸如此类。
如图4C所示，且如图示440所示，可以基于其他DOE的填充因子针对另一DOE确定透光率和反射率。在这种情况下，其他DOE是折射率匹配的二维子波长周期性载波光栅，其具有形成了叠层的硅和二氧化硅薄膜层。进一步针对折射率匹配DOE如示意图440所示，对于从0％到100％的填充因子范围和/或其子范围，透光率可以大于临界值，例如大于90％，大于95％，大于99％，和/或诸如此类。例如，对于各种填充因子范围，平均透光率可以是97.4％。类似地，对于0％到100％的填充因子范围和/或其子范围，反射率可以小于临界值，例如小于10％，小于5％，小于1％，和/或诸如此类。结果，基于对材料成分、厚度和层的量进行配置，可以在填充因子范围内实现大于85％、大于95％、大于99％、和/或诸如此类的透射效率。以此方式，DOE的折射率匹配薄膜层可以实现改善的透光率和减少的反射率，由此相对于用于制造DOE的其他技术改善光学性能。
如图4D所示，且如图示460所示，可以相对于DOE的载波周期的填充因子，针对DOE确定相位延迟。在这种情况下，DOE可以是折射率匹配的二维子波长周期性载波光栅，其具有形成了叠层的硅和二氧化硅薄层。例如，对于35％到65％的填充因子，通过配置为用于4π最大相位延迟的DOE，可以实现2π相位延迟。
如上所述，图4A-4D仅仅是作为例子提供的。其他例子也是可以的，且可以与针对图4A-4D所述的有所不同。
以此方式，载波光栅可以提供子波长周期叠层-间隙结构的层，其以一波长提供透射相位延迟，使得子波长周期叠层-间隙结构的层包括一组薄抗反射层，该组薄抗反射层在子波长周期的填充因子范围内与环境或基底折射率匹配。
前文内容提供了展示和描述，但是目的不是要将实施方式穷尽或限制为所公开的确切形式。可以在上述内容的启发下或从具体实施方式的实施过程中做出改变和修改。
本文所述的一些实施方式与临界值有关。如在本文使用的，满足临界值可以是指大于临界值、多于临界值、高于临界值、大于或等于临界值、小于临界值、少于临界值、低于临界值、小于或等于临界值、等于临界值等的情况。
即使特征的具体组合记载于权利要求中和/或公开在说明书中，这些组合目的也不是要限制本发明的可能实施方式。事实上，许多这些特征可以以权利要求中未具体记载和/或说明书中未具体公开的各种方式组合。虽然每一个从属权利要求可以直接从属于一个权利要求，但是可行实施方式的公开包括与权利要求书中每个其他权利要求组合的每个从属权利要求。
本文使用的元件、动作或指令都不应被理解为是关键或必不可少的，除非另有描述。还有，如本文使用的，冠词“一”目的是包括一个或多个项目，且可以与“一个或多个”替换使用。进而，如本文使用的，术语“组”应是包括一个或多个项目(例如相关项目，非相关项目，相关项目和非相关项目的组合等)，且可以与“一个或多个”替换使用。在指仅一个项目的情况下，使用术语“一个”或相似用语。还有，如本文使用的，术语“具有”、“包括”、“包含”等应是开放性的术语。进一步地，短语“基于”应是“至少部分地基于”，除非另有说明。

Claims (20)

1.一种衍射光学元件，包括：
子波长周期叠层-间隙结构层，在一波长下提供透射相位延迟，
其中子波长周期叠层-间隙结构层包括一组薄抗反射层，该组薄抗反射层在子波长周期的填充因子范围内与环境或基底折射率匹配，和
其中，所述填充因子范围在包括子波长周期的周期内变化。
2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中该组薄抗反射层在子波长周期的填充因子范围内与环境和基底折射率匹配。
3.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中该组薄抗反射层包括薄膜层。
4.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层沿与基底的顶表面共面的单个维度构造出齿形。
5.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层沿与基底的顶表面共面的两个维度构造出齿形。
6.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层包括间隔层；和
其中透射相位延迟对应于间隔层的厚度。
7.如权利要求6所述的衍射光学元件，其中间隔层是薄膜层。
8.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中衍射光学元件的透射效率在填充因子的所述范围内大于85％。
9.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中衍射光学元件的透射效率在填充因子的所述范围内大于95％。
10.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层包括至少一个硅层和至少一个二氧化硅层。
11.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中衍射光学元件在所述波长下具有偏振无关性。
12.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层的一些区域之间的最大透射相位延迟大于或等于2π。
13.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层的一些区域之间的最大透射相位延迟大于或等于4π。
14.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中叠层-间隙结构层设置在基底的第一表面上；和
其中在所述波长下提供另一透射相位延迟的另一子波长周期叠层-间隙结构层设置在基底的第二表面上，且
其中所述另一子波长周期叠层-间隙结构层包括另一组薄抗反射层，该另一组薄抗反射层在子波长周期的填充因子的所述范围内与环境或基底折射率匹配。
15.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中填充材料至少部分地覆盖叠层-间隙结构层。
16.一种衍射光学元件，包括：
层的叠层，包括一组抗反射层，
其中层的所述叠层对一波长透射，
其中层的所述叠层的宽度被分为一组周期，
其中该组周期中的每一个周期的宽度比所述波长短，
其中该组周期中的一周期具有填充因子，该填充因子在该周期中限定了间隙的宽度，
其中不同周期的填充因子不同，
其中间隙的深度延伸经过层的所述叠层且经过该组抗反射层，
其中该组周期中的每一个周期在所述波长下提供与相应填充因子关联的相位延迟，
其中，在不同填充因子的范围内，该组抗反射层与间隙中的环境或与基底折射率匹配，和
其中，所述不同填充因子的范围在包括该组周期的波长周期内变化。
17.如权利要求16所述的衍射光学元件，其中该组抗反射层形成至少两个抗反射结构。
18.如权利要求16所述的衍射光学元件，其中该组抗反射层形成至少三个抗反射结构。
19.一种衍射光学元件，包括：
叠层-间隙结构层，包括夹在第一组抗反射层和第二组抗反射层之间的至少一个层，
其中所述叠层-间隙结构层在一波长下提供透射相位延迟，
其中所述叠层-间隙结构层具有的周期比所述波长短，
其中第一组抗反射层的材料成分、厚度和层的量以及第二组抗反射层的材料成分、厚度和层的量被选择为，在所述波长下，在所述周期的填充因子范围内实现大于85％的透射效率，和
其中，所述填充因子范围在包括所述周期的波长周期内变化。
20.如权利要求19所述的衍射光学元件，其中所述衍射光学元件设置在基底的第一侧上且另一衍射光学元件设置在基底的第二侧上。
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