专利名称：二元束操控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制电磁辐射的相角特性的固定元件。更具体地，本发明提供用于控制电磁辐射的传播方向的光学元件。最具体地，本发明提供能够被用于将入射电磁辐射的传播方向从一个方向可逆地转换到另一方向的可重新配置的光学元件。
背景技术：
用于路由、重定向和控制电磁辐射流的能力在许多技术应用中是重要的。由于对数据的高速和高密度传输和存储的需要逐步升级，例如光学信息系统预期变得日益重要。为了优化光学装置的功能，有必要对光的传播方向进行精确的控制。例如光学数据的读和写典型地需要将一个或多个光束精确定位在光学记录介质中的边界明确的位置处。在许多应用中，也期望利用日益紧凑的装置对光传播进行精确控制。光学元件的小型化和增强的功能对于将来的技术来说是基本的。类似的能力被期望用于光范围之外的电磁频率。
用于控制电磁辐射的传播的传统装置包括例如反射镜或分束器的反射元件、例如透镜和抛物面镜的聚焦元件、以及例如棱镜的色散元件。当然已经证明这些装置在以预定的方式引导光方面是非常可靠和有效的，但有以下缺陷一旦制造好和被定位，其用于控制电磁辐射的传播的能力是固定的。传播的任何变化需要装置的物理移动，并且可能涉及麻烦和/或缓慢的对准程序。
在使用于控制电磁辐射的传播的装置小型化方面的努力近来集中于MEMS(微电机系统)技术。MEMS元件是小的、重量轻的，并且能够在小型装置包装中路由电磁辐射。MEMS技术包括以阵列配置的小型反射镜，该阵列可以包括几百个被精确定位和/或相对于彼此倾斜的反射镜。MEMS是潜在有利的技术，因为元件质量非常小，并因此几乎不需要用于对于实现动态执行能力来说所需的重新定位的力。在发展MEMS技术方面的大部分努力已经集中于光交换和光交叉连接。MEMS技术例如可以被用于将光信号引导到纤维束中的特定光纤以及基于重新定位将信号重定向到其它光纤。
尽管MEMS技术提供几个潜在的优点，但它的实施方式提出几个问题。首先，尽管MEMS元件是可重新定位的，但重新定位是通过机械过程进行的，并在毫秒时间标度上出现。对于许多应用来说，希望更快速的动态能力。第二，MEMS系统是精密的，并且易受由例如振动之类的外部干扰所引起的破坏的影响。这些干扰改变MEMS元件的定位并且削弱功能。因此可能需要复杂的反馈系统来确保在典型的应用环境中的操作的稳健性。第三，MEMS系统当前是非常昂贵的。高成本与制造应用典型地所需的小型元件、大量元件的错综复杂、以及元件连同致动装置一起成为许多应用所需的三维阵列的精确装配相关。
因此，在现有技术中需要用于控制电磁辐射的传播的改进的装置。理想地，这些装置应是固定的、能够动态地重新配置的，并在跨越大的角度范围的用户确定的方向上以有效、可再现的方式提供电磁辐射的反射和重定向。
发明内容
本发明提供相角受控的固定元件，该元件提供二元束操控能力。二元束操控元件具有两个不同的相角状态。本元件的操作基于对入射电磁辐射的相角的精确控制，以便在通过元件的相角状态所规定的方向上产生反射的输出辐射。每一相角状态在特征方向上引导入射电磁辐射束。根据元件的相角状态，因此将入射电磁辐射重定向到两个方向之一中，并且因此实现二元束操控能力。
本元件包括有源区域，该有源区域包括能够在两个或多个结构状态之间可逆地转换的材料，其中可以通过光或电能的施加引起结构转换。两个或多个结构状态区分两个相角状态，所述相角状态中的每一个以不同方式影响入射电磁束的相角，以便由元件产生在通过相角状态所指示的方向上传播的反射的输出信号。两个相角状态之间的可逆转换可以在快速的时间标度上实现，以便提供动态束操控能力。
在优选实施例中，该有源区域包括具有结晶状态和非晶状态的相变材料，其中相变材料区域可以以变化的量包括结晶部分和非晶部分，以便提供具有在结晶和非晶极限之间连续可变的分数结晶度的有源相变区域。结晶和非晶极限之间的分数结晶度的相互专有的范围限定两个相角状态，其中从一个相角状态至另一相角状态的转换出现在小的分数结晶度范围上。
优选的相变材料是硫族化物材料。该硫族化物材料包括与从主族和/或过渡元素中选择的一个或多个改良剂结合的一个或多个硫族元素(S，Se，Te)。优选的主族元素是来自族5A(例如P，As，Sb)、4A(例如Si，Ge，Sn，Pb)和3A(例如Al，Ga，In)的元素。优选的过渡金属包括Zn和Cd。
在优选实施例中，本元件包括光学堆栈，该光学堆栈包括夹在两个介电层之间的相变层，其中通过金属层来支承三层组合(介电材料-相变材料-介电材料)。通过适当地确定层厚度，本发明的该实施例提供二元操控能力。
图1示出多层光学堆栈；图2示出具有比例设计的元件的、所计算的反射率和相角特性。该计算包括在从0.0延伸至1.0的结晶体积分数的范围上的20个网格点。
图3示出具有过渡设计的元件的、所计算的反射率和相角特性。该计算包括在从0.0延伸至1.0的结晶体积分数的范围上的20个网格点。
图4示出具有二元设计的元件的、所计算的反射率和相角特性。该计算包括在从0.0延伸至1.0的结晶体积分数的范围上的20个网格点。
图5示出具有二元设计的元件的反射率和相角特性的高分辨率计算。该计算包括在从0.55延伸至0.75的结晶体积分数的范围上的20个网格点。
图6示出包括四个相变区域和分布在其中的两个相角状态的模式的相变层的一部分。
图7示出包括四个相变区域和分布在其中的两个相角状态的模式的相变层的一部分。
图8示出包括四个相变区域和分布在其中的两个相角状态的模式的相变层的一部分。
图9示出包括四个相变区域和分布在其中的两个相角状态的模式的相变层的一部分。
具体实施例方式
本发明提供一种二元束操控元件，该二元束操控元件具有在两个方向中的任一方向上操控入射束或电磁辐射的波前的能力。入射束照射到元件的表面上，与元件的表面和内部相互作用，并被反射，以便产生在两个方向之一上传播的输出束。该元件的相角状态决定反射束的传播方向。
该元件是包括至少一个有源层的多层光学堆栈，该至少一个有源层包括相变材料与例如电介质和金属的辅助层。相变材料是具有两个或多个结构状态、并具有通过与能量场相互作用来在这些状态之间可逆地转换的能力的材料。通过相变材料的两个或多个结构状态的相对比例的变化，能够在两个或多个不同状态之间转换有源层。两个或多个不同的有源层状态可被分为遍布相变材料的两个或多个结构状态的相对比例的相互专有的范围的、具有不同的相角特性的两组。这些状态组限定该元件的两个不同的相角状态。
以前已经在被转让给本受让人的公开号为US-2004-0036944A1(‘944公开物)美国专利中描述了通过相变区域的结构状态的变化来进行相角控制的概念，因此将该美国专利的公开内容引入作为参考。该‘944公开物描述了可以被用于控制入射电磁束的反射方向或透射率、以及聚焦状态、束横截面的对称性和波前特性的相角控制固定元件(PACSE元件)。该‘944公开物的PACSE元件是被再分成子波长标度数据单元的多层结构。这些层内的一个或多个是有源相变材料。有源相变材料具有结晶状态和非晶状态，并且每一数据单元具有特征在于由数据单元限定的体积内的结晶和非晶部分的相对比例的结构状态。结构状态以在非晶极限(0％分数结晶度)和结晶极限(100％分数结晶度)之间的分数结晶度连续地变化。在PACSE元件中，数据单元的所得到的相变特性随着分数结晶度平滑地并且连续地变化。通过沿着PACSE元件的表面在一个或多个方向上和/或以各种模式控制不同数据单元的相对分数结晶度，根据‘944的PACSE元件可以被用于控制传播方向和/或截面对称性和/或反射或透射电磁束的聚焦状态。
‘944公开物的元件中的一个或多个方向上分数结晶度的受控变化被用于通过局部控制输出束的光相位来控制输出束(例如反射或透射束或信号)的特性(例如传播方向、截面束形状、聚焦状态)。由于相变材料的非晶和结晶状态具有不同的光学常数(例如折射率(n)，消光系数(k))，这些状态对入射电磁束施加不同的相位延迟。在具有介于非晶和结晶极限之间的分数结晶度的数据单元中，根据有效介质近似的相位延迟是由数据单元中的非晶和结晶区域的相对部分决定的平均值。通过沿着一个方向改变一系列数据单元的分数结晶度，产生相位逐渐减小，其中从数据单元至数据单元的相位延迟差是非零的。分数结晶度的梯度实际上在内部存储PACSE元件的有源材料的不同相角响应，并且是PACSE元件的操作的基本特征。当入射束与元件相互作用时，相位逐渐减小实际上通过改变入射束所遭遇的光程长度来控制输出束的相位。在‘944公开物中提供进一步的讨论。
在操作特性方面，通过数据单元的分数结晶度和沿着一系列数据单元的结晶度梯度的连续变化，能够连续改变由PACSE元件提供的相角效应。在本发明的上下文中，可以说数据单元中的分数结晶度的具体模式或分布限定PACSE元件的相角状态，其中通过该相角状态指示反射或透射的输出束的特性。通过改变分数结晶度的模式，能够将不同的相角状态编程到PACSE元件中，以便为输出束提供各种各样的条件。如‘944公开物中所讨论的，通过改变PACSE元件的相角状态可实现输出束的传播方向、截面束形状和聚焦状态的连续变化。
在本发明中，提供PACSE元件的二元版本，其中分数结晶度的变化提供两个主要相角状态，而不是PACSE元件中可用的相角状态连续区。该元件因此被称作PACSE-Lite元件。每一个相角状态对晶体分数的甚至大的变化相当不敏感，并且在狭窄的分数结晶度范围上出现从一个相角状态至另一个相角状态的转变。
本二元元件是多层光学堆栈，为了控制从固定光学元件发出的输出束的相位特性，该多层光学堆栈进一步扩展自由度。由本发明提供的附加控制由光学堆栈中的层的厚度的变化产生。在下面的讨论中，由相同的材料构成的、但具有不同的层厚度的说明性多层堆栈结构被比较，并被用于相对于‘944公开物的PACSE元件的连续束操控能力示范本元件的二元束操控能力。
例子在该例子中描述了本发明的说明性实施例的特征。该实施例是具有在图1中示意性地所描绘的结构的四层光学堆栈。该堆栈100包括第一介电层110、相变层120、第二介电层130和金属层140。入射电磁束从上方照射堆栈100，以产生输出电磁束。不同层的成分和厚度与由相同成分组成并且也具有图1中所示出的堆栈结构的比较元件的那些成分和厚度一起被包括在表1中。
在该例子中，第一介电层110(在表1中被标记为D1)和第二介电层130(在表1中被标记为D2)由比摩尔比率为(ZnS)0.8(SiO2)0.2的ZnS和SiO2组成。相变层(在表1中被标记为PCM)由Ge2Sb2Te5组成，并且金属层由包含1.5％Ti的Al组成。在表1中包括三种不同的利用这些相同材料的多层设计比例设计、过渡设计和二元设计。二元和过渡设计是根据本发明的元件的实施例。比例设计类似于根据‘944公开物的PACSE元件。如下面更充分描述的，比例元件的特性特征是随着相变区域中结晶体积分数的变化的、相变材料区域的相角的平滑和连续的变化。二元元件的特性特征是在小的结晶体积分数范围上相变区域的相角的急剧的、几乎不连续的变化。过渡设计具有介于比例和二元设计的那些相角特性之间的相角特性。
三种设计包括堆栈中按相同顺序的具有相同成分的层，但就层的厚度而言有所不同。金属层140对于三种设计来说具有相同的厚度(100nm)，并被用于为其它层提供机械支承，并进一步起作用以提供背反射。有源相变层120对于三种设计来说也具有相同的厚度(20nm)。介电层D2对于三种设计来说具有类似的厚度(55nm对55nm对47nm)。三种设计的主要差异是上介电层D1的厚度(60nm对10nm对10.1nm)。表1的底端行针对每一种多层设计示出光相角(OPA)的总差Δ(度数方面)以及示出用于实现OPA的总差Δ的90％所需的相变层120的分数结晶度的变化Δf。
表1
参照图2-4中所示出的数据最方便理解表1的底端行中的项。图2、3和4示出为分别具有表1中所概括的比例、过渡和二元设计的元件中的相变层内的相变区域所计算的反射率(上面板)和相角(下面板)数据。图2-4中所描绘的特性分别对应于比例、过渡和二元设计的有源相变层120中的区域。如下面更充分地描述的，束操控效应由相变材料的不同区域的相变层内的布置产生，其中不同区域根据分数结晶度而变化。相变层内的相变区域的适当模式或布置的形成提供束操控。图2-4中所示出的数据涉及被用于根据本发明提供束操控的区域布置内的各个区域的特性。
反射率图示出所计算的、作为堆栈的有源相变层120中结晶体积分数的函数的、相变材料区域的反射率。在从非晶相位(等于0的结晶体积分数)延伸至结晶相位(等于1的结晶体积分数)的整个范围上提供数据。沿着结晶体积分数轴的不同点对应于具有相变材料的结晶和非晶相位的不同比例的相变区域的状态。这些不同点于此可被称作相变材料的不同结构状态。针对具有1550nm和650nm的波长的入射电磁辐射示出反射率数据。相角图针对1550nm计算示出所计算的、作为相变材料的结晶体积分数的函数的、相变材料区域的相角。在从非晶相位(等于0的结晶体积分数)延伸至结晶相位(等于1的结晶体积分数)的整个范围上提供数据。相角图包括绝对相角结果和相对相角结果。绝对相角是针对相变区域所计算的实际相角，而相对相角是通过绝对相角数据的偏移而获得的，其中为了改变尺度的目的而将最小绝对相角设置为等于零，以便更清楚地观察在结晶体积分数的范围上的相角差。
图2示出具有比例设计的元件的有源相变层内的相变材料区域的反射率和相角数据。反射率和相角数据示出对相变区域的结晶体积分数的平滑依赖性。就束操控能力而言，相角数据具有最大的相关性。比例元件的总相角差是160°，并对应于结晶体积分数范围的结晶和非晶端点之间的差。相角数据的有关方面是在结晶体积分数的范围上相角的连续变化。每一结晶体积分数与不同的相角相关，并因此为相变区域限定不同的相角状态。比例设计具有在‘944公开物中所描述的PACSE元件的功能。相变材料的每一结构状态对应于不同的结晶体积分数，该不同的结晶体积分数又对应于不同的相角，并且因此对应于相变区域的不同的相角状态。与有源相变层内的相变区域相关的分数结晶度的模式唯一地决定由元件根据入射束所产生的输出束的特性。比例元件提供在通过总相角差所施加的总极限内特性的连续变化，并且可以被用于提供连续的束操控能力。比例元件的特征在于相变层内的相变区域的相角和结晶体积分数之间基本上成比例的关系。如在表1中所看到的，并且需要90％的Δf的变化以实现光相角的90％的变化。
图3示出具有过渡设计的元件的相变层内的相变区域的反射率和相角数据。在650nm时的反射率数据示出随着结晶体积分数增大反射率逐步增大。在1550nm时的反射率数据示出非晶端点和大约0.55的结晶体积分数之间的减小以及大约0.55的结晶体积分数和结晶端点之间的增大。在它的最小值处，过渡元件的相变区域的反射率紧密接近零、但没有完全达到零。过渡元件的相变区域的相角数据示出非晶和结晶端点之间的平滑变化。在相对相角数据中这最容易被看到。绝对相角数据示出当结晶体积分数增大至大约0.45时从非晶端点处的大约80°至接近0°的值的减小。超过大约0.45，为了定标目的而将绝对相角数据任意移动360°，以便针对超过大约0.45的结晶体积分数显示绝对相角的变化。由于相角是周期函数，该定标纯粹是为了有助于显示，并且就元件的特性而言是不重要的。过渡元件和比例元件之间的主要差异在于前者示出在结晶体积分数的中间值处相对相角的更急剧的变化(也就是相角图中的弯曲发展)。
针对传统设计所述的趋势在二元元件中变得甚至更显著。在图4中示出了为二元设计的相变层内的相变区域所计算的反射率和相角数据。在650nm时的反射率数据示出随着增大二元设计中的结晶体积分数的逐步增大。在1550nm时，反射率数据类似于针对过渡设计所观察到的数据，其中它们显示出最小值。然而相对于过渡设计，最小值被移动至更高的结晶体积分数(大约0.64)，并且在最小值处的反射率的值是零。绝对相角数据在反射率的最小值附近示出出现绝对相角的急剧的、几乎不连续的变化。在图5中进一步示出了该特性，图5示出在光相角的急剧变化附近光相角的更高分辨率计算。
光相角的几乎不连续的特性指示在相变材料的窄的结晶体积分数范围上出现相角的急剧变化。该窄的范围于此可被称作结晶体积分数转换范围。该转换范围将结晶体积分数的整个范围描绘成三个不同区域1、从非晶端点延伸直到正好低于不连续的开始的值的结晶体积分数(该结晶体积分数范围于此可被称作前转换范围)；2、相角急剧变化的窄的结晶体积分数转换范围；以及3、从正好超过不连续延伸直到结晶端点的结晶体积分数(该结晶体积分数范围于此可被称作后转换范围)。
在前转换范围内和在后转换范围内，二元元件中的相变区域的相角仅仅示出随着结晶体积分数、随着存在于前转换范围内的状态和后转换范围内的状态之间的大的相角差的轻微变化。前转换状态和后转换状态之间的清楚的相角差成为本发明的二元元件的工作原理的基础。前转换范围内的状态的相角的相似性指示该范围内的处于不同状态的相变材料区域以相似的方式影响入射电磁束。后转换范围内的状态的相角的相似性指示该范围内的处于不同状态的相变材料区域也以相似的方式影响入射电磁束。前和后转换状态的大的相角差指示在那两个范围内的处于多个状态的相变区域以非常不同的方式影响特定的入射电磁束。因此，元件的功能实际上是二元的，其中可以至少近似地将前转换和后转换状态看作两个不同的相角状态并且可以将具有多个相变区域的布置看作包括具有两个不同的相角状态的模式。通过类推，具有二元设计的元件的相变层内相变区域的前转换和后转换状态使人想起传统的二元电子装置中的“低”和“高”状态。
当根据本发明的二元元件的相变区域处于前转换相角状态时，它具有对入射电磁辐射的特性影响，该特性影响显著不同于由后转换相角状态产生的对该辐射的特性影响。正如二元电子装置中的“高”电压容易与“低”电压区分开并产生对电子信号的能够容易地区分的影响那样，本二元元件的相变区域的后转换相角状态容易与前转换相角状态区分开并产生对电磁信号的能够容易地区分的影响。
根据本发明的二元元件的相变区域的前转换范围内的结构状态或其子集可被统称为相变区域的不同相角状态。在理想化的实施例中，前转换相角状态中的所有结构状态都具有相同的相角，并且不出现在与前转换相角状态相关的结晶体积分数范围上的相角的变化。其次，在理想化的实施例中，后转换范围中的所有结构状态都具有相同的相角，并且不出现在与后转换相角状态相关的结晶体积分数范围上的相角的变化。第三，在理想化的实施例中，结晶体积分数的转换范围是任意窄的，并且不连续地出现。
由于例如元件的相变层和周围层内的处理条件、成分或厚度均匀性之类的因素的统计变化，可能出现或期望缺陷、杂质等等以及设计偏爱、与二元元件的理想化条件的小的偏差。本发明的实施例进一步包括二元元件，其中在相变区域的两个主要相角状态中的每一个中出现小的相角变化。在这些实施例中，两个相角状态中的每一个都包括多个结构状态，其中每一个结构状态的特征在于结晶和非晶区域的特定比例。每一个相角状态在结晶和非晶区域的比例范围上延伸，并提供在特征间隔上延伸的相角范围，其中结晶和非晶相位的比例范围和两个相角状态的相角间隔是不重叠的。
就特性在图4中被示出的实施例而言，例如，存在跨越从非晶端点(0.0或0％)延伸直到大约0.60(60％)的结晶体积分数的结晶体积分数范围的第一相角状态和跨越从大约0.65(或65％)的结晶体积分数延伸直到结晶端点(1.0或100％)的结晶体积分数范围的第二相角状态。第一相角状态提供从大约54°延伸至99°的相角间隔，并且第二相角状态提供从大约207°延伸至225°的相角间隔。在该实施例中，两个相角状态的结晶体积分数范围是不重叠的，并且相角间隔是不重叠的。这两个相角状态通过出现相角的急剧变化的、在大约0.60和0.65的结晶体积分数之间的窄的结晶体积分数转换范围而分离，其中在0.04的结晶体积分数变化范围内出现大约90％的陡度。
在窄的结晶体积分数范围上相角的急剧变化是区别本元件与‘944公开物的PACSE元件的一个特征。可以根据出现的相角变化和出现相角变化的结晶体积分数范围来描述陡度。如在图2-4中所看到的，元件的设计提供对相角变化的陡度的控制。在具有图2的特征的比例设计中，仅存在相角的逐步变化，并且需要大的结晶体积分数范围以便看到显著的相角变化。在具有图3中所示出的特征的过渡设计中，相角变化变得更陡峭，并且在0.50-0.60附近的结晶体积分数范围内变得更急剧。在该范围内，根据结晶体积分数的每一单位变化观察到较大的相角变化。在具有图4中所示出的特征的二元设计中，相角变化甚至更急剧。
在具有图4的特征的实施例中，通过考虑存在于具有结晶区域的最大比例的第一相角状态的结构状态和具有结晶区域的最小比例的第二相角状态的结构状态之间的相角和结晶体积分数差，我们能够简单地描述两个相角状态之间的相角变化的陡度。第一相角状态的最大结晶比例结构状态是大约0.60，并且该状态的相角是大约54°。第二相角状态的最小结晶比例结构状态是大约0.65，并且该状态的相角是大约225°。因此，在该实施例中，我们观察到在0.05(5％)的结晶体积分数范围上171°的相角变化。
在于此优选的实施例中，在小于或等于20％的结晶体积分数范围上出现至少45°的相角变化。在于此更优选的实施例中，在小于或等于15％的结晶体积分数范围上出现至少90°的相角变化。在最优选的实施例中，在小于或等于5％的结晶体积分数范围上出现至少135°的相角变化。
如在图2-4中进一步示出的，相角变化的陡度涉及元件对入射电磁辐射的波长的最小反射率。由于图2-4针对具有1550nm的波长的入射电磁束呈现相角数据，我们在该讨论中考虑在该波长时的反射率值。在比例设计中，在1550nm时的最小反射率是大约0.16(16％)(图2)。在过渡设计中，在1550nm时的最小反射率是大约0.02(2％)(图3)。在二元设计中，在1550nm时的最小反射率是大约0(0％)(图4)。因此在优选实施例中观察到，随着最小反射率减小，相角变化变得愈加急剧。进一步注意到，在远离非晶和结晶端点的中间结晶体积分数处出现该最小反射率。
在于此优选的实施例中，在入射波长时元件的最小反射率是5％或更小。在于此更优选的实施例中，在入射波长时元件的最小反射率是2％或更小。在最优选的实施例中，在入射波长时的最小反射率是0％。
通过本元件的相角状态提供的相角间隔是感兴趣的另一参数。通过装置的设计(包括层成分和厚度)并且也通过被包括在与每一相角状态相关的结构状态的子集中的结晶和非晶状态的比例范围，可以控制相角间隔。在优选实施例中，通过一个或两个相角状态提供的相角间隔跨越60°或更小的范围。在更优选的实施例中，通过一个或两个相角状态提供的相角间隔跨越45°或更小的范围。在还要更优选的实施例中，通过一个或两个相角状态提供的相角间隔跨越20°或更小的范围。
前面的例子已经描述了利用具有结晶状态和非晶状态的相变材料的本发明的操作特征和原理，其中可以连续改变结晶和非晶状态的相对比例，以便提供可被进一步分组为结构状态的子集的一系列结构状态，所述结构状态的子集限定本元件的有源相变层内相变区域的第一相角状态和第二相角状态。这两个相角状态的结构状态的子集在相变层的结晶体积分数的比例的不重叠范围上延伸，并提供不重叠的相角间隔。
通过有源层内这种相变材料区域的布置在本装置中实现二元束操控能力，其中相邻区域具有合适的尺寸，并处于在上文所描述的两个相角状态中的不同相角状态中。一般原理和一些一般的尺寸要求在‘944公开物中针对PACSE元件(其基于在上文所描述的比例设计)进行了描述，并且此外与本发明相关。这些原理中的一些原理及其对本二元元件的具体应用的选择性回顾在进一步理解本发明时有价值的。
如在PACSE元件的情况下，本二元元件是非衍射元件。为了确保非衍射条件，被周期性地定位的目标之间的间隔必须小于入射到元件上的电磁辐射的波长。该考虑在‘944公开物中被进一步描述，其中示出与束操控效应相关的特征是被周期性地定位的标记之间的间隔低于入射电磁辐射的波长。PACSE元件中的束操控基于如在上文针对比例设计所述的相角的连续变化，并包括通过在一系列相变区域(数据单元)上结晶体积分数的梯度的形成的、相位逐渐减小的产生，该一系列相变区域中的每一个都具有低于入射电磁辐射的波长的尺寸，以便防止衍射。通过控制PACSE元件的每一单位长度的结晶体积分数的变化，产生横跨元件的相角的连续变化，并且因此实现连续的束操控能力。
在本元件中，束操控实际上是二元的，因为该元件提供相变区域的基本上两个相角状态，而不是相角状态的连续区，其中该相变区域被布置在有源相变层内。尽管在本元件中可以产生与在PACSE元件中发现的那些结晶体积梯度类似的结晶体积梯度，但由于元件的二元特性，这些梯度并不提供如出现在PACSE元件中的、横跨元件的相角的相应的连续变化。不管分数结晶度如何(以及暂时忽略两个相角状态之间的转换区域)，相变材料区域必定处于两个相变状态之一中。因此束操控能力在本元件中比在PACSE元件中更有限，因为可用于相变层内的不同相变区域的相角状态的数量在本二元元件中更有限。
在本元件中，束操控能力由在两个相角状态上延伸的相位逐渐减小产生，其中通过元件中的相邻区域的并列来形成相位逐渐减小，所述相邻区域中的每一个都包括处于两个可用相角状态中的不同相角状态的相变材料。元件上并列区域的周期性布置提供束操控，其中束操控的方向取决于具有两个相角状态的区域的相对位置。如在下文更全面地描述的，在本元件中实现在离散的(例如左-右或上-下操控)、而不是连续的方向上的束操控。
二元束操控需要相变区域的两个并列区域的效应的表现，所述并列区域中的每一个处于两个可用相角状态中的不同相角状态。为了在并列区域中实现二元相位逐渐减小以便影响入射束，入射束必须察觉该逐渐减小。这需要二元相位逐渐减小被包含在可通过入射束的波长被采样的尺寸的范围内。当将束引导到元件上时，通过束的波长结合被提供给束的任何聚焦来确定通过入射束所采样的长度标度。在足够用于说明性目的的简单近似中，通过下面的公式可以估计通过入射束所采样的长度标度(Δx)Δx~λ2NA]]>其中λ是入射束的波长，并且NA是将束引导至元件的表面的光学器件的数值孔径。在感兴趣的典型应用中，入射电磁束是具有大约1550nm的波长的电信信号，并且通过具有大约0.25的数值孔径的光学器件来引导。通过入射束所采样的所得到的长度标度因此是大约3100nm，其相当于大约2λ。为了使入射束察觉二元相位逐渐减小，形成相位逐渐减小的两个并列的相变区域中的每一个必须具有不大于大约λ的线性尺寸。根据本发明的二元相位逐渐减小的例子因此包括由相变材料构成的并列区域的周期性布置，其中所述并列区域中的每一个都处于在上文所描述的两个可用相角状态中的不同相角状态，其中每一个区域具有大约λ的线性长度标度。作为例子，有代表性的实施例是包括具有λ×λ的尺寸的正方形相变区域的实施例。根据本发明的原理，更小的尺寸(例如λ/2×λ/2，λ/3×λ/3，λ/4×λ/4，等)也是可能的和有效的。如在上文所示的，聚焦光学器件的数值孔径的变化进一步提供控制限定二元相位逐渐减小的并列区域的尺寸的自由度。
在通过如上文所述的元件的相变区域布置的相角状态所指示的方向上反射入射到元件上的电磁束。两个相角状态的适当的模式在相互专有的方向上反映入射束。每一个相角状态在由其相关相角间隔所决定的程度上影响束的反射方向。由于相角间隔是不重叠的，从特定方向接近的入射束的反射方向根据在元件内相变区域的布置上两个相角状态的分布而不同。通过缩小与一个或两个相角状态相关的相角间隔，可以精确地控制反射方向。
可以通过能量的提供在第一和第二相角状态之间可逆地转换本元件的相变区域。能量的优选形式包括电、光和热。通过提供能量，可以通过改变相变层内相变区域的结晶和非晶区域的相对比例来改变元件的结构状态。
非晶和结晶相位之间在两个方向上的转换在大量转换周期上容易被实现、是可逆的并且可高度再现的。相变材料的转换特性的进一步的细节在‘944公开物中可得到。
通过控制相变区域的相角状态，可将入射电磁辐射束引导到两个一般方向之一上。通过元件内的相变区域的相角状态的调制能够实现切换效应。适用于在相变区域的布置上从与第一相角状态相关的范围内的结构状态至与第二相角状态相关的范围内的结构状态(或反之亦然)的、相变层的相变区域的转换的能量的调制施加提供从一个一般方向至另一个方向的切换。
图6-9示出本元件的相变层的一部分的例子。图6包括相变层的一部分200，该部分包括根据本发明的相变区域210、220、230和240。图7包括相变层的一部分300，该部分包括根据本发明的相变区域310、320、330和340。图8包括相变层的一部分400，该部分包括根据本发明的相变区域410、420、430和440。图9包括相变层的一部分500，该部分包括根据本发明的相变区域510、520、530和540。图6-9中的每一个相变区域都处于第一(被标记为“1”)或第二(被标记为“2”)相角状态中，并且相变区域的布置表示提供束操控的相变层内的相角状态的模式或分布。图6和7表示实现左-右束操控或切换的实施例，而图8和9表示实现上-下束操控或切换的实施例。
本发明的前述说明性实施例的相变材料具有结晶状态和非晶状态，并且可以通过能量的提供在这些状态之间可逆地转换。相变材料的许多特性和成分在本领域中是公知的，并且以前例如在属于本受让人的专利号为3271591、3530441、4653024、4710899、4737934、4820394、5128099、5166758、5296716、5534711、5536947、5596522、5825046、5687112、5912104、5912839、5935672、6011757的美国专利以及属于本受让人的公开号为2002-0114256-A1和2003-0048744-A1的美国专利申请中已进行了论述，因此将这些专利和专利申请的公开内容引入作为参考。
将能够施加到相变材料上引起该相变材料的结构状态之间的转换。相变材料具有特征熔化和结晶温度，并且可以相对于这些温度通过能量的受控施加来影响该结构状态。在施加足以将相变材料加热到它的熔化温度之上的能量之后快速淬火，这促进非晶相位的形成。另一方面，缓慢的淬火可以允许相变材料内的结晶和结晶区域的形成，以便提供部分结晶或结晶材料。在量上足以将相变材料加热到它的结晶和熔化温度之间的能量的施加可以引起非晶区域向结晶相位的部分或完全转换。
是否由非晶区域形成结晶区域并且在何种程度上它们形成取决于施加到相变材料上的能量的量和/或施加的功率(也就是能量的增加速率)。引起结晶区域的形成或通过生长或损耗修改相变材料中的现有结晶区域所需的能量和/或功率的量取决于例如相变材料的化学成分、相变材料的初始状态、以及晶核化的动力学和热力学以及生长过程之类的因素。也可以由结晶区域形成非晶区域。非晶区域的形成需要足以引起熔化或其它高流动性状态的数量的能量的施加以及足以抑制结晶相位的形成的淬火速率。
可将能量施加到相变材料的体积的所选择的部分上，以便引起局部的结构转换，而不干扰相变材料的周围部分。这种局部的结构转换也可以被用于改变例如周围结晶相位中非晶相位的体积分数。相位稳定性和结构状态之间的转换受多个因素影响，这些因素包括结晶过程的动力学和热力学、相变材料内能量的分布和流动(例如消耗，扩散，传导)以及所施加的能量的强度、持续时间和空间分布。局部的结构转换也可以被用于控制另一相位的周围矩阵中的一个相位的尺寸、形状或体积。例如以前在上文被引入作为参考的公开号为2002-0114256-A1的美国专利申请中已经描述了利用低热预算策略的结晶矩阵内非晶相位区域(例如标记)的成形。
在以合适的量以合适的速率将能量施加到相变材料或其一部分上时实现结构状态之间的转换。各种形式的能量可以被用于实现结构状态之间的转换。该能量可以是利用单个能量源或多个能量源的电磁辐射(包括红外线、光、激光和微波源)、电能、热能、化学能、磁能、机械能、粒子束能、声能或其组合的形式。电能的输送例如可以是电流或电压的形式，并且可以是连续的，或者是高度和宽度能够被控制的脉冲的形式。光量可以是具有受控的波长、谱线形状、能量和/或功率的脉冲调制的或连续的激光束的形式。二极管激光是适合用于本发明中的光能源的一个例子。
在上文被引入的专利号为4653024、4710899、4737934、4820394、5128099、5912104、5935672、6011757的美国专利以及公开号为2002-0114256-A1和2003-0048744-A1的美国专利申请描述了当被用作光学记录介质时相变材料的结构状态的例子。这些参考文献通常描述利用例如具有合适的波长、强度、功率和谱线形状的光激励源在基本上结晶状态和基本上非晶状态之间可逆地转换相变材料的能力。在典型的光学记录应用中，包括相变材料的数据单元被用于存储、写入或擦除数据。擦除数据典型地是基本上结晶状态，并且通过提供在量上足以产生对应于数据单元的相变材料的体积内的非晶标记的能量而发生写入。通过对速率、所施加的能量的量和空间分布以及热预算的明智控制，可以精确地控制形成于数据单元内的非晶标记的形状和体积。因此，可以容易地并且连续地改变数据单元内相变材料的结晶和非晶状态的相对比例，以便提供上文所述的结构状态。
根据本发明适合使用的说明性的相变材料是包括元素In、Ag、Te、Se、Ge、Sb、Bi、Pb、Sn、As、S、Si、P、O中的一种或多种以及其混合物或合金(有时优选地以共晶成分形式)的那些材料。在优选实施例中，相变材料包括硫族元素。在最优选的实施例中，相变材料包括作为硫族元素的Te。也优选的是包括与Ge和/或Sb结合的硫族元素的相变材料、例如Ge2Sb2Te5、Ge4SbTe5、Sb2Te3和相关材料。仅GeTe或在具有CdTe的固溶体中的GeTe构成另一优选实施例。在另一优选实施例中，相变材料包括尤其与Sb和/或Te结合的Ag和/或In。AgInSbTe族中的共晶成分、例如AIST是另一最优选的实施例。在另一优选实施例中，相变材料包括硫族元素和过渡金属、例如Cr、Fe、Ni、Nb、Pd、Pt或其混合物和合金。在上文被引入作为参考的美国专利中提供了根据本发明适合使用的相变材料的一些例子。
本发明的优选实施例包括夹在两个介电层之间的相变层。围绕相变层的介电层可以包括相同或不同的介电材料，并且可以相对于彼此以及相变层是相同或不同厚度的。本发明的介电层通常是氧化物材料或为绝缘体或当暴露于入射电磁束时显示出低电导率的大带隙半导体材料。优选的介电材料包括SiO2、ZnS、Al2O3、GeO2和TiO2以及这些的合金和组合。其它实施例进一步包括金属层，如在前述例子中那样，在该金属层上支承介电层-相变层-介电层堆栈。金属层提供附加的机械支承，并进一步提供入射电磁束的背反射。优选的金属层是反射材料，并且包括Al、Au、Ag、Pt、Cu、Ti、不锈钢中的一种或多种，包括这些的合金和组合。
有源层包括具有结晶和非晶状态的相变材料的实施例的、在上文所提供的操作原理类似地应用于具有两个或多个结晶形式的任意相变材料，其中不同的结晶形式拥有不同的光学常数。结晶和非晶状态是相变材料的结晶形式的例子，并且另外的例子包括具有两个或多个结晶学上不同的结晶状态的那些相变材料。相变材料例如具有两个结晶状态，其中的每一个结晶状态都是具有不同结晶标记的不同相位。例如对应于根据晶胞形状或尺寸而不同的结晶状态的结晶形式是可能的。例如在具有fcc、bcc、hcp、斜方晶、单斜晶、三角晶系、正方晶系等等晶胞的两个或多个结晶相位之间的转换提供本元件所需的功能。不同结晶形式也可以包括化学键接、分层和配位数方面的差异。可以根据两个结晶形式中的每一个的不同比例(例如第一结晶状态和第二结晶状态的相对比例)来定义结构状态，并且可以根据在结构状态的子集上延伸的范围来定义相角状态，该结构状态在不同结晶形式的不重叠的比例上延伸。
于此所阐述的公开内容和讨论是说明性的，并不试图限制本发明的实践。虽然已经描述了被认为是本发明的优选实施例的实施例，但本领域的技术人员应认识到，在不脱离本发明的精神的情况下可以进行其他和进一步的改变和修改，并且意图要求落入本发明的完整范围内的所有这种改变和修改。包括所有等价物的随后的权利要求结合前述公开内容以及本领域的技术人员可得到的公知常识限定本发明的范围。
权利要求
1.用于引导入射电磁束的元件，包括第一介电层；形成在所述第一介电层上的有源层，所述有源层包括多个相变区域，所述相变区域包括相变材料，所述相变材料具有第一结晶形式和第二结晶形式，所述相变区域具有多个结构状态，所述结构状态中的每一个都包括所述第一结晶形式的第一比例和所述第二结晶形式的第二比例；以及形成在所述有源层上的第二介电层；所述相变区域具有第一相角状态和第二相角状态，所述相变区域在处于所述第一相角状态中时提供第一相角间隔，并且在处于所述第二相角状态中时提供第二相角间隔，所述第一相角状态包括跨越所述第一结晶形式的比例的第一范围的所述结构状态的第一子集，所述第二相角状态包括跨越所述第一结晶形式的比例的第二范围的所述结构状态的第二子集，所述第一结晶形式的所述比例的所述第一和第二范围是不重叠的；其中具有所述第一结晶形式的最大比例的所述第一相角状态的结构状态与具有所述第一结晶形式的最小比例的所述第二相角状态的结构状态在所述第一结晶形式的比例方面相差小于或等于20％，并且所述第一相角状态的所述第一结晶形式状态的所述最大比例的相角和所述第二相角状态的所述第一结晶形式状态的所述最小比例的相角相差至少45°。
2.权利要求1的元件，其中所述第一结晶形式是结晶状态。
3.权利要求2的元件，其中所述第二结晶形式是非晶状态。
4.权利要求1的元件，其中所述相变材料包括S、Se或Te。
5.权利要求4的元件，其中所述相变材料进一步包括Ge或Sb。
6.权利要求1的元件，其中所述相变区域具有小于5％的最小反射率。
7.权利要求1的元件，其中具有所述第一结晶形式的最大比例的所述第一相角状态的结构状态与具有所述第一结晶形式的最小比例的所述第二相角状态的结构状态在所述第一结晶形式的比例方面相差小于或等于15％，并且所述第一相角状态的所述第一结晶形式状态的所述最大比例的相角和所述第二相角状态的所述第一结晶形式状态的所述最小比例的相角相差至少90°。
8.权利要求1的元件，其中具有所述第一结晶形式的最大比例的所述第一相角状态的结构状态与具有所述第一结晶形式的最小比例的所述第二相角状态的结构状态在所述第一结晶形式的比例方面相差小于或等于5％，并且所述第一相角状态的所述第一结晶形式状态的所述最大比例的相角和所述第二相角状态的所述第一结晶形式状态的所述最小比例的相角相差至少135°。
9.权利要求1的元件，其中所述第一相角间隔的跨度不大于60°，并且所述比例的第一范围跨越所述第一结晶形式的至少20％的比例范围。
10.权利要求9的元件，其中所述第二相角间隔的跨度不大于60°，并且所述比例的第二范围跨越所述第二结晶形式的至少20％的比例范围。
11.权利要求9的元件，其中所述比例的第一范围跨越所述第一结晶形式的至少40％的比例范围。
12.权利要求9的元件，其中所述第一相角间隔的跨度不大于20°。
13.权利要求12的元件，其中所述第二相角间隔的跨度不大于20°，并且所述比例的第二范围跨越所述第二结晶形式的至少20％的比例范围。
14.权利要求12的元件，其中所述比例的第一范围跨越所述第一结晶形式的至少35％的比例范围。
全文摘要
用于操控电磁束的元件。该元件包括与多层光学堆栈中的介电层和其它层结合的相变材料。该相变材料可以在两个或多个结构状态之间可逆地转换，其中不同的结构状态根据折射率和/或消光系数而不同。相变材料的结构状态建立元件的相角状态，该相角状态指示由入射电磁束产生的输出束的传播方向。根据该结构状态，该元件采用两个主要相角状态之一，并且实现二元束操控能力，其中可以在两个方向中的任一方向上重定向入射电磁束。在优选实施例中，输出束是反射束，并且该元件包括夹在两个介电材料之间的并由金属层支承的相变材料。
文档编号G02B6/42GK1993649SQ200580025724
公开日2007年7月4日 申请日期2005年7月26日 优先权日2004年7月27日
发明者D·V·朱 申请人:能源变换设备有限公司