制造三维光子器件的方法和系统与流程

本发明涉及以高效和可靠方式制造包括可以相互很不相同的若干相异微光学部件的三维光子器件的方法。

背景技术：
在制造包括若干相异微光学部件的三维光子器件时，微光学部件相互越不相同，就越难以以高效和可靠方式在单个器件中集成它们。实际上，具有自由空间微光学部件和微机械结构的光学波导的集成是主要技术问题，因为必须实现高定位精度、成本效率、高产量和可靠性。集成方案也应当与多种光学和机械设计兼容。与这些条件匹配的方法可以为片上模式的工程、光学部件与平面内和平面外部件的低损耗耦合以及用于封装的精确对准铺路。经常使用混合集成以便封装具有透镜、镜和对准结构的波导。这一方式的主要缺点是由于附加组装步骤所致的增加成本以及有限定位精度。单片集成可以潜在地解决这些问题。然而不存在用于单片集成三类元件、即导波光子器件、自由空间微光学部件和微机械结构的任何通用方法。即使专用单片集成方法也未满足上文提到的严格要求。根据例如在申请US2007/0116409A1中描述的第一种现有技术，由形成特殊折射率分布的多层构成的梯度折射率(GRIN)透镜可以与平面波导集成。然而GRIN透镜的制作由于需要具有良好控制的折射率的若干层而要求高。根据例如在“L.Y.Lin等人的IEEEPhoton.Technol.Lett.6.1445-1447(1994)”的参考文章中描述的第二种现有技术，可以使用硅微加工来制作三维集成微透镜，但是这一技术仅与基于硅的材料系统兼容。根据例如在“F.E.Doany等人的IEEETrans.Adv.Packag.32，345-359(2009)”的参考文章中或者在“A.L.Glebov等人的IEEEPhoton.Technol.Lett.17，1540-1542(2005)”的参考文章中或者在“C.Choi等人的J.LightwaveTechnol.22，2168-2176(2004)”的参考文章中或者在“M.Kagami等人的J.LightwaveTechnol.19，1949-1955(2001)”的参考文章中或者在“T.Yoshimura等人的J.LightwaveTechnol.22，2091-2100(2004)”的参考文章中描述的第三种现有技术，包括激光烧蚀、切分(dicing)、刀片切割(cutting)、反应离子蚀刻和倾斜曝光的若干方法已经用来在聚合物波导中制作平面外镜。然而这些方法限于制作倾斜平面镜。根据例如在申请US7,092,602B2中或者在申请US2003/0215187A1中描述的第四种现有技术，报导了衬底上的用于对准光纤与波导的槽。然而具有微米级精度的槽的制作对于一些衬底材料是不可能的。根据例如在申请US2009/0218519A1中描述的第五种现有技术，也已经提出基于两光子吸收的折射率改变作为用于制作光学器件的方法。然而由于低折射率对比度，用这一方法仅能实现有限光学功能。根据例如在申请2010/0142896A1中或者在N.Lindenmann等人的OpticalFiberCommunicationConference，2011，PaperPDPC1”的参考文章中或者在可以在互联网地址“http://www.eduprograms.seas.harvard.edu/reu05_papers/Barker_Krysta1.pdf＞＞发现的文献中描述的第六种现有技术，存在使用两光子吸收的其它制造方法。但是这一现有技术装配部件并且以后通过在这些部件之间直射激光写入波导来连接它们。根据例如在“Q.-D.Chen等人的CLEO/PacificRimConference，2009，1-2”的参考文章中描述的第七种现有技术，存在使用两光子吸收制造个别光学元件、比如菲涅耳透镜的方法。但是如果将两光子吸收用于在聚合物上制作光学元件本身是已知的，则先前引用的现有技术文献都未提供用于以高效和可靠方式构建复杂光学三维结构的基于两光子吸收的解决方案。

技术实现要素：
本发明的一个实施例的第一方面涉及一种根据包括若干制造阶段的工艺流程制造三维光子器件的方法，该方法包括：在所述工艺流程的相同制造阶段，由涉及到通过两光子吸收来聚合的直射激光写入来制作至少两个相异微光学部件；其中所述至少两个相异微光学部件：集成于三维光子器件内；具有相应光学功能；并且相互对准，从而能够从所述相异部件中的一个部件向所述相异部件中的另一部件传输光学信号。本发明的一个实施例的第一备选方面涉及一种在包括若干阶段的工艺流程内制造集成至少两个相异微光学部件的三维光子器件的方法，这些阶段包括涉及到通过两光子吸收来聚合的直射激光写入，这些微光学部件分别具有两个光学功能并且相互对准，从而能够从所述相异部件中的一个部件向另一部件传输光学信号，其中由涉及到通过两光子吸收来聚合的所述直射激光写入在所述工艺流程的相同阶段构建所述相异部件以便提高它们的相对对准。在一些实施例中，所述相异部件中的至少一个部件呈现沿着所述三维导波光子器件的厚度方向的凹形状。在一些实施例中，通过混合直射激光写入来执行所述制造，混合直射激光写入包括用于执行涉及到通过两光子吸收来聚合的所述直射激光写入以构建三维部件的第一光束和用于执行涉及到通过一光子吸收来聚合的另一直射激光写入以构建二维部件的与所述第一光束相异的第二光束，两个所述光束均适于被交替地使用。在一些实施例中，涉及到通过两光子吸收来聚合的所述直射激光写入的光在可见光和/或红外线范围中，并且其中涉及到通过一光子吸收来聚合的所述直射激光写入的光在紫外线范围中。在一些实施例中，所述相异部件中的至少一个部件是适于仅在从或者向所述相异部件中的另一部件之间传输光学信号的无源波导。在一些实施例中，所述无源波导适于仅在所述相异部件中的两个其它部件之间传输光学信号。在一些实施例中，所述三维光子器件包括适于仅从或者向所述相异部件中的另一部件传输光学信号并且已经通过基于掩模曝光的光刻来制造的至少一个无源波导。在一些实施例中，所述相异部件中的至少一个部件是微透镜和/或所述相异部件中的至少一个部件是镜和/或所述相异部件中的至少一个部件是复用器和/或所述相异部件中的至少一个部件是耦合器和/或所述相异部件中的至少一个部件是分路器和/或所述相异部件中的至少一个部件是偏振控制器和/或所述相异部件中的至少一个部件是放大器和/或所述相异部件中的至少一个部件是检测器和/或所述相异部件中的至少一个部件是锥体和/或所述相异部件中的至少一个部件是凹陷。在一些实施例中，所述三维光子器件集成至少一个导波微光学部件和至少一个自由空间微光学部件和至少一个微机械结构。在一些实施例中，该制造方法包括优选地相继：在衬底上沉积膜；涉及到通过两光子吸收来聚合的所述直射激光写入并且优选地涉及到通过一光子吸收来聚合的备选直射激光写入；去除未曝光的材料。在一些实施例中，执行所述沉积、激光写入和去除若干次以构成若于对应层。本发明的一个实施例的第二方面涉及一种由涉及到通过两光子吸收来聚合的直射激光写入来制造至少一个微光学部件的方法，至少一个微光学部件优选地是导波微光学部件、集成于三维光子器件中并且呈现沿着所述三维光子器件的厚度方向的凹形状。在一些实施例中，一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，计算机可读介质上具有包括程序指令的计算机程序，计算机程序可加载到数据处理单元中并且适于在计算机程序由数据处理单元运行时使得执行该制造方法。本发明的一个实施例的第三方面涉及一种集成至少两个相异微光学部件的三维光子器件，这些微光学部件分别具有两个光学功能并且相互对准，从而能够从所述部件之一向另一部件传输光学信号，其中在由涉及到通过两光子吸收来聚合的直射激光写入来制造的相同单片结构中嵌入所述相异部件。本发明的一个实施例的第四方面涉及一种集成至少一个微光学部件的三维光子器件，至少一个微光学部件呈现沿着所述三维光子器件的厚度方向的凹形状，其中已经由涉及到通过两光子吸收来聚合的直射激光写入来制造所述部件。先前在一些实施例中呈现的所有特征可以组合在一起(全部或者它们的部分组合在一起)并且可以与本发明的一个实施例的第一方面至第四方面中的任何方面关联。另外，本发明的更多特征和优点将从参照下文列举的附图作为非限制示例给出的对本发明的实施例的下文描述中显现。附图说明图1示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第一步骤。图2示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第二步骤。图3示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第三步骤。图4示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第四步骤。图5示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第五步骤。图6示出本发明的一个实施例的第一非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。图7示出本发明的一个实施例的第二非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。图8示出本发明的一个实施例的第三非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。图9示出本发明的一个实施例的第四非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。图10示出本发明的一个实施例的第五非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。图11示出本发明的一个实施例的第六非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。图12示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出适合用于执行涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法的混合激光装置。具体实施方式图1至12将示出使用低成本和时间高效制造方法来单片集成导波微光学部件、自由空间微光学部件和微机械结构的方法的执行以及通过这一制造方法获得的一些三维光子器件的部分和用于执行这一制造方法的混合激光装置。这一制造方法包括多种材料的有选择性和无选择性沉积、运用一光子和两光子激光写入的混合直接图案化以及化学材料去除。使用这一制造方法可以提供如下优点、比如获得可以单片集成的具有广泛范围折射率和机械设计的三维元件。三维光子器件的更好单片集成也将促成更低对应封装成本。此外，在使用混合激光写入装置时，处理速度将不会显著低于常规平面器件制造方法的处理速度。另外，所有集成的元件相互自对准而无附加组装步骤。这一制造方法与现有方法相比不仅能够单片集成显著更广范围的元件而且可以赋予很高的定位精确性、成本效率、产量、光学和机械性能以及对所使用的衬底类型的不敏感性。图1示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第一步骤。三轴坐标系x、y和z(由于与附图的平面垂直而未表示轴x)可以用来作为三维光子器件的参照，该三维光子器件的均平面平行于平面xz并且该三维光子器件的厚度沿着方向y。也在图6和10上反复示出这一个三轴坐标系x、y和z。首先，部分沉积下包层1和2。例如使用喷墨印刷、旋涂或者刮刀来沉积这些下包层1和2为单种或者多种材料的膜。图2示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第二步骤。第二，部分沉积将形成波导芯和其它微光学部件(例如透镜、镜和球)的材料。将通过单光子曝光处理材料3，而将通过两光子曝光处理材料4。如果必要则可以实施有选择性沉积。以这一方式，可以在相同级上或者在不同级上沉积针对一光子和两光子图案化而优化的材料以及具有不同折射率和厚度的材料。图3示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第三步骤。有对材料3的一光子曝光，这些材料这样通过一光子吸收激光写入光束5聚合。也有对材料4的两光子曝光，这些材料这样通过两光子吸收激光写入光束6聚合。可见仅能在待制造的光子器件的均平面中移动一光子吸收激光写入光束5。也可见不仅可以在待制造的光子器件的均平面中而且可以在待制造的光子器件的厚度中移动两光子吸收激光写入光束6。因此，两光子吸收激光写入光束6赋予比一光子吸收激光写入光束5宽得多的关于图案化复杂度的可能性。一光子吸收激光写入光束5继而赋予比两光子吸收激光写入光束6更高的制造速度。使用它们二者增添两个优点，因为它允许在具有高单片结构集成级的单个三维光子器件的相同制造过程中在需要复杂图案制造时使用两光子吸收激光写入光束6以及在需要更简单、但是更快图案制造时使用一光子吸收激光写入光束5。在工艺流程的相同阶段通过混合直射激光写入来图案化需要高相对定位精度的集成部件和结构。事实上，用两光子吸收激光写入图案化具有三维特征的结构，而用一光子吸收激光写入定义无需三维图案化的结构、例如通道波导。图4示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第四步骤。在激光写入之后去除未曝光的材料，这些材料为非必需材料。微光学部件这样获得它们的最终形状。图5示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的三维光子器件制造方法的第五步骤。余留的腔现在由包层材料2填充。可以通过重复先前关于图1至5所描述的步骤来堆叠多个图案化或者未图案化的材料层以便获得集成若干微光学部件的三维光子器件这一最终产品，这些微光学部件由于已经在工艺流程的相同阶段期间通过用于更复杂图案的两光子吸收激光写入来聚合而呈现提高的相对对准。图6、7、8和9示出单片集成的波导和自由空间微光学部件的示意轮廓，而图10和11示出单片集成的波导和微机械元件的示意轮廓。图6示出本发明的一个实施例的第一非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。从微透镜41间隔开通道波导3。通道波导3与微通道41良好对准。图7示出本发明的一个实施例的第二非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。全内反射微镜42扩展通道波导3。通道波导3与微镜42良好对准。图8示出本发明的一个实施例的第三非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。有透镜的全内反射微镜43扩展通道波导3。通道波导3与有透镜的全内反射微镜43良好对准。图9示出本发明的一个实施例的第四非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。二维锥44扩展通道波导3。通道波导3与二维锥44良好对准。图10示出本发明的一个实施例的第五非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。这里，在包层2中嵌入若干芯波导3。芯波导3的每侧上定位有集成槽45。与芯波导3良好对准那些集成槽45。图11示出本发明的一个实施例的第六非限制示例，该示例示出涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法制造的三维光子器件的部分。这里，在包层2中嵌入若干芯波导3。芯波导3的每侧上定位有集成半球46。与芯波导3良好对准那些集成半球45。图12示出本发明的一个实施例的非限制示例，该示例示出适合用于执行涉及到通过两光子吸收来聚合的制造方法的混合激光装置。整个混合激光写入装置10包括两个主要曝光系统11和12。曝光系统11产生一光子吸收激光束13。曝光系统12产生两光子吸收激光束14。激光束，不论是一光子吸收激光束13或者是两光子吸收激光束14，可以会聚在位于台8上的样本7上。在图12上是一光子吸收激光束13聚焦于样本7上。有可能从一个激光束切换成另一激光束，从而将是两光子吸收激光束14在样本7上。以用于维持精确定位的方式安装用于一光子吸收和两光子吸收激光写入的曝光系统。(为了清楚而在图12中未表示的)快门控制不同曝光系统的定时。(为了清楚而在图12中未表示的)嵌入的高度测量系统维持由一光子和两光子曝光系统11和12定义的元件之间的竖直对准。产生一光子吸收激光束13的曝光系统11包括输入18、第一透镜15、针孔16、第二透镜17和输出19。在曝光系统11中，一光子吸收激光束13从(为了清楚而在图12中未表示的)激光源发出、进入输入18、然后在离开输出19之前相继经过聚焦它的第一透镜15、扩展它的针孔16、再次聚焦它的第二透镜17以准备好聚合样本7的部分。一光子吸收激光束13的光优选地在紫外线的谱范围中。一光子吸收激光束13的移动速度可以相当高、例如在每秒约100毫米以上。产生两光子吸收激光束14的曝光系统12包括输入21、第三透镜20和输出22。在曝光系统12中，两光子吸收激光束14从(为了清楚而在图12中未表示的)激光源(优选地从脉冲式激光源)发出、进入输入21并且在离开输出22之前经过聚焦它的第三透镜20以准备好聚合样本7的部分。两光子吸收激光束14的光优选地在可见光的和/或红外线的谱范围中。两光子吸收激光束14具体适合和专用于具有复杂和任意几何形状的微光学部件。分辨率可以精确到例如80纳米。这一多光子光刻技术用于在光敏材料中创建小特征而未使用复杂光学系统或者光掩模。通过扫描并且恰当地调制激光，在激光的焦斑处出现通常为聚合的化学改变并且可以被控制以创建周期性或者非周期性的任意三维图案。由于两光子吸收是可以比线性吸收弱若干数量级的三阶非线性过程，所以可能需要相当高强度。密集聚焦的激光束可以提供所需强度。脉冲式激光源将优选用于两光子吸收，因为它可以在沉积相对低的平均能量之时递送高强度脉冲。已经参照优选实施例描述本发明。然而许多变化在本发明的范围内是可能的。