绝热的平面波导耦合器转换器的制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请
[0002] 本申请要求于2012年11月12递交的美国临时申请No. 61/725, 400和于2013年 11月12递交的美国临时申请No. 14/078, 168的优先权，所述美国临时申请的全部内容通过 引用被并入本文中。
技术领域
[0003] 本发明的实施例涉及光的有效耦合，尤其涉及绝热的平面波导耦合器及其应用。
【背景技术】
[0004] 代替通过诸如透镜和光栅的分离装置，由诸如有机发光二极管（OLEDs)、发光二极 管（LEDs)和发光二极管的高折射率和高数值孔径装置发射或接收的光的有效的耦合还不 可用。由于缺乏用于所述分离装置的具有在大约1. 44至1. 7的范围之上的折射率η的透 明的、高折射率的光学材料，所述耦合也被妨碍。通常，通过融化或烧结来制备透明的氧化 物和电介质，例如用火焰水解的前体。高度掺杂玻璃也被用来形成透明的光学薄膜。由适 当的透明材料构成的玻璃薄膜限于诸如硼磷硅酸盐玻璃（BPSG)的掺杂玻璃，它可以作被 沉积为薄膜并且然后加热至光学透明。一般地，高熔点氧化物具有更高的折射率并且要求 高熔点温度。然而，这种材料在冷却时会再结晶，并且因此，由于增加的散射而不能用于低 损失的光学应用。此外，在具有第一折射率的装置与具有不同的折射率的第二装置之间的 界面处的光的反射也显著地限制光的有效的耦合、传输、传递和转换。在具有较大差异的光 学集光率或光学尺寸和立体角的特性的相邻光学元件之间的耦合需要诸如透镜、光栅或所 谓的"光子晶体"的分离的光学元件，以转变发散性或光学尺寸，或两者，用于耦合至具有不 同的光学特性的第二装置。迄今为止，不存在一种光学耦合器，能够在一个连续的装置中耦 合和传输。因此，不能够将高折射率膜层集成在一起以形成具有较大折射率反差的波导结 构。
[0005] 科学建模证实，测量的诸如单模激光二极管的分离的基于透镜的耦合装置耦合至 光纤的效率在优化后低于约20-30%。因此，光纤耦合源低于大约15%的效率。类似地，由 于二极管装置（其通常为横向波导装置，其中光一般通过P侧窗口以及通过透明导体层出 耦合）的高数值孔径，所以LED至空气的出耦合低于大约30-40%的生产效率。类似地，聚 光镜的集光被限制为低于大约40 %，甚至是对于高f数值（长距离焦点）的反射镜，并且 其通常比为更紧凑以及更有成本效率的具有低f数值的反射镜的聚光镜低得多。已经在最 近内部地展示为具有100%效率的OLEDs的出耦合可能导致低于实际被提取的光的20%至 25%〇
[0006] 因此，需要更好地制造涉及更有效地将光耦合进入以及耦合出分离装置、波导和 光纤的材料。
【发明内容】
[0007] 根据本发明的一些实施例包括沉积材料以提供光从第一装置至第二装置的有效 耦合的方法，所述方法包括如下步骤：将一个或多个晶片安装在旋转台上；在一个或多个 源靶下方连续旋转所述旋转台；供给处理气体；给所述一个或多个源靶供电；用射频偏压 给所述一个或多个晶片提供偏压；并且在所述一个或多个晶片上沉积光学介电薄膜。在一 些实施例中，荫罩板在沉积期间可以在一个或多个晶片上横向地平移。在一些实施例中，沉 积的薄膜可以具有横向和/或水平的变化的折射率和/或横向的变化的厚度。
[0008] 下面参照下面的附图进一步描述所述以及其它实施例。
【附图说明】
[0009] 图IA图示了典型的LED的光学发射立体角。
[0010] 图IB示出了在基板上沉积材料以形成横向锥形。
[0011] 图IC示出了在荫罩板下面形成的波导模尺码转换器的锥形芯的横截面。
[0012] 图ID示出了具有渐变的锥形的锥形区域。
[0013] 图2A和2B示出了形成模尺寸转化器的有源锥形薄膜的示意图。
[0014] 图2C至2F图示了模尺寸转化器。
[0015] 图3图示了具有LED芯片的平面波导耦合器设计/方案。
[0016] 图4A至4F示出了用于给晶片提供荫罩板的荫罩板和夹具。
[0017] 图5A、5B和5C图示了根据本发明的一些实施例的可以被用来沉积材料的沉积系 统。
[0018] 图示出了如图5A-5C所示地运行的Tango系统的AXcela PVD溅射系统。
[0019] 图5E示出了用于图中示出的系统的处理腔。
[0020] 图5F示出了在图f5D中示出的处理腔中的位于旋转台上和溅射靶位置下方的两个 连续的基板位置。
[0021] 图5G示出了可以用于图f5D中示出的系统中的具有金属靶（被移除且面向上）的 三角形的"德尔塔（Delta)"溅射源。
[0022] 图5H示出了如图中示出的处理腔中的旋转台。
[0023] 图51图示了根据本发明的一些实施例的沉积材料的示例性的过程。
[0024] 图6A和6B图示了通过在基板上的横向移动的荫罩板的横向涂覆部分。
[0025] 图6C示出了根据本发明的一些实施例的具有多个层的波导装置的截面图，这些 层是在沉积具有变化的折射率的薄膜的情况下通过荫罩板的横向移动累积的。
[0026] 图7示出了具有根据本发明的一些实施例形成的层的装置的截面图。
[0027] 图8示出了根据本发明的一些实施例的在AXcela旋转进给式处理腔中的荫罩板 定位"时钟式"驱动装置的安装设计。
[0028] 图9A和9B示出了通过借助于腔的销嵌齿的轮的旋转而驱动的时钟式驱动装置和 荫罩板的一些方面。
[0029] 图10是示出了与嵌齿的轮啮合的驱动销的图示。
[0030] 图11示出了根据本发明的一些实施例的提升机构。
[0031] 图12A至12D示出了用于根据本发明的一些方面制造的薄膜的光学折射率和消光 值的椭率计测量数据。
[0032] 图12E示出了涂覆在具有非晶相或层部分和结晶层部分的基板上的氧化钛的横 截面的扫描电子显微镜图像。
[0033] 图12F示出了根据本发明的一些实施例沉积的氧化钛的两个薄膜的η和k数据。
[0034] 图12G示出了根据本发明的一些实施例沉积的两个非晶合金薄膜的椭率计数据η 和k〇
[0035] 图12H示出了在偏压下溅射沉积的HfO2薄膜相比于没有射频偏压下沉积的相同 薄膜的折射率的增加。
[0036] 图121示出了每一个薄膜都根据本发明的实施例沉积的四个薄膜的折射率范围 范围，四种膜为：Ti02、110 2与HfO 2合金、HfO 2和Al 203。
[0037] 图12J示出了根据本发明的实施例的三个薄膜的消光值。
[0038] 图12K示出了根据本发明的一些实施例的在溅射功率的范围上的与HfO2合金化 的110 2薄膜的折射率。
[0039] 图12L示出了根据本发明的一些实施例的在溅射功率的范围上的与HfO2合金化 的一系列TiO 2薄膜的折射率范围。
[0040] 图13示出了根据本发明的一些实施例在沉积期间使用时钟驱动装置使荫罩板在 晶片上运动的沉积材料的过程。
[0041] 图14图示了根据本发明的一些实施例的基板上的涂层的横截面。
[0042] 图15示出了根据本发明的一些实施例的表示形成第一层以使得涂层的厚度连续 增加的连续工艺的多个阶段的多个部分的芯波导系列。
[0043] 图16示出了根据本发明的一些实施例的具有不变厚度的第一层的横截面，其中 在第二层下方具有渐变的折射率以形成光导结构。
[0044] 图17图示了根据本发明的一些实施例的反射和扩散的用于耦进或耦出光的装置 的多个层。
[0045] 图18示出了从OLED结构发生的光的大约50%被具有高折射率的OLED和透明的 导电氧化物ITO的波导诱捕。
[0046] 图19示出了根据本发明的一些实施例的装置的层的透视图。
[0047] 图20A示出了根据本发明的一些实施例的具有三层的边射发光二极管的透视图， 其包括发光二极管或Pin结构的发光波导结构的。
[0048] 图20B图示了根据本发明的一些实施例的在波导结构内的图20A的锥形芯。
[0049] 图20C是图示了根据本发明的一些实施例的来自于二极管的光的路径的图20B的 二极管和波导结构的立面透视图。
[0050] 图21示出了根据本发明的一些实施例的示出具有两个散热器结构的二极管的封 装的图20C的耦合波导结构，两个散热器结构各位于二极管的一个主平面两侧。
[0051] 图22示出了具有根据本发明的一些实施例的波导结构的三层二极管结构的重 置。
[0052] 图23示出了与传统光源相比、具有如上所述的根据本发明的一些实施例的二极 管光源的光源耦合器平面封装。
[0053] 图24示出了根据本发明的一些实施例的与波导耦合器转换器右对齐的三个边射 发光二极管。
[0054] 图25示出了根据本发明的一些实施例的与三个二极管对齐并且封装在基板的表 面上的波导耦合器。
[0055] 图26示出了根据本发明的一些实施例的接合至散热装置上的图25的组件。
[0056] 图27示出了根据本发明的一些实施例的固定至散热装置上的图25中所示的两个 装置。
[0057] 图28示出了根据本发明的一些实施例的与耦合器转换器一起定位的三个二极管 琢面。
[0058] 图29示出了根据本发明的一些实施例的耦合器转换器。
[0059] 图30A和图30B分别示出了根据本发明的一些实施例的具有三个偏移层的基板的 平面图和透视图。
[0060] 图3IA至3IB以透视方式示出了图30A和30B的三个偏移层。
[0061] 图32A和32B示出了根据本发明的一些实施例的多个三个层的横向吸收太阳能电 池的电连接，该横向吸收太阳能电池以波导的模式形成并且串联连接以在减小的电流的条 件下提供增加的电压。
[0062] 图33示出了根据本发明的一些实施例的波导中的横向吸收的光电池，该光电池 具有用于将低于频段的光耦合出而进入光纤以便传输的系列转换器。
[0063] 图34示出了根据本发明的一些实施例的用于将光聚集、耦合和传输至光学接收 器的系统。
[0064] 图35图示了重氟化玻璃ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF混合物）与硅相比的 光学衰减。
[0065] 图36图示了作为根据本发明的实施例沉积的TiOjP !1?)2的功率比率的函数变化 的拟合折射率的图形。
[0066] 下面将参照上述附图进一步讨论本发明的所述和其它实施例。
【具体实施方式】
[0067] 应理解的是，下面的详细说明仅是示例性和说明性的，而不是本发明的限制，本发 明仅由附属的权利要求限定。此外，与根据本发明的一些实施例的材料的沉积或波导结构 的性质有关的具体说明或理论仅出于说明的目的被示出，而不应视为限制本公开或权利要 求的范围。
[0068] 本发明的实施例的一些方面包括材料、制造材料的沉积处理、以及由所述材料制 造的用于光通过量光能量输出、集光率和相关的照射能量的有效耦合、传输和转变的装置。 如下所述，根据本发明的一些结构可以具有通过厚度或跨过厚度或两者的可变的复合折射 率结构，其可以促进经由束缚模的传播和转换的光耦合和传输。
[0069] 在下面的公开中，下面的术语和首字母缩写被给出其通常的含义，并且仅出于清 楚的目的讨论如下：
[0070] 集光率（6tendUe):光学系统的集光率表征光学系统接收光的能力，并且其是发 射源的面积与其中光传播的立体角的乘积。集光率与数值孔径（NA)的平方成正比，即横穿 面积S的光的集光率与该面积和NA 2的乘积成比例。
[0071] 数