专利名称：二维渐变折射率光学元件的制造方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明是关于一种渐变折射率(Gradient Refractive Index，GRIN)光学元件的制造方法及装置，尤指一种具二维渐变折射率分布光学元件的制造方法及装置。
背景技术：
渐变折射率(GRIN)光学元件广泛应用于光纤通信系统及图像传输系统，如复印机、照相机和传真机等。渐变折射率透镜通体具一梯度分布的光学折射率，该梯度分布的光学折射率与透镜形状共同控制通过该透镜的光线的聚集和发散。渐变折射率透镜在应用中还可方便替代多个普通透镜的组合。
目前，渐变折射率光学元件如渐变折射率透镜和光纤的制造主要利用离子交换(Ion Exchange)、溶胶-凝胶(Sol-Gel)、材料擴散法(Bulk Diffusion)和化学汽相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)等方法。但上述方法均需在特殊烘箱中长期处理且成本较高，此外，上述方法还均需准备特殊粉末、液体或气体材料。
美国第4,802,330号专利揭示了一种离子交换的方法，它是目前业界制造渐变折射率透镜最常用的方法之一。该方法首先将玻璃基体置于高温熔盐中，且高温熔盐中离子的折射率高于玻璃基体中离子的折射率，此步骤实现高温熔盐中的离子扩散至玻璃基体内部；其次，将上述玻璃基体再置于另一种高温熔盐中进行离子交换，且此高温熔盐中离子的折射率低于上一步骤中使用的高温熔盐离子的折射率，并以此在该玻璃基体中实现预定的折射率分布。
虽然离子交换法用于制造渐变折射率透镜的工艺比较简单，但是它仍然有一些缺陷。一些缺陷存在于离子交换机理本身，由于高温熔盐离子不能深度进入玻璃棒内部进行交换，所以此方法通常不能用于制造较大的元件或具有高折射率梯度的元件；化学热浴(水浴或油浴)的环境影响也是该方法的缺陷之一；此外，采用该方法制造的产品合格率不高，从而导致生产成本较高。
美国第4,418,980号专利揭示了一种通过将钛离子扩散至铌酸锂晶体内部制造平坦渐变折射率透镜的方法。在真空镀膜或汽相沉积的过程中，利用一掩膜或可变隔膜控制晶体内部暴露于掺杂物的范围，或者说，该晶体内部可通过控制离子注入而改变其掺杂浓度。
美国第5,157,746号专利揭示了一种具二维渐变折射率分布透镜的光波导阵列。该二维渐变折射率分布透镜的折射率分布是通过改变制造过程中紫外线照射的能量形成的。
上述所有方法均难以实现生产所需的精度，尤其是离子交换和化学汽相沉积法难以实现精确控制，并且，上述方法中大都需要移动掩膜装置或其他设备，因此将更难以协调生产步骤且使晶体内部容易受到污染。
发明内容本发明的目的在于提供一种二维渐变折射率光学元件的制造方法，其易于精确控制。
本发明的另一目的在于提供一种二维渐变折射率光学元件的制造装置，其易于精确控制。
本发明的目的是这样实现的，提供一裸露外表面的波导，提供一掺杂元素离子源，使掺杂元素离子源发射极化离子，通过加速该极化离子使其达到一高能量，以产生一极化离子束，且将高能量极化离子束引导并聚焦至波导的外表面，在波导中形成一预定折射率分布，高能量极化离子束的穿透力由该掺杂元素原子的能量决定。
本发明二维渐变折射率光学元件的制造装置包括至少一气体源、一电源、至少一离子源、一分析器磁体(Analyzer Magnet)、一加速管、一对相对设置的Y轴扫描板、一对相对设置的X轴扫描板、一法拉第筒、一用于波束线点位置扩散的泵浦(Beam Line & EndStation Diffusion Pumps)及一供应器。其中该至少一气体源至少包括一种气体，供应器可连续供应目标光学元件至目标位置。
与现有技术相比较，本发明二维渐变折射率光学元件的制造方法及装置的环境影响要低于离子交换法，其精确度和易实现度高于紫外线照射法，合格率高且成本低。由于本制造方法无需掩膜，故制造过程中晶体内部不易污染。
图1是本发明二维渐变折射率光学元件的制造装置的示意图。
图2是图1中所用玻璃棒的立体图。
具体实施方式本发明二维渐变折射率光学元件的制造方法包括以下步骤将掺杂原子离子化，加速此离子使其达一高能量状态，将其导入目标光学元件401(如芯片或裸露外表面的波导)中。
请参阅图1，本发明二维渐变折射率光学元件的制造装置包括一气体源101、一电源102、一离子源103、一源扩散泵浦(SourceDiffusion Pump)104、一分析器磁体(Analyzer Magnet)106、一分辨孔107、一腔体108、一加速管201、多个Y轴扫描板301、多个X轴扫描板302、一波束线点位置扩散泵浦(Beam Line & End StationDiffusion Pumps)303、一法拉第筒304及一供应器402，其中该多个Y轴扫描板301及多个X轴扫描板302可分别相对设置。
该气体源101提供一种或多种惰性气体如氩气(Ar)至腔体108中，在系统操作过程中，这些惰性气体分布于整个腔体108中。该离子源103包括任意一种可掺杂元素，如铊(Tl)、钛(Ti)、银(Ag)、铯(Cs)、铷(Rb)、锂(Li)或镉(Ge)，当这些可掺杂元素植入目标光学元件401中，其均可改变目标光学元件401的折射率，且具较高可极化性。电源102用于为离子源103提供电源。
当电源102激励离子源103时，上述可掺杂元素的原子被电离成高极化离子，从离子源103发射，并于分析器磁体106中沿磁场方向加速。当高极化离子与惰性气体发生碰撞，这些惰性气体原子也被极化并形成一等离子体区，该等离子体区分布于整个腔体108，并被用于控制高极化离子束。
该高极化离子束的高能化依赖于一真空系统的维持，该真空系统由源扩散泵浦104及波束线点位置扩散泵浦303共同提供。该分析器磁体106改变高极化离子束的传输方向并使其穿过分辨孔107，加速管201产生电磁场将高极化离子束加速至一预定高的能量，以使其足够穿入目标光学元件401，并到达一预定深度。该高极化离子束于X轴及Y轴之运动轨迹由多个X轴扫描板302及Y轴扫描板301之间的电场决定，以精确控制该高极化离子束轰击目标光学元件401的位置。
一法拉第筒304用于将该高极化离子束聚焦成一点后轰击于目标光学元件401上。当一目标光学元件完成离子束掺杂后，供应器402将自动供应一新的目标光学元件至目标位置。
通过设置多个离子源103于腔体108中，多种掺杂元素可用于注入目标光学元件401。本发明二维渐变折射率光学元件的制造方法系统中使用装置及其位置的改变将导致目标光学元件401特性的变化，通过多束离子束连续轰击确保该目标光学元件401被击中，可一次一波束，每一波束具有一种掺杂元素，或者所有波束一次同时轰击，每一波束具有一掺杂元素，上述情况由系统设计及设置决定。
请同时参阅图2，本发明所述的目标光学元件401可为一利用现有切割及研磨技术加工相应材料(如晶体、玻璃或聚合体等)制成的波导，如一裸露外表面的玻璃棒22。该制造系统通过将高能量高极化离子束引导并聚焦至玻璃棒22的弯曲外表面，且轰击穿透该弯曲外表面，以使该玻璃棒内部实现预定的折射率分布，该高能量高极化离子束的穿透力由上述掺杂元素原子的能量决定。
该玻璃棒22可以一预定速度旋转，并且沿该高能量高极化离子束运动轨迹轴向移动，以此实现该高能量高极化离子束按预定分布轰击。因此，玻璃棒22的移动是系统调整在该玻璃棒22上产生渐变折射率分布的另一可变因素。
权利要求
1.一种二维渐变折射率光学元件的制造方法，其包括下列步骤提供一裸露外表面的波导；提供一掺杂元素离子源；使该掺杂元素离子源发射极化离子；通过加速该极化离子使其达到一高能量，以产生一极化离子束；且将该高能量极化离子束引导并聚焦至该波导的外表面，在该波导中形成一预定折射率分布，该高能量极化离子束的穿透力由该掺杂元素原子的能量决定。
2.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于该波导由一晶体材料、玻璃材料或聚合体材料制成。
3.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于仅有一种掺杂元素的高能量极化离子被用于轰击该波导。
4.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于有多种掺杂元素的高能量极化离子被用于轰击该波导。
5.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于有多种掺杂元素的高能量极化离子被用于轰击该波导且每一种掺杂元素的极化离子单独轰击该波导。
6.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于有多种掺杂元素的高能量极化离子被用于轰击该波导且上述各种极化离子同时轰击该波导。
7.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于该波导沿纵轴方向旋转且沿该掺杂元素的高能量极化离子束轨迹轴向移动。
8.如权利要求1所述的二维渐变折射率光学元件的制造方法，其特征在于该掺杂元素可从铊(Tl)、钛(Ti)、银(Ag)、铯(Cs)、铷(Rb)、锂(Li)及镉(Ge)中选择。
9.一种二维渐变折射率光学元件的制造装置，其包括至少一气体源，其至少包括一种气体；一电源；至少一离子源；一分析器磁体；一加速管；一对Y轴扫描板，其相对设置；一对X轴扫描板，其相对设置；一法拉第筒；一泵浦，用于波束线点位置扩散；及一供应器，其可连续供应目标光学元件至目标位置。
全文摘要
一种二维渐变折射率分布光学元件之制造方法及装置，其中该制造方法包括以下步骤提供一裸露外表面的波导，提供一掺杂元素离子源，使掺杂元素离子源发射极化离子，通过加速极化离子使其达到一高能量，以产生一极化离子束，且将高能量极化离子束引导并聚焦至波导的外表面，在波导中形成一预定折射率分布，高能量极化离子束的穿透力由该掺杂元素原子的能量决定。该制造装置包括至少一气体源、一电源、至少一离子源、一分析器磁体、一加速管、一对相对设置的Y轴扫描板、一对相对设置的X轴扫描板、一法拉第筒、一用于波束线点位置扩散的泵浦及一供应器，其中该至少一气体源至少包括一种气体，供应器可连续供应目标光学元件至目标位置。
文档编号H01L21/265GK1492243SQ0213505
公开日2004年4月28日 申请日期2002年10月24日 优先权日2002年10月24日
发明者吕昌岳, 陈杰良 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司