专利名称：多层光学结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及多层光学结构，其包括诸如玻璃和晶体材料的光学材料层。具体地，本发明涉及具有不同光学特性的多层光学层的结构，用于例如平面光学器件、光纤、光纤预成品、光学存储器等。
背景技术：
将机械、电和/或光学元件组合或集成为集成器件对材料的加工产生了巨大的需求。而且，理想地是在相同的体积内放置更多的集成器件。为了制成这样的集成结构，在基底上应用带有选定特性的特定组件受到了很大的关注。为了形成带有高质量光学材料的光学器件，涂层或材料层通常是高度均匀的。
现今使用的光学通讯的光波长为1.3～1.6微米。光学波导管的尺寸通常是波长的许多倍。因此，光学结构的尺寸可从几微米到100微米，这取决于光学模式的需求和其他因素。
包括基于互联网系统的通讯和信息技术的突飞猛进促使全球范围内的一致努力来实现光通讯网络，以通过光学通讯获得大的带宽。利用密集波分复用技术，可进一步扩展光纤技术的容量。随着需求的增加，需要更多的通道来实现系统功能。复杂性增强的光学组件的制造需要沉积带有复杂性增强的结构和/或组件的高质量光学材料。而且，光学材料必需成特定的器件。
光学材料的基本特性包括表面质量、均匀度和光学质量。光学质量指的是足够小的吸收率和散射损失，从而获得所需的传输水平。光学质量也包括诸如折射率和双折射性的光学性质均匀性。另外，光学质量受界面质量，例如核心层和包覆层之间的界面质量的影响。对于二氧化硅(SiO2)和几种其他材料，光传输的优选形式是玻璃，而对于一些其他材料，单晶体形式可能具有最高质量的光学传输。
几种方法被用于和/或被推荐用于所述光学材料的沉积。这些方法包括，例如烟流水解沉积(flame hydrolysis deposition)、化学蒸气沉积、物理蒸气沉积、溶液-凝胶化学沉积和离子植入。烟流水解沉积和几种形式的化学蒸气沉积已在用作纤维光学元件的玻璃纤维的生产中成功地应用。烟流水解沉积涉及氢-氧焰的使用，以便使气态前驱体反应以形成作为基底表面上的涂层的光学材料的颗粒。该涂层的后续热处理可导致均匀光学材料的形成，该光学材料一般是玻璃材料。
将为参杂物或理想配比组分的不同元素引入所需的成分中是困难的。具体地，将元素混合以形成用于光学材料的复杂成分，具有挑战性。如果将特别复杂的组分置于结构中的特定位置，那么将更具挑战性。
已经开发出了几种利用激光热解法生产高均匀度亚微米和纳米级的微粒的方法。高均匀微粒优选地用于各种器件的制造，这些器件包括例如用于电池、抛光组分、催化剂、光学显示的荧光物质。激光热解法包括驱动反应物流进行化学反应的强光束，从而在离开激光束之后，随着所述物流的快速冷却形成高均匀度的微粒。激光热解法具有的优点是可将各种不同的元素结合到微粒组分中。
发明内容
第一方面，本发明涉及一种整体光学结构，该结构包括多个层，每个层具有限定在部分层中的隔离的光学路径。所述整体光学结构可包括一个或多个集成光学电路。在一些实施例中，尤其对于用作预成品的，整体光学结构可包括多个隔离的光学路径，所述光学路径包括延伸通过至少所述结构的一个线性尺寸的光学芯。
另一方面，本发明涉及一种用于形成整体光学结构的方法，所述方法包括使结构多次通过微粒的流动物流穿行。微粒的组分在所述穿行之间改变。微粒形成多层，每一层具有固化后的光学材料，同时多个层具有在部分该层中限定的隔离路径。特定的层横过该层可具有或不具有均匀的光学特性。
又一方面，本发明涉及一种挠性光纤，该光纤具有多个独立的光通道。所述光通道包括沿光纤的长度方向延伸的芯光学材料。
而且，本发明涉及一种用于形成光纤的方法，包括在将预成品加热到软化温度的同时，拉制形成图案/分层的预成品，从而形成光纤。光纤具有包括芯光学材料的多个独立的光通道。
另外，本发明涉及一种计算机，该计算机包括存储多个程序的永久性光学存储器，所述程序是可选择性访问的。
而且，本发明涉及一种用于形成结构的方法，该结构具有至少三个微粒涂层，每个涂层覆盖至少基底表面的一部分，所述方法包括至少将微粒流的一部分沉积到基底上。微粒的沉积包括在不超过大约1分钟的时间内将基底移动通过微粒流三次。
在其他实施例中，本发明涉及光纤预成品，该光纤预成品包括多层光学材料，该光学材料形成延伸通过所述结构的直线尺寸的多个隔离的光学路径。
而且，本发明涉及操作计算机的方法，该方法包括从永久性光学存储器中选择程序，以及执行该程序。所述永久性光学存储器包含多个程序。
本领域的技术人员在详细阅读后续的附图和说明后，将明白本发明的其它系统、方法、特征和优点。本发明旨在将所述其它系统、方法、特征和优点包括在说明书、本发明的保护范围内，并且由后附的权利要求所保护。
图1是侧视图，示出了用于以高生产率进行粉末的激光热解合成的反应室；图2是示意图，示出了用于将蒸气/气体反应物输送至流动反应系统，例如图1中的激光反应器的反应物输送系统。
图3是侧剖视图，示出了带有气溶胶发生器的反应物内喷嘴，用于将气溶胶和气体/蒸气输送到反应室中，其中剖面是沿插图的线3-3截取的，插图示出了狭长反应物入口的顶视图。
图4是沿图3中的插图中的线4-4截取的图3的反应物入口喷嘴的侧剖视图。
图5是一光反应沉积装置的示意图，该光反应装置形成有具有通过导管连接到分离的涂敷室的微粒产生装置。
图6是一涂敷室的透视图，其中室壁是透明的，以便允许看到内部成分。
图7是透视图，示出对着安装在转台上的基底的微粒喷嘴。
图8是示意图，示出一光反应沉积装置，其中在微粒生产室中将微粒涂层涂敷在基底上。
图9是透视图，示出了将反应物输送到位于基底附近的反应区的反应物喷嘴。
图10是沿线10-10截取的图9中的装置的剖视图。
图11是透视图，示出了光反应沉积室的一实施例。
图12是图11中光反应沉积室的反应室的放大视图。
图13是图12中反应室的基底支承的放大视图。
图14是透视图，示出了光学材料的形成图案的层。
图15是在沉积一上包覆层之后图14的材料的侧视图。
图16是一光学电路的透视图。
图17是沿线17-17截取的图16中的光学电路的剖视图。
图18是多层光学结构的透视图。
图19是多层光学结构的特定实施例的侧视图。
图20是剖视图，示出了沿着具有多个光学路径的层截取的多层光学结构。
图21是多芯/形成图案的预成品的侧视图。
图22是沿图21中线22-22截取的图21中多芯/形成图案的预成品的剖视图。
具体实施例方式
可在多个层和/或多个层中的一部分中具有选定光学性质的多层光学材料中制出复杂的光学结构。这些复杂的结构可有效地用来获得提高的光学传输和处理能力。聚焦辐射(例如光线)反应沉积(focused light reactivedeposition)是形成具有例如不同的折射率和/或组分的分层材料以将适合的光学特性引入多层结构的特定层或部分层的通用方法。在具体关注的实施例中，形成多层结构以将所需的光学通道/路径结合在光学分离的多个层中，在一些实施例中，是在一个层中的光学分离的通道处。所述多层结构可适于形成多尺寸的带有单独层的光学结构，该单独层可选地起带有集成光学器件的光学电路的作用，该多层结构或者可适于形成诸如由多层预成品形成的多通道光纤。所述多尺寸光学结构可用来形成多尺寸光学存储系统。
具体关注的多层光学结构包括具有彼此不同的光学特性的多层或部分多层形式的区域。这些变化的光学特性可以用于在多层光学结构中形成独立的光学通道。各种光学材料的受关注的光学特性包括例如折射率、分散性、双折射性、光学活性、吸收/传输性等等。材料的光学特性可通过改变密度、结构、均匀性和化学组分而变化。具体地化学组分可在相当大的范围内为光学特性的调整提供多种多样的参数。在多层结构中，用于特定层或部分层的光学特性的选取通常是基于结构所需的用途。
已开发出了新的工艺，其名称为聚焦光线(例如光线)反应沉积，以便形成高均匀度的涂层和器件。聚焦辐射(例如光线)反应沉积包括聚焦辐射(例如光线)驱动的流动反应物，配置该反应物，用于在形成物流形式的微粒之后将产品微粒沉积在一表面上。聚焦辐射(例如光线)反应沉积将用于驱动流动反应物流以形成亚微米粉末的基于辐射的工艺特性引入直接涂敷工艺，该基于辐射的工艺在引入强光束作为辐射源时被称作激光热解法。具体地，宽范围的反应前驱体可用于产生带有气态、蒸气态和/或气溶胶形式的组分的反应物流，并且宽范围的高均匀度的产品微粒可以高效地被生产。所开发的用于激光热解法的反应物输送方法可适于聚焦辐射(例如光线)反应沉积。为方便起见，这种应用可互换地指代基于辐射的热解法和激光热解法，并且可互换地指代聚焦辐射反应沉积和光反应沉积。
在激光热解法中，反应物流利用诸如激光的强光束反应。虽然激光束是方便的能量源，其它强光束也可用在激光热解法中。激光热解法用于形成在热动态平衡条件下难以形成的材料的相。当反应流离开光束，产品微粒快速冷却。对于参杂材料和其它复杂光学材料的生产，本方法的优点在于材料的组分可以在所需的范围内加以调整。
成功实施用于生产微粒和带有所需组分的相应涂层的激光热解法/光反应沉积法的基本因素是产生包含合适的前驱体组分的反应物流。具体地，对于利用光反应沉积来形成参杂材料，反应物流可包括寄主玻璃或晶体前驱体和可选的光学参杂前驱体。具体地，产品光学材料的组分可通过改变反应物流的组分而调整到所需的理想配比和参杂物组分。类似地，除非前驱体是适合的辐射吸收体，否则要将额外的辐射吸收体添加到反应物流中以吸收光能，来传递到反应物流中的其它组分中。其它附加的反应物可用于调整反应物流中的氧化/还原环境。
带有不同理想配比和晶体结构的亚微米无机微粒，包括无定形结构，可单独利用激光热解法或利用激光热解法和其它附加工艺来生产。特别地，无定形和晶体亚微米、纳米级微粒可利用激光热解法由选定的参杂物生产。类似地，利用光线驱动反应方法可生产各种新型材料。光反应沉积法可用于形成高均匀度的玻璃(即无定形材料)和晶体材料涂层，这些材料可选地带有包括例如参杂组分的复杂混合物的参杂物。
为了形成均匀的玻璃层，利用光反应沉积法沉积的无定形微粒层可被固化和致密。为了固化玻璃，可将粉末加热到其流动温度以上。在这样的温度下，粉末密化形成均匀的玻璃材料层。基本上均匀的光学材料具有允许光线传输的光学特性。将参杂物引入微粒会导致参杂物在所得到的密化玻璃材料中的分布，该密化玻璃材料直接作为粉末沉积的结果。类似地，晶体光学材料，诸如蓝宝石能通过诸如用于形成蓝宝石的氧化铝的晶体粉末的固化，被制成多层。也可将参杂物引入到晶体材料中。类似地，一般可采用合适的加热和冷却速率来将无定形材料固化成晶体层(一般为低冷却速率)以及将晶体粉末固化成玻璃层(一般为快速冷却)。
用于将参杂物、特别是稀土参杂物引入玻璃材料的普通工业用方法包括玻璃的初始形成和随后将参杂物引入蒸气或液态的玻璃中。可将玻璃制成多孔型，以便便于将参杂物引入玻璃中。这些方法通常需要多个步骤来产生多孔的玻璃。另外，获得所需的参杂物浓度和参杂物均匀的分布很难。相反地，下述的反应方法直接将参杂物引入玻璃材料中。因此不需要将玻璃制得多孔，并且，由于一般不需要附加的步骤来改变组分，加工步骤的数目减少。
通过改变激光热解法的性质，光反应沉积法能沉积高均匀度、非常小的微粒。由于粉末的均匀性和小尺寸，采用光反应沉积法来形成均匀和平滑的涂层表面。使用光反应沉积法，可将加热后的二氧化硅玻璃涂层形成具有均方根表面粗糙度，利用原子力显微镜测量，该值约为0.25～0.5nm。这样，表面比想通过火焰热解沉积法获得的表面光滑而比化学蒸气沉积法可获得的光滑度粗糙。这些利用光反应沉积法(LRD)涂敷的光滑玻璃涂层通过移动基底经过产品流而在相对高的沉积速率下沉积。因此LRD已经展现出了作为一种用于形成非常高质量的玻璃涂层的高效和有效方法的能力。
而且，利用光线沉积方法，能形成复杂的结构，该结构具有选择变化组分的复杂的材料变化。另外，通过应用激光热解技术来工业化生产粉末，光反应沉积法可在非常快速的速率下形成高质量的涂层。多层可通过使基底额外地掠过产品微粒流而形成。
由于每个涂层具有高均匀度和光滑度，因此可层叠大数目的层，而同时在叠层结构上保持适当的控制，从而贯穿该叠层结构形成光学器件，而同时结构变化不会相反地影响形成光学器件的能力。可在层之间，即垂直于结构的平面，和/或结构面中的部分层之间使组分发生变化，从而形成所需的光学结构。这样形成了层叠的集成光学器件的分层结构。
为了形成所述光学层，一般必须将涂敷的基底加热以产生带有可接受光学特性的均匀光学材料。可在形成层的过程中的不同阶段将所述层固化成密化的光学材料。例如，该加热步骤可在每个层沉积之后、几个层沉积之后或所有层沉积之后进行。用于固化的一个或多个层可形成图案以将特定的光学材料定位在层的部分中。通过只在部分基底上选择地加热基底，在特定的加热步骤中只有部分层可被固化。大体上，提供更多的加热步骤改善了玻璃层的质量，但处理上更费力。光反应沉积法可产生更高质量的层，所述层在许多层沉积之后经热处理，同时不会过度地降低最终的组成结构的质量。
为了在层中形成有图案的结构，可与诸如化学蚀刻或基于辐射的蚀刻的蚀刻法一起使用形成图案的方法，诸如平版印刷术和光刻法在一个或多个层中形成所需的图案。该图案形成一般在沉积附加材料之前、在中间沉积产品上进行。
这里所描述的多层-多路光学材料的形成是基于多层的沉积，每个层可以或者没有形成轮廓以在特定层中形成特定结构。形成多层光学结构的能力使之可能在更小的体积内形成具有更大传输能力的光学材料。例如，可例如通过在Z平面，即垂直于被涂敷的基底平面中改变所沉积的材料，来将沿不同层的多个光学通道，即路径，引入单个结构。可选地或者额外地，通过仅在部分层上选择性沉积选定的光学材料，或者通过合适的蚀刻材料或相反地使材料形成轮廓以便在所述层中、即在基底的x-y平面中形成隔离的区域，在单个层上形成多个结构，从而沿着一个层形成相邻的光学通道。所述带有多个光学通道的单个整体结构为相应的多个无关联光学信号提供同步传送，其中，每个光学信号根据在特定光学通道中的材料而具有全带宽。由于在整体结构中的光学通道的光学分离，所述信号可保持不关联，即使空间间隔很小。
利用多层光学结构，平面光学器件可形成包括光学电路的单独层，所述光学电路带有波导管，并通常带有多个额外的集成光学器件，例如耦合器、放大器等等。这样，带有多个集成光学电路的叠层结构可以整体形式形成。用这种方法，可在小体积内放置大数量的光学器件。在一些实施例中，利用基于层的集成光学电路的层叠，可获得在封装能力的提高，从而沿平面、通常在平面基底上设置非常大量的集成光学电路。由于层的厚度较薄，所以可增加每个具有集成光学电路和/或其它光学器件的附加层，而不会显著改变整体结构所占的整个空间。这样，能容易地以与前述器件相同的方式增加光学处理能力的数量级或使光学处理能力有更大的增长。
类似地，多层光学结构可用作纤维预成品。光纤通常从较大块的材料拉出。所述材料块提供了光学材料源，该光学材料具有用于在预成品中合适排布的纤维的选定组分，尽管在备选实施例中，纤维或部分纤维中的组分也可利用参杂物或在形成纤维之后的附加的参杂物来改变。一般地，由于光反应沉积能将多种多样的所需组分引入选定的层和预成品的层中的位置，所以在形成纤维之后不需要改变纤维的组分。由于特定的组分可定位在预成品中的所需位置，所以所述多样性在形成多层预成品时是有价值的。
光纤包括由包覆材料包围的核心，其中，核心和包层具有不同的折射率，因此合适频率的光线被限制在核心区域。具体地，利用光反应沉积法，利用在层中和层间变化的选定化学组分生产纤维预成品，由此可在整体结构中以二维阵列形成独立的光学通道。带有在二维空间变化的组分的整体结构可用作拉制形成具有相应的多个独立光通道的纤维的预成品，所述光通道排布在单个纤维中以相应地增大传输能力。尽管结构的尺寸在拉制该纤维时明显地发生变化，但在相应的纤维中保持在预成品中变化组分的组织。另外，多层整体结构可用作用于多通道光纤和/或用于带有集成光学电路叠层的整体光学结构的连接器。
形成复杂三维光学结构的能力可优选地适于形成耐用的三维光学存储器、光学波导管/导管/纤维(例如布拉格光栅)、光学衰减器、分光器、耦合器、光学过滤器、光学开关、激光器、调制器、互联器、光学隔离器、光学增减复用器(OADM，add-drop multiplexer)、光学放大器、偏光器、光学平面镜/反射器、光学相位延迟器和光学探测器。在一些实施例中，三维光学结构可形成为光纤预成品。在选定的实施例中，光学存储单元可形成为高容量永久性存储系统。在整体结构中的单元单独形成用于数据存储的可寻址数据元件。永久存储器可优选地用于存储计算机程序。用于形成涂层的光反应沉积法在具体关注的实施例中，利用光反应沉积法形成光学层。形成高均匀度的产品微粒流，其被直接导向待涂敷的基底。所得的微粒涂层可形成光学材料，例如玻璃或晶体。
光反应沉积是一种涂敷方法，该方法使用强光源来驱动来自流动的反应物流的所需组分合成。尽管在沉积过程中，由于其温度高，沉积在表面上的热微粒会部分熔化，但光反应沉积的通常结果是粉末沉积。光反应沉积与用于粉末合成的激光热解法的类似处在于强聚焦的辐射(例如光线)源驱动反应。激光热解法包括流动的反应物流，该反应物流在反应产品形成微粒的反应区域处与强辐射(例如光线)束相截交，即聚焦的透射(focusedtransmission)。当在激光热解法中制成的微粒被收集起来用于后续使用时，在光反应沉积中，所得到的组分被直接导向形成涂层的基底表面。导致产生高均匀度微粒的激光热解的特性能在以高均匀度制成涂层的过程中相应地实现。
在光反应沉积法中，对基底的涂敷可在与反应室分离的涂敷室中进行，或者可在反应室中进行。在这些配置的任一种中，反应物输送系统可配置成类似于激光热解装置的反应物输送系统，用于制出带有不同组分的微粒。这样，可形成用于进一步加工成光学材料的宽范围的涂层。
如果涂敷是在与反应室分离的涂敷室中进行，虽然反应物通过量和反应物流大小可以设计得适于涂敷过程，但反应室基本上与用于实施激光热解的反应室相同。对于这些实施例，涂敷室和连接涂敷室和反应室的导管替代了激光热解系统的收集系统。如果在反应室中进行涂敷，基底拦截来自反应区域的微粒流，以便直接将微粒沉积在基底上。
已经开发出带有狭长反应入口的激光热解装置的设计，以便于微粒的工业化大量生产。该设计已在授权给Bi等人的、题目为“利用化学反应高效生产微粒”的美国专利No.5958348中公开，在此引入作为参考。激光热解装置的其他实施例和其它合适的特征在待审并转让给Mosso等人的美国专利申请No.09/362631中公开，该专利申请的名称为“微粒生产装置”，在此引入作为参考。这些用于利用激光热解进行粉末工业化生产的设计能适于利用光反应沉积来快速涂敷高质量的光学材料。
在高容量激光热解装置中，反应室和反应物入口沿着光束是显著伸长，从而提高反应物和产品的通过量。通过沿伸长的反应物流定位光束，产生一层产品微粒。气态/蒸气反应物和/或气溶胶反应物，如在下文所述，能适于狭长反应室的设计。狭长反应入口的尺寸可基于要涂敷的基底的尺寸来选取。
大体上，将带有狭长反应室和反应物入口的微粒生产装置设计成能减少室壁的污染，从而提高产量并且有效利用资源。由于室的设计，狭长反应室可提高反应物和产品的通过量，同时不会增加室中的无用容积(deadvolume)。室的无用容积会被未反应的化合物和/或反应产品污染。而且，合适的保护气体流能将反应物和产品限制在通过反应室的流动流中。反应物的高通过量有效利用了聚焦辐射(即光线)的能量。
利用光反应沉积，微粒的生产速率可从在反应产品大约5g/hr至理想的反应产品大约10kg/hr的范围内变化。具体地，利用这里所描述的装置，可在上至至少约为10kg/hr的微粒生产速率下完成涂敷，在其它实施例中微粒的生产速率至少约为1kg/hr，在其它实施例中生产率更低，约为25g/hr，在另外的实施例中生产率至少约为5g/hr。本领域的普通技术人员将会认识到，在这些清楚的生产率之间的生产率是预期的生产率并且包括在本发明公开的内容中。例举的微粒生产率(以每小时生产的克数为单位)包括不少于5、10、50、100、250、500、1000、2500、5000或10000。
不是所有产生的微粒都沉积在基底上。对于基于基底移动通过产品微粒层的实施例，一般沉积效率取决于通过带有微粒的产品流的基底的相对速度。在适中的基底运动相对速率下，已获得大约15％～20％的涂敷效率，即大约15％～20％的生产出的微粒沉积在基底表面上。例行的优化可以进一步提高该沉积效率。在基底以较慢的相对运动通过所述产品微粒流时，获得至少为约40％的沉积效率。在一些实施例中，微粒的生产率使得至少约为5g/hr、或备选地或额外地，至少约为25g/hr的反应产品沉积在基底上。大体上，利用可获得的微粒生产率和沉积效率，所得到的沉积速率至少为5g/hr，在其它实施例中至少约为25g/hr，在另外的实施例中至少约从100g/hr到约5kg/hr，在其他实施例中约为250g/hr～2.5kg/hr。本领域的普通技术人员将会认识到，在这些清楚的速率之间的沉积速率是预期的沉积速率并且包括在本发明公开的内容中。例举的微粒沉积速率(以每小时沉积的克数为单位)包括不少于5、10、25、50、100、250、500、1000、2500或5000。
可选地或者另外地，本发明提出，基底和微粒流相互之间的相对移动速度可实质地变化，这取决于涂敷基底所需的具体情况。因此，在一个实施例中，可以以绝对标准测量速率，并且该速率在从约0.001英尺/秒到约12英尺/秒甚至更大的范围内变化。另外，在另一实施例中，该速率可以以相对被涂敷的基底的标准测量，该速率在大约1基底/分钟到约1基底/秒的范围内变化。
对于利用产品颗粒层的合适的实施例，基底的移动速率通常是选定沉积速率和所需涂敷厚度的函数，该涂敷厚度在获得所需涂层均匀性时受到在所需速率下移动基底能力的限制。由于可用光反应沉积法获得高沉积速率，所以可容易地获得极端快速的涂敷速率。这些通过光反应沉积而获得的涂敷速率比通过可比方法获得的涂敷速率要快得多。具体地，在微粒生产率约为10kg/hr时，假定粉末的密度约为容积密度(bulk density)的10％，甚至是在沉积效率仅约为2.5％时，可在大约1秒内给8英寸的晶片涂敷大约10微米的粉末厚度。本领域的普通技术人员能基于沉积速率、所需厚度和基底上的粉末密度，用简单的几何原理可计算出具体的微粒涂敷速率。
而且，快速的生产率可优选地用于形成在涂层之间固化或未固化的多个微粒涂层。每个涂层可覆盖整个层或部分层。在层中或层间可以变化组分。当在层间显著改变组分时，可预期等待几秒钟，使产品流稳定。大体上，可在少于大约1分钟的时间内在所述合理选取大小的基底上涂敷三层微粒涂层，在其它实施例中所用时间少于约15秒，在其它实施例中在约9秒至约3秒的范围内。类似地，可在少于大约1分钟的时间内在所述合理选取大小的基底上涂敷5层微粒涂层，在其它实施例中所用时间少于约25秒，在其它实施例中在约15秒至约5秒的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到，在这些清楚范围内的范围和子范围是可预期的，并且包括在本发明公开的内容中。
改进的反应室100的设计在图1中示意性示出。反应物入口102导向主室104。反应物入口102与主室104的形状一般一致。沿着反应物/产品流，主室104包括出口106，用于去除产品微粒、任何未反应的气体和惰性气体。保护气体入口108位于反应物入口102的两侧。保护气体入口用于在反应物流的侧面形成惰性气体的覆盖层，以便阻止室壁与反应物或产品之间接触。狭长反应室104和反应物入口102的尺寸可设计成利于高效的微粒生产。当与功率在几千瓦范围的CO2激光一起使用时，用于生产纳米微粒的反应物入口102的合理尺寸为约5mm至约1米。
管段110、112从主室104伸出。管段110、112分别保持视窗114、116，从而限定出通过反应室100的光束路径118。管段110、112可包括惰性气体入口120、122，用于将惰性气体引入到管段110、112。
出口106可导向直接指向涂敷室的导管。不需要改变尺寸来划分出从反应室到导管到涂敷室的过渡。反应区位于反应室中，导管可以但不必须涉及流动方向的改变。或者，基底可拦截产品流，从而在反应室中涂敷基底。
反应物入口102一般连接到反应物输送系统。参照图2，反应物输送装置的一个实施例130包括前驱体化合物源132。对于液体或固体反应物，来自一个或多个载体气源134的可选载体气可被引入前驱体源132中以便于反应物的输送。前驱体源132可以是一液体保持容器、固体前驱体输送装置或其它合适的容器。来自载体气源134的载体气可以例如是红外吸收体、惰性气体或其混合物。
将来自前驱体源132的气体/蒸气与来自红外吸收体源136、惰性气体源138和/或气态反应物源140的气体在管142的单个部分中结合混合。气体/蒸气距离反应室足够远的地方结合，从而在气体/蒸气进入反应室之前很好地混合。在管142中结合的气体通过管道144进入通道146，该通道146与反应物的入口，例如图1中的102，流体连通。
第二反应物前驱体可作为蒸气/气体从第二反应物源148输送，该第二反应物源148可以为液态反应物输送装置、固态反应物输送装置、气缸或其它适合的容器、或容器。如图2所示，第二反应物源148利用管142将第二反应物输送到管道144。或者，第二反应物源可将第二反应物输送到第二管道中，从而将两种反应物分开输送到反应室中，在该反应室中反应物在反应区或其附近结合。因此，对于复杂测量和/或参杂物的形成，可使用大量反应物源，以及可选地，使用分离的反应物管道来进行反应物/前驱体的输送。例如，可预期多至25个的反应物源和管道，虽然是理论上的，但甚至可使用更多数目的反应物源和管道。质量流量控制器150用于在图2的反应物输送系统中调节气体/蒸气的流动。可类似设置附加的反应物/前驱体，用于合成复杂的材料。
如上所述，反应物流可包括一种或多种气溶胶。气溶胶可在反应室中形成或者在注入反应室之前在反应室外形成。如果气溶胶在注入反应室之前形成，气溶胶可通过与用于气态反应物的入口的如图1中的反应物入口102相似的反应物入口引入。为了形成复杂材料，可加入额外的气溶胶发生器和/或蒸气/气体源，以便在反应物流中输送所需的组分。
用来输送气溶胶反应物的反应物输送喷嘴的一个实施例设置如图4和5所示。入口喷嘴160在下表面162处与反应室连接。入口喷嘴160包括板164，该板164螺栓紧固到下表面162上，从而将入口喷嘴160固定到反应室上。入口喷嘴160包括内喷嘴166和外喷嘴168。内喷嘴166例如在该喷嘴的顶部可具有双孔内部混合雾化器170。可从伊利诺斯州惠顿市的Spraying Systems购得合适的气体雾化器。双孔内部混合雾化器170具有扇形形状以产生气溶胶和气态组分的薄层。液体通过管172进给到该雾化器中，用于引入反应室的气体通过管174进给到该雾化器中。气体与液体的相互反应有助于滴状物的形成。
外部喷嘴168包括室部分176、漏斗形部分178和输送部分180。室部分176支承内喷嘴166的雾化器。漏斗形部分178将气溶胶和气态组分导入输送部分180。输送部分180导向矩形反应物开口182，如图3的插图所示。反应物开口182在反应室中形成用于激光热解或光反应沉积的反应物入口。外喷嘴168包括排泄管184，用于除去收集在外喷嘴中的任何液体。外喷嘴168由形成保护气体开口188的外壁186覆盖，该保护气体开口188围绕反应物开口182。惰性保护气体通过管190引入。利用一个或多个气溶胶生成器将气溶胶引入狭长反应室的其它实施例在转让给Gardner等人的待审美国专利6193939中有描述，该专利的名称为“反应物输送装置”，其内容在此引入作为参考。
为了形成氧化物，适合用作氧源的第二反应物包括例如O2、CO、N2O、H2O、CO2、O3和其混合物。氧分子可作为空气输送。或者，可在金属/类金属前驱体化合物中加入养，例如加入到羰基中。用于碳化物的碳源、用于氮化物的氮源和用于硫化物的硫源将在下文中加以描述。第二反应化合物，如果存在，在进入反应区域之前不应与金属前驱体显著反应，其原因是所述反应一般会导致形成大颗粒。
利用激光或其它强聚焦光源，可以以多种光频率进行激光热解/光反应沉积。一些理想的光源在电磁光谱的红外部分内工作。CO2激光具体地方便的光源。包括在反应物流中的红外吸收体包括例如C2H4、异丙醇、NH3、SF6、SiH4、O3。O3可作为红外吸收体，也可作为氧源。辐射吸收体，例如红外吸收体从辐射束吸收能量并将能量分布到其它反应物中，从而驱动反应。
通常，从光束吸收的能量以极高的速率提高温度，是在受控条件下利用放热反应一般产生的热量所对应的速率的几倍。所述过程通常包括不平衡工况，可基于吸收区域中的能量近似地描述温度。在光反应沉积中，反应过程在质量上与能量源启动反应的燃烧反应的过程不同，反应由放热反应放出的能量驱动。在燃烧反应物中，通常没有具有边界的限定好的反应区域。反应区域大，反应物的存在时间长。通常在燃烧反应中存在较低的温度梯度。相反，激光/光驱动反应具有极高的加热和冷却速率。激光/光强度是可控的，进而反应工况类似地是可控的。在光反应沉积中，虽然反应区域可以延伸到光束之外几毫米，但反应区域主要位于光束和反应物流的重叠区域，这取决于反应的精确性。微粒在光沉积反应中离开反应区之后，由于其温度，即使反应结束，微粒仍稍微流体状/柔软。
可使用惰性保护气体来减少与反应室组件接触的反应物和产物分子。也可将惰性气体引入反应物流，作为载体气和/或反应缓和剂。适合的惰性气体包括例如Ar、He、N2。
激光热解装置可适用于光反应沉积。适用性取决于是在反应室中进行涂敷操作，还是在分离的涂敷室中。在任何一个实施例中，通向反应室的反应物输送入口通常设置成用来输送反应物流，其尺寸使得产生的产品物流具有用于沉积过程的所需尺寸。例如，在一些实施例中，反应物入口具有与基底直径近似相等或大于该基底直径的长度尺寸，因此，穿过产品物流一次，即可在基底的整个尺寸上涂敷基底，且不会浪费过多的产品。
激光热解装置的出口可用于在分离的涂敷室中涂敷基底。带有分离反应室和涂敷室的涂敷装置在图5中示意性示出。涂敷装置200包括反应室202、涂敷室204、连接反应室202和涂敷室204的导管206、从涂敷室204引出的排放管208和连接到排放管208的泵210。可用阀212来控制泵210的流量。阀212可以例如是手动针阀或自动节流阀。阀212可用于控制泵出速率和相应的室压力。收集系统、过滤器、洗涤器等214可放置在涂敷室204和泵210之间以除去没有涂敷到基底表面上的微粒。
参照图6，来自微粒产生装置202的导管206通向涂敷室204。导管206在室204中的开口216处终止。在一些实施例中，导管开口216位于基底218的表面附近，从而微粒流的动量直接将微粒导至基底218的表面上。基底218可安装在台或其它平台220上，以便将基底218相对开口216定位。
用来将基底相对来自微粒产生装置的导管定位的台的实施例在图7中示出。微粒喷嘴230将微粒导向旋转台232。如图7所示，四个基底234安装在台232上。更多或更少的基底可安装在可动台上，该可动台具有与台和室的尺寸相应的改动。马达用于转动该台232。
台232的移动将微粒流横扫过在喷嘴230中的一个特定基底234的表面。台232可用于使后续的基底穿过产品流，用于在每个基底上进行一次或多次涂敷。台232可包括热控制特征(thermal control feature)，用于控制台232上的基底温度。可选方案涉及台的线性移动或其它运动。在其它实施例中，微粒流不聚焦，因此，同时涂敷整个基底或其所需的部分，且不用相对产品物流移动基底。
如果在反应室中进行涂敷，安装基底以接收从反应区域流过的产品组分。虽然可足够快速地冷却以形成固体微粒，但所述组分不会完全固化成固体微粒。无论所述组分是否固化成固体微粒，微粒可高度均匀。可选择从反应区至基底的距离来产生所需的涂敷结果。
在反应室中实施基底涂敷的装置250在图8中示意性示出。反应/涂敷室252连接到反应物输送系统254、辐射源256和排气管258。虽然来自反应物流的压力自身可维持通过系统的流动，但排气管258可连接导泵260。阀262可用于控制泵260的流量。阀262可用于调整泵出率和相应的室压力。收集系统、过滤器、洗涤器等264可放置在室252和泵260之间，以便去除没有涂敷到基底表面上的微粒。
基底266可与来自反应区域268的物流接触，以便用产品微粒/粉末涂敷基底。基底266可安装在台、运送装置等270上，以便通过物流扫过基底266。台270可连接到执行臂272或其它电动装置，以移动台270来通过产品物流扫过涂层。在产品离开反应区时可使用不同的配置使涂层扫过整个基底表面。如图8所示，执行臂272移动台270，以便通过产品物流扫过基底266。
类似的实施例在图9和10中的放大图中示出。基底280如指向右的箭头所示，相对于反应物喷嘴282移动。光学路径284由沿路径284引导光束的适合的光学元件限定。光学路径284位于喷嘴282和基底280之间，以在基底280的表面正上方限定反应区。热微粒趋于吸附到较冷的基底表面上。
参照图9和10，在基底扫过反应区域时，形成微粒涂层。通常，基底280可装载在运送装置/台288上。运送装置/台288可连接到执行臂，如图8所示。在备选实施例中，可使用辊子和马达、连续的皮带运送装置或多种设计中的任何一种，包括已知的用于移动基底的设计，来承载基底。
在一些实施例中，可调节运送装置288的位置以改变从基底286到反应区的距离。从基底到反应区的距离的变化相应地改变撞击基底的微粒的温度。撞击基底的微粒的温度通常改变所得到的涂层的特性以及后续处理的需求，诸如后续涂层的热加工固化的需求。在基底和反应区之间的距离可根据经验调整以产生所需的涂层特性。另外，支承基底的台/运送装置可包括热控制特征，从而根据需要将基底的温度调节得更高或更低。
在图11-13中示出了光反应沉积装置得特定实施例。参照图11，处理室300包括连接到CO2激光器的光管(light tube)302和连接到光束挡板(bump)的光管304。入口管306与输送蒸气反应物和载体气的前驱体输送系统相连。入口管306通向处理喷嘴308。微粒输送管310沿流动方向从处理喷嘴308连接到处理室300。微粒输送管310通向微粒过滤室312。微粒过滤室312在泵连接器314处连接到泵。
在图12中示出了处理室300的放大示图。晶片承载件316将晶片支承在处理喷嘴308上方。晶片承载件316与臂318相连，该臂318平移晶片承载件，以便移动晶片通过从反应区发出的微粒流，在所述反应区中激光束与来自处理喷嘴308的前驱体物流相交。臂318包括由套管覆盖的线性转换器。激光入口320用于在处理喷嘴308和晶片之间引导激光束。来自处理喷嘴的无障碍物流将直接导向排放喷嘴322，该排放喷嘴导向微粒输送管310。
在图13中示出了晶片承载件316和处理喷嘴308的放大示图。处理喷嘴308的端部具有用于输送前驱体的开口324和围绕前驱体开口的保护气体开口326，以便限制前驱体和产品微粒的传播。晶片承载件316包括支承件328，该支承件328连接到带有支架330的处理喷嘴208。圆形晶片332保持在承座334中，从而使晶片332沿导轨336在承座334中滑动，以便将晶片332移动到来自反应区的物流中。后盖338防止微粒在晶片332的后面上不受控地沉积。导轨336连接到臂318。
在沉积处理过程中可调节基底的温度以实现特定目的。例如，由于相对冷的基底可将微粒吸附到其表面上，所以可在沉积过程中冷却该基底。但是在一些实施例中，在沉积处理过程中可将基底加热到例如大约500℃。微粒更好地贴附到加热后的基底上。另外，微粒趋于压紧和聚集在加热后的基底上，因此，如果最初在加热后的基底上形成涂层，那么有助于涂层随后固化成熔融的玻璃或其它材料。
在由涂敷处理形成的涂层而形成的基底表面上形成离散器件或结构时，将沉积处理设计成只覆盖基底的一部分。例如，可在涂敷处理过程中使用掩膜，以便只覆盖基底的选定部分，或者在基底移动通过产品物流时，可调节馈送反应物的质量流控制器，以改变沿基底在选定位置的涂层组分。例如，可用材料的沉积带制造对应器件，其具有组分变化的优点。这样，沉积处理本身可受控以产生特定结构。可选地，可使用各种形成图案的方法。例如，集成电路制造中的诸如光刻法和干蚀法的传统方法可用于使沉积后的涂层形成图案。下面进一步描述适合的图案和光学器件。
利用光反应沉积形成的涂层、硅玻璃沉积和光学器件在待审并转让给Bi等人的美国专利申请09/715935中进一步加以描述，该专利申请的名称为“利用反应沉积形成涂层”，其内容在此引入作为参考；并且在待审并转让给Bi等人的指定US序号的PCT申请PCT/US01/中进一步加以描述，该专利申请的名称为“利用反应沉积形成涂层”，其内容在此引入作为参考。
沉积微粒涂层用于沉积微粒涂层的基础工艺已在上文详细加以描述。利用激光热解法/光反应沉积可产生多种微粒。实施光反应沉积的激光热解法可用于产生涂层，该涂层的组分可与带有由激光热解产生的选定组分的微粒相比。所关注的微粒粉末包括例如硅微粒、金属微粒和金属/类金属化合物，例如金属/类金属氧化物、金属/类金属碳化物、金属/类金属氮化物和金属/类金属硫化物。对于光学材料，具体关注的材料包括例如氧化硅(二氧化硅)、氧化铝和氧化钛。通常，粉末包括具有亚微米或纳米范围尺寸的细微粒或超细微粒。微粒可在或不在沉积过程中部分熔融或烧结。
光反应沉积特别适于形成高均匀度的微粒，具体地纳米级微粒。具体地，光反应沉积可产生所关注微粒的集合，主要微粒的平均直径通常小于大约500nm，可选地在约3nm到约100nm的范围内，类似地在约3nm到约75nm的范围内，也可在约3nm到约50nm的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到在这些特定范围中的其它范围和子范围是可预期的，并且可由本发明的公开内容所覆盖。
如上所述，光反应沉积通常会产生具有较窄微粒直径范围的主要微粒。利用气溶胶输送用于光反应沉积的反应物，微粒直径的分布尤其对反应条件敏感。然而，如果反应条件可适合地受控，可利用气溶胶输送系统获得较窄的微粒直径分布。但是，通过在光反应沉积中控制流量、反应物密度和停留时间或利用其它流动反应系统，如果需要，也可获得更宽的主要粒径的分布。
而且，在有高均匀度的实施例中，基本没有主要微粒的平均直径大于平均直径的约4倍，在其它实施例中没有主要微粒的平均直径大于平均直径的3倍，在另外的其它实施例中没有主要微粒的平均直径大于平均直径的2倍。换句话说，粒径的分布基本不具有指示粒径显著增大的少数微粒的尾数。基本去除粒径分布中的尾数表示在106中有少于1个的微粒具有大于平均直径以上的具体截断值(cut off value)的微粒。分布范围的大小较窄、分布没有尾数、且基本上呈现球形分布形态，对于获得高均匀度的涂层和高均匀度的烧结是有利的。
小粒径和微粒均匀度对于所得到的涂层的均匀度都有利。具体地，缺乏显著大于平均值的微粒，即，在粒径分布中没有尾数，易于产生更均匀的涂层。另外，微粒可具有很高的纯度水平。
光反应沉积可利用气体/蒸气相反应物实施。许多金属/类金属前驱体化合物可作为气体输送到反应室中。类金属是化学特性介于金属和非金属之间或化学特性包括金属和非金属的元素。类金属元素包括例如硅、硼、砷、锑和碲。用于气态输送的合适的金属/类金属前驱体化合物通常包括金属化合物，该金属化合物带有合理的蒸气压力，即足以将所需的前驱体气体/蒸气送入反应物流中的蒸气压力。如果需要，可将保持液体或固态前驱体化合物的容器加热，以便增加金属前驱体的蒸气压力。通常将固体前驱体加热到产生足够的蒸气压力。
载体气可通过液体前驱体吹入，以有助于输送所需数量的前驱体蒸气。类似地，载体气可经过固体前驱体的上方，以方便前驱体蒸气的输送。在其它实施例中，载体气在进入反应区之前与前驱体蒸气混合。用于蒸气输送的适合的硅前驱体包括例如四氯化硅(SiCl4)、三氯甲苯(Cl3HSi)、三氯甲基硅烷CH3SiCl3和四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4，也被称为乙基甲硅烷和四乙基硅烷)。可用其它卤素例如Br、I和F替代在代表性前驱体化合物中的氯。
用于氧化硅材料的合适的参杂物包括例如硼、锗、磷、钛、锌和铝。合适的硼前驱体包括例如三氯化硼(BCl3)、乙硼烷(B2H6)和BH3。合适的磷前驱体包括例如氢化磷(PH3)、三氯化磷(PCl3)、氯氧化磷(POCl3)和P(OCH3)3。合适的锗前驱体包括例如GeCl4。合适的钛前驱体包括例如四氯化钛(TiCL4)和异丙氧化钛(Ti[OCH(CH3)2]4)。合适的液体锌前驱体化合物包括例如二乙基锌(Zn(C2H5)2)和二甲基锌(Zn(CH3)2)。带有足够气态输送压力的合适的固体锌前驱体包括例如氯化锌(ZnCl2)。合适的液体铝前驱体包括例如低价氧化铝(Al(OC4H9)3)。可购得的许多合适的固体铝前驱体化合物包括例如氯化铝(AlCL3)、乙氧基铝(Al(OC2H5)3)和异丙氧化铝(Al[OCH(CH3)2]3)。用于其它参杂物和主材料的前驱体可基于特定前驱体的类似情况相似地选取。
单独使用气相反应物在一定程度上受可方便使用的前驱体化合物的类型的限制。因此，可使用相关技术将包含反应物前驱体的气溶胶引入反应区。用于激光热解反应系统的改进气溶胶输送装置在转让给Gardner等人的待审美国专利6193936中有进一步的描述，专利的名称为“反应物输送装置”，其内容在此引入作为参考。这些气溶胶输送装置可适于实施光反应沉积。
利用气溶胶输送装置，固体前驱体化合物可通过在溶剂中溶解化合物来输送。或者，可将粉末前驱体化合物分布在液体/分散剂中，以便于输送气溶胶。液体前驱体化合物可作为来自纯液体、多种液体分散体或液体溶液的气溶胶而输送。可选取溶剂/分散剂来获得所需的所得溶液/分散剂的特性。合适的溶剂/分散剂包括水、甲醇、乙醇、异丙醇、其它有机溶剂及其混合物。溶剂应具有所需的纯度水平，从而使最终的微粒具有所需的纯度水平。诸如异丙醇的溶剂是吸收来自CO2激光器的红外线的显著吸收体，因此如果将CO2激光器用作光源，在反应物流中可不需要附加的激光吸收化合物。
如果使用气溶胶前驱体，液体溶剂/分散剂可利用反应室中的光束快速蒸发，以便发生气相反应。这样，激光热解反应的基础特征可由于存在气溶胶而保持不变。然而反应条件受气溶胶存在的影响。
许多合适的固体金属前驱体化合物可作为来自溶剂的气溶胶而被输送。用于产生气溶胶的适合的硅前驱体包括例如溶解在醚中的四氯化硅(SiCl4)和溶解在四氯化碳中的三氯氢硅(Cl3HSi)。合适的参杂物可在气溶胶中输送。例如，氯化锌(ZnCl4)和硝酸锌(Zn(NO3)2)可溶解在水和一些有机溶剂中，例如异丙醇中。类似地，硼参杂物可作为使用硼酸铵((NH4)2B4O7)的气溶胶输送，所述硼酸铵可溶解在水和不同的有机溶剂中。用于其它参杂物和寄主材料的前驱体可基于利用其它特定前驱体的类似情况来类似地选取。
用于气溶胶输送的前驱体溶解在通常浓度大于0.1摩尔的溶液中。通常，溶液中的前驱体的浓度越高，通过反应室的反应物的通过量越大。但是随着浓度的增加，溶液会变得更粘稠，因此气溶胶可能会具有粒径比所需粒径更大的液滴。这样，溶液浓度的选取可涉及在选取所需溶液浓度时的因素的平衡。
可利用激光热解生产几种不同类型的纳米级微粒。可利用光反应沉积基于上述内容生产类似的微粒。具体地，适于生产光学材料的许多材料可通过光反应沉积生产。
这样的示例性纳米级微粒的通常特征在于包括一种组分，该组分包括大量的不同元素，并且该纳米级微粒存在于变化的相对比例，其中所述数目和相对比例作为纳米级微粒应用的函数而变化。不同元素的典型数目包括例如在从大约2个元素到约15个元素的范围中的数目，可预期的数目可为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15。相对比例的通常数目包括例如在从大约1到约1000000范围内的数值，可预期的数目约为1、10、100、1000、10000、100000、1000000及其适合的相加。
可选地或附加地，这样的纳米级微粒的特征在于具有下述分子式AaBbCcDdEeFfGgHhIiJjKkLlMmNnOo其中每个A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O是独立存在或不存在，并且至少A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O中的一个存在且从由组成元素周期表的元素族中独立地选取，所述元素周期表包括1A族元素、2A族元素、3B族元素(包括镧系元素和锕系元素)、4B族元素、5B族元素、6B族元素、7B族元素、8B族元素、1B族元素、2B族元素、3A族元素、4A族元素、5A族元素、6A族元素、7A族元素；并且每个a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o是独立从在约1到约1000000的范围中选取的数值，其可预期的数目约为1、10、100、1000、10000、100000、1000000及其适合的相加。
例如，氧化硅纳米微粒的生产在待审并转让给Kumar等人的美国专利申请09/085514中加以描述，该专利申请的名称为“硅氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。该专利申请描述了无定形SiO2的生产。氧化钛纳米微粒和晶体二氧化硅微粒的生产在待审并转让给Bi等人的美国专利申请09/123255中加以描述，该专利申请的名称为“金属(硅)氧化物/碳化物组分”，其内容在此引入作为参考。具体地，上述申请描述了锐钛矿(anatas)和金红石TiO2的(rutile TiO2)生产。
无定形纳米级粉末和带有诸如稀土参杂物和/或其它金属参杂物的参杂物的玻璃，在待审并转让给Horne等人的美国专利申请60/313588中加以描述，该专利申请的名称为“参杂的玻璃材料”，其内容在此引入作为参考。合适的参杂物包括稀土金属，其具有所需的性质变化，例如折射率。粉末和玻璃层可形成复杂的组分，其包括多种选定的无定形材料的参杂物。可用粉末形成光学材料等。通过利用光反应沉积法直接沉积均匀的微粒涂层并随后将粉末固化成均匀的玻璃层，来形成玻璃层。
可使用激光热解法和其它流动反应系统来生产带有选定参杂物的无定形亚微米和纳米级微粒，所述选定的参杂物包括稀土金属。利用这些方法可生产多种新型材料。可通过变化反应物流的组分以理想的配比引入参杂物。参杂物被引入到合适的寄主玻璃形成材料中。通过合适地选取反应物流中的组分和处理工况，可形成亚微米微粒，该微粒结合一种或多种金属或类金属元素作为带有选定参杂物的玻璃形成寄主。由于寄主无定形材料通常为氧化物，所以在反应物流中也应存在氧源。反应物条件应该充分氧化以产生氧化物材料。类似地，可使用光反应沉积来形成带有参杂物的高度均匀的玻璃涂层，该参杂物包括例如稀土参杂物和/或参杂物组分的复杂混合物。
一些金属/类金属氧化物优选用于光学应用和/或具有将材料固化到均匀玻璃层中的能力。用于参杂的合适的玻璃形成寄主氧化物包括例如TiO2、SiO2、GeO2、AL2O3、P2O5、B2O3、TeO2及其化合物和混合物。尽管磷在周期表中位于金属元素附近，但一般不把磷看作类金属元素。但是P2O5形式的磷是与一些类金属氧化物类似的好的玻璃形成体，并且P2O5的参杂形式具有所需的光学特性。为方便起见，如包括在权利要求中的，在这里也将磷看作类金属元素。
可引入参杂物以便改变无定形微粒和/或所得到的玻璃层的性质。例如，可引入参杂物来改变玻璃的折射率。对于光学应用，可改变折射率来利用选定频率范围的光工作的特定光学器件。也可引入参杂物来改变材料的处理特性。具体地，一些参杂物改变流动温度，即玻璃相变温度，这样可在更低的温度下对玻璃进行加工。参杂物也可与材料相互作用。例如，可引入一些参杂物来增强其它参杂物的可溶性。由于可以改变所得到的掺杂材料的光学特性，希望使用稀土参杂物。掺有稀土的玻璃在光学放大器的生产中很有用。
具体关注的微粒包括形成带有多种参杂物的光学玻璃的无定形组分。在一些实施例中，一种或多种参杂物是稀土金属。因为稀土金属改变材料的光学特性，所以稀土金属尤其优选。如果微粒固化成玻璃层，所得到的材料的折射率受稀土参杂物和其它参杂物的影响。另外，稀土参杂物影响光学吸收性能，该性能能改变用于生产光学放大器和其它光学器件的材料的应用。稀土金属包括周期表中的IIIb族的过渡金属。特定地，稀土元素包括Sc、Y和镧族元素。其它适合的参杂物包括锕族元素。对于光学玻璃，作为参杂物的具体关注的稀土金属包括例如Er、Yb、Nd、La、Y、Pr和Tm。适合的非稀土金属参杂物包括例如Bi、Sb、Zr、Pb、Li、Na、K、Ba、W和Ca。
为了形成均匀的玻璃层，可固化一层无定形微粒。为了固化所述玻璃，将粉末加热到高于其流动温度。在这样的温度下，粉末密化形成均匀的玻璃材料层。将参杂物结合到微粒中，作为粉末沉积的直接结果，将会导致参杂物遍布密化材料。
材料处理在设计所需的光学器件中仍需着重考虑。例如，可调节组分和诸如材料密度的特性来获得具有理想折射率的材料。类似地，材料的热膨胀和流动温度不得不与用于将材料制成整体、集成结构的合理处理方法一致。固化后的光学材料可具有好的光学性质，从而通过材料的光线透射不会导致不需要的损失量。另外，材料不得不在合理的工况下处理，从而形成集成光学电路中的集成器件或光电电路。类似的材料限制是目前技术水平的电子器件的形成中存在的问题。
掺杂质的玻璃在光学器件的生产中很有用。利用这里描述的技术，可将掺杂质的玻璃制成平面光学器件。参杂物可改变材料的光学特性，使之特别适合于具体的光学应用。掺有参杂物的组分，特别是掺有参杂物的硅氧化物可通过引入合适的前驱体而产生。例如，制造具有更高折射率的光学层的方便的方法是使用掺有参杂物的硅氧化物。合适的参杂物包括例如氧化钛、氧化钽、氧化锡、氧化铌、氧化锆、氧化铝、镧氧化物、氧化锗、硼氧化物或其混合物。
一些硅氧化物参杂物也可显著降低材料的流动温度。具体地，硼和无定形参杂物可有助于降低粘性，进而降低硅氧化物的流动温度。硼参杂物也降低折射率，而无定形参杂物提高折射率。
掺杂有稀土的玻璃尤其适于在形成光学放大器时使用。放大器材料通过横向连接到光学材料上的激励光信号(a pump light signal)触发。该激励光信号激励掺杂有稀土的材料。以低于该激励光信号的频率穿过该光学材料的光学输入通过模拟发射而被放大。这样，来自激励光线的能力用于放大该输入光信号。
具体地，以生成纳米级锰氧化物微粒。这些微粒的生产在待审并转让给Kumar等人的美国专利申请09/188770中加以描述，该专利申请的名称为“金属氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。该申请描述了MnO、Mn2O3、Mn3O4和Mn5O8的生产。
而且，钒氧化物纳米微粒的生产在Bi等人的美国专利6106798中加以描述，该专利的名称为“钒氧化物纳米微粒”，其内容在此引入作为参考。类似地，已生产出银钒氧化物纳米微粒，这在待审并转让给Horne等人的美国专利申请09/246076、现在的美国专利6225007和Reitz等人的美国专利申请09/311506中加以描述，专利申请的名称都为“金属钒氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。
另外，锂锰氧化物微粒已利用带有后续热处理的激光热解法或没有后续热处理的激光热解法被生产处，这在待审并转让给Kumar等人的名称为“合成金属氧化物微粒”的美国专利申请09/188768、转让给Kumar等人的名称为“用于生产三元素微粒的反应方法”的美国专利申请09/334023、转让给Horne等人的名称为“锂锰氧化物和电池”的美国专利6136287中加以描述，其内容在此引入作为参考。
氧化铝纳米级颗粒的生产在待审并转让给Kumar等人的美国专利申请09/123483中加以描述，该专利申请的名称为“氧化铝微粒”，其内容在此引入作为参考。具体地，该申请公开了γ-AL2O3的生产。利用激光热解/光反应沉积与掺有参杂物的晶体和无定形氧化铝一起形成δ-AL2O3和θ-AL2O3在待审并转让给Chiruvolu等人的美国专利申请09/969025中加以描述，该专利申请的名称为“氧化铝粉末”，其内容在此引入作为参考。无定形氧化铝材料可以与其它玻璃形成体结合，例如SiO2和/或P2O3。例如，适合用于形成光学玻璃的氧化铝的金属氧化物参杂物包括氧化铯(Cs2O)、氧化铷(Rb2O)、氧化铊(Tl2O)、氧化锂(Li2O)、氧化钠(Na2O)、氧化钾(K2O)、氧化铍(BeO)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)和氧化钡(BaO)。玻璃参杂物可影响例如折射率、烧结温度和/或玻璃的多孔性。适于红外发射器的金属氧化物参杂物包括例如氧化钴(Co3O4)。
另外，可利用激光热解生产锡氧化物纳米微粒，这在待审并转让给Kumar等人的美国专利申请09/042227、现今的美国专利6200674中加以描述，该专利的名称为“锡氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。氧化锌纳米微粒的生产在待审并转让给Reitz等人的美国专利申请09/266202中加以描述，该专利申请的名称为“锌氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。具体地，对ZnO纳米微粒的生产进行了描述。
可利用光反应沉积和激光热解将稀土参杂物引入金属组分中。具体地，在待审并转让给Kumar等人的美国专利申请09/843195中描述了亚微米和纳米级微粒以及稀土金属氧化物微粒、掺杂稀土的金属/类金属氧化物微粒、稀土金属/类金属硫化物和掺杂稀土的金属/类金属硫化物的相应涂层，具体地晶体粉末和涂层，该专利申请的名称为“高亮度荧光粉微粒”，其内容在此引入作为参考。适于形成荧光粉的寄主材料包括例如ZnO、ZnS、Zn2SiO4、SrS、YBO3、Y2O3、Al2O3、Y3Al5O12和BaMgAl14O23。作为参杂物用于激发荧光微粒的示例性非稀土金属包括例如锰、银和铅。用于形成金属氧化物荧光粉的示例性稀土金属包括例如铕、铈、铽和铒。通常，将重金属离子或稀土离子用作荧光粉中的触发剂。对于荧光粉的应用，微粒通常为晶体。将稀土和其它参杂物引入无定形微粒和涂层中在待审并转让给Horne等人的美国专利申请60/313588中加以描述，该专利申请的名称为“有参杂物的玻璃材料”，其内容在此引入作为参考。复杂、有参杂物和无参杂物的光学材料的组成还在待审并转让给Bi等人的指定美国专利序号的PCT申请PCT/US01/中加以描述，该申请于2001年10月16日提交，其名称为“利用反应沉积形成涂层”，其内容在此引入作为参考。
铁、铁氧化物和铁碳化物的生产在Bi等人的名称为“利用CO2激光热解生产纳米晶体α-Fe、Fe3C和Fe7C3”的公开物(J.Mater.Res.卷8，No.71666-1674，七月，1993)中加以描述，其内容在此引入作为参考。银金属的纳米微粒的生产在待审并转让给Reitz等人的美国专利申请09/311506中加以描述，该专利申请的名称为“金属钒氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。利用激光热解生产纳米级碳微粒在Bi等人的参考文献中加以说明，其名称为“利用CO2激光器热解生产纳米级碳黑”(J.Mater.Res.卷10，No.112875-2884，11月，1995)，其内容在此引入作为参考。
利用激光热解生产铁硫化物纳米微粒在Bi等人的文章(材料研究协会年会论文集，卷286，161-166页，1993)中有描述，其内容在此引入作为参考。用于激光热解生产铁硫化物的前驱体是五羰基铁(Fe(CO)5)和硫化氢(H2S)。
氧化铈可利用上述的激光热解装置生产。用于气溶胶输送的合适的前驱体包括例如硝酸铈(Ce(NO3)3)、氯化铈(CeCl3)和草酸铈(Ce2(C2O4)3)。类似地，氧化锆可利用上述激光热解装置生产。用于气溶胶输送的合适的锆前驱体包括例如氯化氧锆(ZrOCl2)和硝酸氧锆(ZrO(NO3)2)。
用于片形电容器的电介质涂层的沉积法在待审并转让给Bryan等人的美国临时专利申请60/312234中加以描述，该专利申请的名称为“用于形成片形电容器的反应沉积法”，其内容在此引入作为参考。特别合适的电介质材料包括大部分的钛酸钡(BaTiO3)，可选地与其它金属氧化物混合。其它带有适合参杂物的、适于加入陶瓷片形电容器的电介质氧化物包括例如SrTiO3、CaTiO3、SrZrO3、CaZrO3、Nd2O3-2TiO3和La2O3-2TiO2。
可用类似于生产银钒氧化物纳米微粒的步骤通过激光热解法进行硅酸铝和钛酸铝三元纳米微粒的生产，生产所述微粒的步骤在待审并转让给Reitz等人的美国专利申请09/311506中有描述，该专利申请的名称为“金属钒氧化物微粒”，其内容在此引入作为参考。用于生产硅酸铝的合适的前驱体包括对于蒸气输送，氯化铝(AlCl3)和四氯化硅(SiCl4)的混合物；对于气溶胶输送，丁(N-丁氧基)硅烷(tetra(N-butoxy)silane)和异丙醇铝(Al(OCH(CH3)2)3)。类似地，适合于生产钛酸铝的前驱体对于气溶胶输送包括溶解在硫磺酸中的硝酸铝(Al(NO3)3)和氧化钛(TiO2)粉末的混合物或异丙醇铝和异丙醇钛(Ti(OCH(CH3)2)4)的混合物。
与带有阴离子的金属/类金属化合物的涂层一起形成亚微米和纳米级微粒，在待审并转让给Chaloner-Gill等人的美国专利申请09/845985中有描述，该专利申请的名称为“磷酸粉末组分和用于形成带有复杂阴离子的微粒的方法”，其内容在此引入作为参考。合适的络合阴离子包括例如硝酸盐、硅酸盐和硫酸盐。所述组分可包括多种金属/类金属元素。
利用激光热解合成碳化硅和氮化硅，在待审并转让给Reitz等人的美国专利申请09/433202中加以描述，该专利申请的名称为“微粒分散”，其内容在此引入作为参考。对于氮化硅的生产，氨水(NH3)是氮源。对于碳化硅微粒的生产，分解二乙氧基硅烷以形成所述微粒。
为实现具体的目的，涂层的特征可相对于粉末层的组分及基底上的材料位置而变化。另外，可以受控地沉积多层微粒，从而形成带有不同的组分和/或光学特性的层。通常，为了形成光学器件，将均匀的光学材料定位在基底上的具体位置上。均匀材料的定位包括在具体位置的选定沉积或沉积后的蚀刻。上述步骤可适于例如通过使基底相对微粒喷嘴扫过而仅使基底的所需部分经过所述雾化器，进而将涂层涂敷到所需的位置，下文将进一步描述蚀刻。
类似地，可将涂层的厚度制得均匀，或者可将基底的不同部分涂敷上不同厚度的微粒。不同的涂层厚度可通过改变基底相对于微粒喷嘴的扫过速度，或者通过使接收较厚的微粒涂层的基底部分多次扫过而实现。微粒组分可在基底的不同部分上类似地变化。这可例如通过在涂敷过程中改变反应物流，或者通过扫过基底的不同部分的多个局部涂敷而实现。
这样，如所述的，材料层可包括平面范围与其它层不同的微粒层。这样，一些层可覆盖整个基底表面，或者其大部分而其它层覆盖基底表面的较小的部分。以这种方式，所述层可形成一个或多个局部化的器件。在沿平面基底的任意具体点上，穿过结构的截面视图可展示与沿表面的其它点处数目不同的可确认的层。
固化/密化处理热处理可以熔化和熔合微粒，使之紧凑，即密化所述粉末，从而形成所需的材料，具体地光学材料。这种微粒的熔合通常称作固化。为了使光学材料固化，可将该材料加热到材料的熔点或流动温度，即玻璃相变温度以上，以便将涂层固化成光滑均匀的材料。
通常，加热是在将微粒熔化成粘性液体的条件下进行。由于粘性高，材料不会在基底表面上显著流动。在较高温度下进行加工以减小熔化的粘性可导致基底不必要的熔化、组分在层之间的迁移或者从基底选定区域流开。可调节加热和冷却时间来改变固化的涂层的特性，例如密度。另外，热处理可除去不需要的杂质和/或改变材料的化学配比和晶体结构。
适合的处理温度和时间通常取决于微粒的组分。由于与大块材料相比纳米材料的熔点更低，可在较低的温度下和/或经相对于具有更大微粒的粉末更长的时间处理纳米级小微粒。但是，理想地是利用可比的熔化温度从改进的纳米颗粒的熔化来获得更高的表面平滑度。
对于氧化硅纳米微粒的处理，可将微粒涂层加热到大约1200℃的温度。在氧化硅微粒中的参杂物可降低适合的固化温度。一些参杂物影响流动温度和光学特性。因此，可选取参杂物，以便在较低的温度下使之流动成均匀的光学材料。在加入到氧化硅(SiO2)内时降低温度的合适的参杂物包括例如硼、磷、锗及其混合物。可选择一种或多种参杂物的数量和组成来生产所需的流动温度和折射率。
可在适合的炉中进行热处理。优选地，根据气体的压力和/或组成控制炉中的环境。合适的炉包括例如感应电炉或有气体通过管子的管式电炉。热处理可在从涂敷室取出涂敷后的基底之后进行。在备选实施例中，热处理可与涂敷处理整体化，从而可以以自动形式在装置中顺序进行所述加工步骤。
对于许多应用，希望应用具有不同组分的多层微粒涂层。大体上，这些多层微粒涂层可跨过被涂敷基底的x-y平面(例如垂直于基底相对产品流的移动方向)相互邻近布置，或者跨过被涂敷基底的z平面一个叠一个地层叠，或者是任何相邻和层叠的层的适当组合。每个涂层可涂敷成所需的厚度。例如，在一些实施例中，可在交替的层上沉积氧化硅和掺有参杂物的氧化硅。类似地，带有不同参杂物的氧化硅的不同层可在交替的层上沉积。具体地，不同组分的两个层可一个叠另一个地沉积，并且附加地或可选地，一个接一个地沉积，例如层A和层B形成AB。在其它实施例中，组分不同的多于两层的层可被沉积，例如层A、层B、层C作为三个顺序层ABC被沉积(例如一个层叠在另一个上、或者一个邻近另一个、或者邻近并且层叠)。类似地，可形成具有不同组分的交替顺序的层，例如ABABAB…或者ABCABCABC…对于许多应用，涂敷具有不同组分的多层微粒涂层(例如相互邻近、或者一个层叠在另一个上)的希望形式可根据所涂敷的基底的功能需要而提出。这样，例如在光学应用中，希望涂敷带有不同组分的多层涂层来获得下述功能中的一个或两个或两个以上的适当组合，所述功能包括三维光学存储器件、光学波导管/导管/纤维(例如布拉格光栅)、光学衰减器、分光器/耦合器、光学过滤器、光学开关、激光器、调制器、互联器、光学隔离器、光学增减复用器(OADM，add-drop multiplexer)、光学放大器、偏光器、光学平面镜/反射器、光学相位延迟器和光学探测器。
固化后的单个均匀层通常具有小于100微米的平均厚度，在许多实施例中从约1微米至约50微米，在其它实施例中从约3微米至约20微米。本领域的普通技术人员将会认识到在这些特定范围内的范围是可预期的，并且在本发明所公开的范围内。厚度是垂至于投影表面测量的，在所述投影表面中所述结构具有最大的表面积。
带有多层微粒涂层的材料可在每一层沉积之后、或者多层沉积之后进行热处理，或者这两种方法的结合。最优选的处理顺序通常取决于材料的熔点。但是一般地，希望同时对多个层进行热处理和固化。如果选取合理值的加热温度，熔融的材料保持足够的粘性，从而在界面处不会有不必要数量的熔合。层间的轻微熔合通常不会以难以接受的量影响性能。
蚀刻和器件的形成为了在通过涂敷工艺由涂层形成的层中制成离散的器件或结构，可将沉积过程设计成只涂敷带有具体组分的部分层。或者，可使用不同的图案形成方法。例如光刻法和蚀刻法的制造集成电路的传统方法可用于使沉积后的涂层形成图案。
在形成图案之前或之后，可对涂层进行热处理，从而将涂层从离散的微粒层转换成连续的层。在一些实施例中，将涂层中的微粒加热以使所述微粒固化成玻璃或均匀的晶体层。二氧化硅玻璃可用于光学应用。例如蓝宝石的晶体氧化铝和例如石英的晶体SiO2在一定的波长下适于光学应用。另外，晶体硅可在形成绝缘体上的硅电子元件中使用。固化过程通常如上详细所述。
选择沉积粉末材料和/或选择去除材料可用于在光学材料的层中形成所需的结构。基于上述公开内容，适合的选择沉积可包括例如通过掩膜的选择沉积、通过产品微粒流的基底的移动以只在部分基底上形成涂层，在形成单个涂层的过程中变化组分、或上述过程的结合。这些方法导致在层中的选择位置处的具体组分的选择设置，而其它组分可被放置在其它位置。另外，可蚀刻光学层以形成光学材料的图案。具体地，为了形成有图案的结构，可与诸如化学蚀刻或基于辐射的蚀刻法的蚀刻法一起使用诸如光刻法的图案形成法，从而通过在一个或多个层中选择去除材料而形成所需的图案。因此组分和光学特性可以在层中和层间变化。
另外，在沉积两层或多层之后，可进行受控的沉积或蚀刻步骤，从而产生如图14中示意性示出的结构。可用光反应法沉积所述层。有轮廓的光学结构340包括一个或多个支承层342和在支承层342上的一个或多个有轮廓的光学结构344。通道344通过在支承层342的顶部形成图案以去除通道344之间的材料而形成。另外的光学材料346通常放置在通道344的上方，如图15所示。热处理可在合适的点上、在形成图案和蚀刻之前和/或之后进行。也可进行另外的平整工艺，例如化学-机械抛光。
虽然这里所述的多层光学涂层具有多种应用，但在基底表面上形成的光学器件能受到特殊的关注。沿着光学器件的光传播的控制需要相邻材料的折射率不同。器件可通过不同于相连材料的折射率或结构的材料的界线来区别。光学器件的基本特征在于它们是由晶体或无定形材料制成，这些材料在特定的波长范围中可透射电磁辐射，该电磁辐射要通过所述器件传送。
所关注的光学器件包括例如光学波导器件，诸如光学耦合器、分光器、阵列波导格栅(AWG，arrayed waveguide grating)等。在基底表面上制成的波导管被称作平面波导管。平面波导管在制造用于光通讯和其它光电应用的集成光学电路时很有用。其它有关的光学器件包括例如三维光学存储器、光纤、布拉格光栅、光学衰减器、光学过滤器、光学开关、激光器、调制器、互联器、光学隔离器、光学增减复用器(OADM，add-drop multiplexer)、光学放大器、偏光器、光学平面镜/反射器、光学相位延迟器和光学探测器。
光通过折射率比周边材料高的材料传播。在一些合适的实施例中，平面波导管的厚度大概和沿该波导管传输的光波长的数量级相当，即电磁辐射的波长的数量级。例如，对于1.5微米的光，大约6微米的厚度对于波导管来说是合适的。大体上，光学层的厚度。在一些实施例中，波导管不会显著衰减通过材料在整个适度距离上传输的光。
为了利用微粒涂敷技术生产平面光学波导管，通常沉积三层。核心层形成由下包覆层和上包覆层包围的光通道。下包覆层通常涂敷在基底或下面的光学材料与核心层之间。换句话说，核心层通常形成在两种其它光学材料之间，以便提供通过核心材料的适合的光学传输。
在图16和17中示出了基底上的光学电路。如图16所示，光学电路350包括在基底358上的光学器件352、354、356。包括光学器件352的剖面图如图17所示。光学器件352包括下包覆光学材料362、核心光学材料364和上包覆材料366。通常，核心光学材料364可与下包覆光学材料362和上包覆材料366在诸如折射率的光学性质上不同，这可以是由例如组分差异、密度差异或晶体结构差异造成的。下包覆光学材料362可以与上包覆光学材料366在组分和/或光学性质上相同或不同。上包覆材料366沿两层定位，与核心光学材料共享的层与和上面布置的层。
基底358可由硅制成。虽然可使用方形或其它形状的基底，普通的基底是圆晶片。对于预成品的形成，希望将基底成形为在一个方向上极为狭长。纵横比可从约1∶5到约1∶50，或者在其它实施例中从约1∶10到约1∶25。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示的范围之内的范围和子范围是可预期的，并且在本发明所公开的内容之内。类似地，对于预成品，希望具有尺寸随着增加另外的涂层而改变的涂层，因此最终的结构不是矩形的形状，从而便于从预成品拉出纤维。无基底的平面结构也是可预期的，如下文所述。对于这些实施例，要获得最大面积的平面器件的投影提供了器件的平面范围。该投影的平面范围建立了类似于基底表面的平面，以便沿所述平面表面确定位置。
在一些实施例中，光学材料可由基于二氧化硅的玻璃制成。在这些实施例中，在基底上方沉积有掺有参杂物的二氧化硅下包覆层。接着在该包覆层的上方沉积掺有不同参杂物的二氧化硅粉末的核心层。虽然如果热处理是在合适的条件下进行，可同时固化两层，但是下包覆层通常先于额外层的增加物固化。用于生产具有高折射率的核心层的方便的方法是使用掺有参杂物的氧化硅。适合的参杂物包括例如氧化钛、氧化钽、氧化锡、氧化铅、氧化锂、氧化钠、氧化铋、氧化钾、氧化锑、氧化钙、氧化钡、氧化钨、氧化铌、氧化锆、氧化铝、镧族氧化物、其它稀土参杂物(诸如Er、Yb、Nd、Pr和Tm)、氧化锗、硼氧化物或者其组合。通常，下包覆层和上包覆层可用折射率低于掺有参杂物的核心层的掺有参杂物的二氧化硅制成。
随着核心层材料的折射率的增加，所述层的理想厚度由于波长随折射率变化而增加。因此，可相应地控制这些参数之间的相关性。由于过量的某种参杂物会导致材料对光线的透明度的损失，所以应该避免某种参杂物的过量的使用。虽然对于多数的材料，通常按这些参杂物的重量计小于40％，但是这些参杂物的数量的上限取决于特定的参杂物。
具有相同或不同光学性质和组分的核心层可沉积在相同或不同层中的基底的选定部分的上方，以便形成分离的光学结构。或者，在核心层材料固化之后，可对材料进行轮廓，从而在特定的层中制成一个或多个所需的器件。在由核心材料形成所需的结构之后，通常涂敷上包覆层。利用烟流热解沉积形成平面波导管在Keck等人的美国专利3934061中有进一步的描述，该专利的名称为“形成平面光学波导管的方法”，其内容在此引入作为参考。利用蚀刻形成耦合元件在Kawachi等人的美国专利4735677中有进一步的描述，该专利的名称为“用于制造混合光学集成电路的方法”，其内容在此引入作为参考。
多层光学结构利用这里所述的方法可以在层叠的结构中沉积多种光学材料，从而形成多层的光学材料。多层的光学材料包括在不同层中的材料之间带有不同光学特性的多个层。在一些实施例中，材料的光学特性也可在一层中变化，因此，可以在只覆盖单独层表面积的一部分的空间范围内设置特定的光学器件。这样，多层光学结构可作为平面光学器件的多层层叠、光纤预成品等而使用。
参照图18，示出了带有材料A和材料B的交替层的多层光学结构的示意性透视图。具体地，结构380包括与材料B的层384交替的材料A的层382，从而形成ABABAB结构。作为示例，材料A可以是SiO2玻璃，材料B可以是掺有参杂物的SiO2玻璃。多层光学结构的可选实施例在图19中以示意性侧视图示出。在该实施例中，结构390具有交替的材料A的层392、材料B的层394、材料C的层396。作为一个示例，材料A可以是SiO2玻璃，材料B可以是掺有参杂物的SiO2玻璃，材料C可以是另一形式的掺有参杂物的SiO2玻璃。
虽然图18和19示出了具体的层数，但层数可根据需要变化。在一些实施例中，层预成品具有3个或更多的层，在另外的实施例中为5个或更多的层，在另外的实施例中为至少10层，在其它实施例中为至少20层，在另外其它的实施例中为至少30层，并且通常小于大约1000层。本领域的普通技术人员将会认识到层的数目和在这些具体范围中的子范围是可预期的，并且在本发明所公开的范围内。另外，可在分层结构中使用多于3种材料，并且可以更复杂的图案和/或以不重复的结构布置所述层。
大体上，在光学结构中的一个或多个光学材料层具有跨过所述层的不均匀光学特性。通常，虽然可通过改变材料的其它特性而改变光学特性，但也可通过改变跨过所述层的组分而改变光学特性。例如，可通过将光，例如紫外光照射到材料上而改变一些材料的折射率。光学性质的变化可用于形成穿过所述层的光学通道/路径，从而使光在光学通道中限定于局部。光学通道可以与平面光学器件或纤维预成品的光学路径相对应，如下文所述。
通常单独的光学层的总平均厚度大约不大于1毫米，在许多实施例中不大于约250微米，在其它实施例中在从约500纳米至约150微米的范围内，在另外的实施例中在从约3微米至约100微米的范围内，在又一些实施例中在从约4微米至约20微米的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示的范围内的范围和子范围是可预期的，并且包含在本发明所公开的范围内。可沿着具体平面界面的一个或多个边界确定出层。层的厚度可由垂直于基底的平面表面或垂至于如上所述限定出无基底结构的范围的平面的厚度确定。
多层结构可以是无基底的。基底可作为与传输光的材料光学分离的材料，即非光学材料而确定。这样，由于包覆层的光学特性有助于将光线限制在核心层中，并且由此没有被光学隔离，所以包覆层通常不是基底的一部分。或者，多层结构可包括多个基底，在这些基底中，在光学层之间另外设置非光学层。
通常，光反应沉积包括将材料沉积在基底上。但是，已经发现，可形成释放层(release layer)使释放层处的分隔部将光学结构从其上形成该光学结构的基底隔开。释放层通常包括流动温度显著高于其上沉积的材料的粉末。通过调整在沉积装置中的前驱体的组分，所述粉末的组分可从一种组分到另一种组分逐渐变化或突变。可选取工况和组分来产生所需的分离，从而在热处理时形成释放层。或者，可通过从顶部热暴露来形成释放层，以便只固化材料的部分厚度，保持释放层完整。释放层的形成和利用释放层形成无基底的光学结构在待审并转让给Bryan等人的美国专利申请09/931977中有进一步的描述，该申请的名称为“在基底上的层材料”，其内容在此引入作为参考。
层叠的平面光学电路多层光学结构适于形成层叠的平面光学电路。形成选定的多层光学结构的层以提供通过所述层的光学通道/路径。在一些实施例中，通过层的光学通道包括用于光学处理/操作的平面光学器件。在可选的或另外的实施例中，一个或多个集成光学电路位于带有一个或多个光学通道的单个层中。
在图20中示出了通过带有平面光学器件的层的代表性横截面。层400包括集成光学电路402、404、406。光学电路402包括光学器件410、412、414，而光学电路404包括光学器件416、418、420、422。光学电路402包括诸如平面波导管的光学器件424和诸如光电探测器的光电器件426，例如带有电触点428的光电二极管。可通过利用银微粒的光反应沉积或诸如化学蒸气沉积的半导体处理方法形成该电触点。虽然图示层400具有三个光学电路，但层通常包括一个或两个光学电路，或者多于三个的光学电路。类似地，在光学电路中的光学器件的数目可在层的空间范围中根据所需变化。通常，层的一个或多个边缘，例如图20中的边缘430和432适于连接到光学互连器上，例如连接到光纤或其它光学器件和/或光电器件。
不论是否存在基底，平面光学结构都具有与狭长光纤等截然不同的平面外形。平面光学结构的平面外形可基于具有最大投影表面积的结构的平面投影来评价。由于表面特征等的存在，该平面投影可不考虑地加以评价。通常，平面结构具有最大面积的平面投影，其表面积至少为大约1cm2，在其它实施例中至少为大约10cm2，在另外的实施例中至少为大约25cm2，在另外的实施例中至少为大约50cm2，在一些实施例中在大约从1cm2至约1m2的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示范围内的范围和子范围是可预期的，并且包括在本发明所公开的内容中。5英寸直径的晶片基底将会产生具有6.25π平方英寸的最大投影面积的结构。
另外，平面光学结构通常具有不大于大约20的纵横比的层，在其它实施例中不大于大约10，在实施例中不大于大约5。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示范围内的范围和子范围是可预期的，并且包括在本发明所公开的内容中。纵横比是长度比宽度的比值，其中长度是在连接两个边缘点的平面投影中沿最长段的距离，宽度是沿垂直于连接两个边缘点的长度段的最长段。纵横比可约为1，这是最低的阀值。层的平面性质可以以穿过投影面积中心的区段的最大面积投影中的最小的边至边距离来表述。通常，最小的边至边距离至少约为1cm，在许多实施例中至少约为2cm，在其它实施例中至少为5cm，在一些实施例中在约1cm至约1m的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示范围内的范围和子范围是可预期的，并且包括在本发明所公开的内容中。矩形结构便于沿平面表面放置光学结构。圆形结构由于可购得圆形基底而很方便。
多芯预成品-光纤多层结构也可用于形成多芯预成品和多芯光纤。这些实施例通常具有延伸通过材料的线性尺寸的光学通道/路径。多芯光纤可从多芯预成品制得。
具体地，光纤可形成具有多个区域，每个区域具有限定的通道或多个芯，用于独立的传输。光纤可从其中具有相应结构的预成品制得。预成品本质上为多层整体结构，在沿光纤被拉出的方向的尺寸上具有所述结构，因此纤维的组成沿其长度近似地一致。通过制造带有与多个芯相应的结构的预成品，可形成光纤，从而通过模仿器件的结构以简化光纤和复杂光学器件之间的连接，来与具有多个通道的光学器件相互作用，所述复杂的光学器件例如为具有光学通道的多个集成层的器件。所述纤维为复杂的光学器件提供了更复杂的连接，从而为所述复杂结构提供了更好的使用。
为了形成多芯预成品，可重复形成层和图案的过程，从而形成带图案的预成品，如图21和22所示。形成图案的预成品440包括多个嵌入背景包覆材料444中的光通道442。特定的光通道442可由与其它光通道442相同或不同的材料制成。类似地，包覆材料444可由一种或多种材料制成。但是，包覆材料至少与邻近的光通道的材料不同。在一些实施例中，所有的材料是由掺杂有合适参杂物的SiO2制成，以便形成限定的光通道和包覆材料。光通道的数目和位置可以变化以形成所需的结构。通常，多芯纤维具有至少3个光学通道/芯，在另外的实施例中至少为5个光学芯，在其它实施例中在约10光芯至约1000光芯的范围内，在又一些实施例中在约20光芯至约100光芯的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示范围内的范围和子范围是可预期的，并且包括在本发明所公开的内容中。
制造具有多个传输通道的光纤的优选方法包括形成如图21和22所示的具有图案的预成品。与上述的层叠的平面器件不同，预成品是基于所需的所得纤维的结构来设计。形成图案/层的预成品可利用例如传统的纤维拉制工艺拉制而成。将预成品加热到使材料软化，然后从预成品拉制形成纤维。可选择预成品结构的尺寸来生产带有独立光学通道的光纤，所述光学通道具有基于通过拉制预成品而获得的光纤的已知尺寸。合适的速率通常在约1米/分钟至约100米/分钟的范围内。合适的拉力在约10克力至约40克力的范围内。本领域的普通技术人员将会认识到在这些明示范围内的范围和子范围是可预期的，并且包括在本发明所公开的内容中。拉制导致结构尺寸的减小。温度、拉力和拉制速率影响所得到纤维的尺寸。在合理的拉制条件下，多芯结构的基础结构关系在减小尺寸的纤维中得以保持。从预成品拉制纤维光学缆在Ashkin等人的美国专利4630890中有进一步的描述，该专利的名称为“暴露芯的光纤及其制造方法”，其内容在此引入作为参考。可将纤维拉制成适合于光纤或基于多芯结构的其它便利尺寸的标准尺寸。
在拉制之后，所得到的纤维保持了预成品的结构。具体地，纤维具有通过分隔的芯的隔开的光通道，所述芯可单独用于传输光，而不会与相邻的芯发生干涉。拉制之后，纤维具有类似标准光纤的整体结构，具体地，形成图案的光纤通常是挠性的。
形成图案的纤维可方便地连接到光学器件上，作为多个光纤连接的替代。由于在从形成图案的预成品拉制的光纤的结构可以非常小，所以该形成图案的光纤可以连接到不能方便地与相应光纤连接的结构上。因此，更小的光学器件可以被形成并与形成图案的光纤单独接触。作为具体实施例，形成图案的光纤可连接到带有层叠的平面光学电路的多层结构，从而进入通过纤维的芯的单独的光通道/路径。单个形成图案的光纤可替代图3b中示出的多个光纤，所述多个光纤为Chen等人的美国专利6045888中的光纤，该专利的名称为“光学容量存储器”，其内容在此引入作为参考。或者，形成图案的光纤可用作光学连接器的备选或附加，例如在Keck等人的美国专利4948217中描述的光学耦合器，该专利的名称为“光学耦合器”，其内容在此引入作为参考。
永久性光学存储器高存储量的永久性光学存储器件使从根本上改变计算机的结构成为可能，具体地个人电脑。具体地，光学存储器元件可包括多个可执行程序。优选的光学存储元件是固定的固态器件，该器件集成到计算机中的光电网络内。选择性访问程序可以提供所需例行程序的执行和选定的操作系统。多维光学存储器件可由如这里所述的多层光学结构制造。
适合的3维光学数据存储结构例如在Chen等人的美国专利6045888中有描述，该专利的名称为“光学容量存储器”，其内容在此引入作为参考(’888专利)。在’888专利中描述的永久性光学存储器具有大量的独立可寻址单元，即数据元件。这些数据元件可用于存储所关注的程序。由于沿着光线的方向访问单个数据元件，以读取数据元件，该永久性光学存储器可不用移动部件来访问。可利用重叠光束，或利用空间光调制器来访问所述数据元件，在空间光调制器中，每个数据元件与受控的调制像素联系。在备选实施例中，存储媒体，例如盘等、或聚焦元件移动以在光学数据元件上聚焦光线。
在优选实施例中，永久性光学存储器用于存储多个计算机程序。适合的程序包括例如操作系统、文字处理软件、扩展表、制图程序、通讯程序、游戏等。这些程序能够可选择性地被访问。
在特别优选的实施例中，通过连接器，将永久性光学存储器联接在连接器的主插件板上。永久性存储器可从连接器上去除，以便用不同的存储器件替换。例如，可全程升级存储在光学存储器件上的程序。替换光学存储器件也可包括程序选择的消除和/或附加。
存储在光学存储器上的程序可利用激活值锁定。基于正确的许可和/或激活值限制访问。访问的类似限制可以写入各种软件程序中。例如，目前可在互联网上获得的一些软件可被下载，但没有访问密码无法运行。
利用访问密码为单个光学存储器件上的大量软件的存储提供了局限于软件一部分的访问。在具体的优选实施例中，光学存储器件可包括可从硬件获得的软件的全部或者大部分。用户于是通过键入正确的访问密码而访问该用户得到许可的软件。可随后通过获得正确的访问密码而访问另外的软件。可通过替换永久性光学存储器件而进行全程升级。除了永久性光学存储器之外，可利用传统的易失性存储器或其它永久性存储器来访问另外的软件。在优选实施例中，除了随机存储器(RAM memory)，单个的个人电脑将没有硬盘驱动存储器或其它易失性存储器。具体地，所有可执行码优选地将在光学存储器件中找到。虽然工作结果可存储在与该计算机相关连的其它易失性存储器或永久性存储器，例如小盘驱动器(small disc drive)上或固态存储器，但工作结果可优选地存储在中央服务器或其它网络服务器上，例如互联网服务器上。
使用永久性光学存储器来存储程序会导致永久性存储器与诸如硬盘驱动器的易失性存储器相比从不重要的角色逆转成易失性存储器担当小角色的中心角色。由于对永久性存储器的快速访问，使用多个永久性固态集成存储器提供了计算机的几乎瞬时启动。高速永久性存储器替代大部分的存储容量，可更快地访问大量的信息。
如这里所使用的，术语“在…范围内”或“在…之间”包括的范围由在术语“在…范围内”或“在…之间”中的数值所限定，而且包括包含在该范围中的任何和所有子范围，其中，每个这样的子范围被限定成具有作为第一端点的、在该范围中的任一数值，和作为第二端点的、在该范围中的任一值。
上述实施例为示例性的，而不是限制性的。其它实施例在本发明后附的权利要求的范围中。虽然本发明是参照具有的实施例加以说明，但本领域的技术人员将会认识到，在不脱离本发明的实质和范围的同时，可作形式和细节上的变化。
权利要求
1.一种整体光学结构，包括多个层，每个层具有限定在该层的一部分中的隔离的光学路径。
2.如权利要求1所述的整体光学结构，还包括包含非光学材料的基底。
3.如权利要求2所述的整体光学结构，其中，所述基底包含硅。
4.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，所述多个层包括至少3层。
5.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，所述多个层包括至少5层。
6.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，所述多个层包括至少10层。
7.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，所述隔离的光学路径包括具有与包覆材料的折射率不同的折射率的光学材料，所述包覆材料围绕所述整体光学结构中的隔离的光学路径。
8.如权利要求7所述的整体光学结构，其中，在至少一个所述隔离光学路径处的光学材料包括第一种掺有参杂物的氧化硅。
9.如权利要求8所述的整体光学结构，其中，所述包覆材料包括第二种掺有参杂物的氧化硅。
10.如权利要求7所述的整体光学结构，其中，在至少一个所述隔离光学路径处的光学材料包括晶体光学材料。
11.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，每层具有不大于约250微米的厚度。
12.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，每层具有从约3微米至约100微米的厚度。
13.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，每层具有从约4微米至20微米的厚度。
14.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，至少一层包括多个隔离的光学路径。
15.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，至少一个所述隔离的光学路径包括集成光学电路，该集成光学电路包括多个由于存在具有不同光学特性的光学材料而可相互区分的光学器件。
16.如权利要求15所述的整体光学结构，其中，所述多个光学器件包括光电器件。
17.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，至少一个所述隔离的光学路径包括具有近似均匀组分的光学芯，该光学芯延伸通过所述结构的一个线性尺寸。
18.如权利要求1所述的整体光学结构，其中，多个层包括至少约10个隔离的光学路径，每个光学路径包括具有近似均匀组分的光学芯，该光学芯延伸通过所述结构的一个线性尺寸。
19.一种形成整体光学结构的方法，所述方法包括使结构多次通过产品微粒的流动流穿行，其中，产品微粒的组分在所述穿行之间改变，并且，产品微粒形成多层，每一层具有固化后的光学材料，同时所述多个层具有在该层的部分中限定的隔离的路径。
20.如权利要求19所述的方法，其中，微粒流的横截面的特征在于其长轴和短轴，且长轴至少是短轴的2倍。
21.如权利要求20所述的方法，其中，长轴至少为短轴的5倍。
22.如权利要求20所述的方法，其中，长轴足够得长，进而产品流同时沿着横过所述结构延伸的整个线尺寸涂敷所述结构，因而，在一次线性通过所述产品物流时即可沉积所述结构的整个涂层。
23.如权利要求19所述的方法，其中，所述微粒流在由聚焦辐射束驱动的反应中形成，所述辐射束与流动的反应物流相交。
24.如权利要求23所述的方法，其中，所述流动的反应物流包括气溶胶。
25.一种挠性光纤，该光纤具有多个独立的光通道，所述光通道包括沿光纤的长度方向延伸的芯光学材料。
26.如权利要求25所述的光纤，其中，所述多个独立的光通道包括至少三个独立的光通道。
27.如权利要求25所述的光纤，其中，所述芯光学材料包括掺有参杂物的氧化硅。
28.一种用于形成光纤的方法，包括在将预成品加热到软化温度的同时，拉制已经形成有图案/分层的预成品，从而形成光纤，该光纤具有包括芯光学材料的、多个独立的光通道。
29.如权利要求28所述的方法，其中，所述光纤的拉制以从约1米/分钟至约100米/分钟的速率进行。
30.如权利要求28所述的方法，其中，所述光纤的拉制在从约10克力至约40克力的拉力下进行。
31.如权利要求28所述的方法，其中，所述多个独立的光通道为至少5个独立的光通道。
32.一种用于形成结构的方法，该结构具有至少三个微粒涂层，每个涂层至少覆盖基底表面的一部分，所述方法包括通过在不超过大约1分钟的时间内将基底移动通过微粒流三次，至少将微粒流的一部分沉积到基底上。
33.如权利要求32所述的方法，其中，至少一个微粒涂层具有与其它两个微粒涂层不同的组分，并且，在基底通过微粒流的移动之间改变微粒流的组分。
34.如权利要求32所述的方法，其中，所述沉积速率至少约为10g/hr。
35.如权利要求32所述的方法，还包括使流动的反应物流反应以形成微粒流。
36.如权利要求35所述的方法，其中，反应物流具有垂至于传播方向的横截面，其特征在于长轴和短轴，所述长轴至少为所述短轴的两倍。
37.如权利要求35所述的方法，其中，反应由辐射束驱动，并且，反应物流沿着辐射束的传播方向伸长，以便在基底相对移动的同时产生微粒线，该基底掠过横过基底的产品微粒线的至少一部分。
38.如权利要求35所述的方法，其中，所述反应由光束驱动。
39.如权利要求32所述的方法，其中，微粒的沉积包括以至少约0.1厘米/秒的速率相对产品微粒流移动基底。
40.如权利要求32所述的方法，其中，微粒的沉积包括以从约1厘米/秒至约30厘米/秒的速率相对产品微粒流移动基底。
41.如权利要求32所述的方法，其中，所述在大约不超过15秒的时间内进行三个微粒涂层的沉积。
42.如权利要求32所述的方法，其中，所述在大约不超过9秒的时间内进行三个微粒涂层的沉积。
43.如权利要求32所述的方法，其中，所述至少3个微粒涂层包括至少5个微粒涂层，并且该方法还包括通过在不超过大约1分钟的时间内将基底移动通过微粒流5次，从而至少将微粒流的一部分沉积到基底上。
44.如权利要求32所述的方法，还包括将所述三个微粒涂层固化成三个具有不同光学特性的光学材料层。
45.如权利要求44所述的方法，其中，在沉积所述三个层之后进行三个微粒涂层的固化。
46.如权利要求44所述的方法，其中，所述三个微粒涂层的固化在至少两个加热步骤中进行，而至少一个加热步骤先于完成三个微粒涂层的沉积而进行。
47.一种光纤预成品，包括多个光学材料层，该光学材料形成延伸通过所述结构的一个线性尺寸的多个隔离的光学路径。
48.如权利要求47所述的光纤预成品，其中，多个隔离的光学路径位于不同的层上。
49.如权利要求47所述的光纤预成品，其中，多个隔离的光学路径位于一层上。
50.如权利要求47所述的光纤预成品，其中，多个隔离的光学路径形成延伸通过该预成品的一个线性尺寸的二维阵列，所述预成品带有多个具有多个隔离光学路径的层。
51.一种计算机，包括存储多个程序的永久性光学存储器，所述程序是可选择性访问的。
52.一种操作计算机的方法，该方法包括从永久性光学存储器中选择程序，以及执行该程序，所述永久性光学存储器包含多个程序。
全文摘要
一种整体的光学结构，包括多个层，每个层具有限定在部分层中的隔离的光学路径。所述整体的光学结构可用作光纤预成品。可选地或另外地，整体的光学结构可包括在所述结构的一个或多个层中的集成光学电路。可通过使基底多次通过流动的微粒流穿行而形成所述整体的光学结构。在固化之后，沉积的微粒形成光学材料。挠性光纤包括沿着光纤的长度方向延伸的多个独立的光通道。所述纤维可从合适的预成品拉制。
文档编号B32B9/04GK1531480SQ01820305
公开日2004年9月22日 申请日期2001年10月26日 优先权日2000年10月26日
发明者迈克尔·A·布赖恩, 迈克尔 A 布赖恩, 毕向欣 申请人:内诺格雷姆公司