專利名稱：多層光學結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多層光學結構，其包括諸如玻璃和晶體材料的光學材料層。具體地，本發(fā)明涉及具有不同光學特性的多層光學層的結構，用于例如平面光學器件、光纖、光纖預成品、光學存儲器等。
背景技術：
將機械、電和/或光學元件組合或集成為集成器件對材料的加工產(chǎn)生了巨大的需求。而且，理想地是在相同的體積內放置更多的集成器件。為了制成這樣的集成結構，在基底上應用帶有選定特性的特定組件受到了很大的關注。為了形成帶有高質量光學材料的光學器件，涂層或材料層通常是高度均勻的。
現(xiàn)今使用的光學通訊的光波長為1.3～1.6微米。光學波導管的尺寸通常是波長的許多倍。因此，光學結構的尺寸可從幾微米到100微米，這取決于光學模式的需求和其他因素。
包括基于互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通訊和信息技術的突飛猛進促使全球范圍內的一致努力來實現(xiàn)光通訊網(wǎng)絡，以通過光學通訊獲得大的帶寬。利用密集波分復用技術，可進一步擴展光纖技術的容量。隨著需求的增加，需要更多的通道來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。復雜性增強的光學組件的制造需要沉積帶有復雜性增強的結構和/或組件的高質量光學材料。而且，光學材料必需成特定的器件。
光學材料的基本特性包括表面質量、均勻度和光學質量。光學質量指的是足夠小的吸收率和散射損失，從而獲得所需的傳輸水平。光學質量也包括諸如折射率和雙折射性的光學性質均勻性。另外，光學質量受界面質量，例如核心層和包覆層之間的界面質量的影響。對于二氧化硅(SiO2)和幾種其他材料，光傳輸?shù)膬?yōu)選形式是玻璃，而對于一些其他材料，單晶體形式可能具有最高質量的光學傳輸。
幾種方法被用于和/或被推薦用于所述光學材料的沉積。這些方法包括，例如煙流水解沉積(flame hydrolysis deposition)、化學蒸氣沉積、物理蒸氣沉積、溶液-凝膠化學沉積和離子植入。煙流水解沉積和幾種形式的化學蒸氣沉積已在用作纖維光學元件的玻璃纖維的生產(chǎn)中成功地應用。煙流水解沉積涉及氫-氧焰的使用，以便使氣態(tài)前驅體反應以形成作為基底表面上的涂層的光學材料的顆粒。該涂層的后續(xù)熱處理可導致均勻光學材料的形成，該光學材料一般是玻璃材料。
將為參雜物或理想配比組分的不同元素引入所需的成分中是困難的。具體地，將元素混合以形成用于光學材料的復雜成分，具有挑戰(zhàn)性。如果將特別復雜的組分置于結構中的特定位置，那么將更具挑戰(zhàn)性。
已經(jīng)開發(fā)出了幾種利用激光熱解法生產(chǎn)高均勻度亞微米和納米級的微粒的方法。高均勻微粒優(yōu)選地用于各種器件的制造，這些器件包括例如用于電池、拋光組分、催化劑、光學顯示的熒光物質。激光熱解法包括驅動反應物流進行化學反應的強光束，從而在離開激光束之后，隨著所述物流的快速冷卻形成高均勻度的微粒。激光熱解法具有的優(yōu)點是可將各種不同的元素結合到微粒組分中。

發(fā)明內容
第一方面，本發(fā)明涉及一種整體光學結構，該結構包括多個層，每個層具有限定在部分層中的隔離的光學路徑。所述整體光學結構可包括一個或多個集成光學電路。在一些實施例中，尤其對于用作預成品的，整體光學結構可包括多個隔離的光學路徑，所述光學路徑包括延伸通過至少所述結構的一個線性尺寸的光學芯。
另一方面，本發(fā)明涉及一種用于形成整體光學結構的方法，所述方法包括使結構多次通過微粒的流動物流穿行。微粒的組分在所述穿行之間改變。微粒形成多層，每一層具有固化后的光學材料，同時多個層具有在部分該層中限定的隔離路徑。特定的層橫過該層可具有或不具有均勻的光學特性。
又一方面，本發(fā)明涉及一種撓性光纖，該光纖具有多個獨立的光通道。所述光通道包括沿光纖的長度方向延伸的芯光學材料。
而且，本發(fā)明涉及一種用于形成光纖的方法，包括在將預成品加熱到軟化溫度的同時，拉制形成圖案/分層的預成品，從而形成光纖。光纖具有包括芯光學材料的多個獨立的光通道。
另外，本發(fā)明涉及一種計算機，該計算機包括存儲多個程序的永久性光學存儲器，所述程序是可選擇性訪問的。
而且，本發(fā)明涉及一種用于形成結構的方法，該結構具有至少三個微粒涂層，每個涂層覆蓋至少基底表面的一部分，所述方法包括至少將微粒流的一部分沉積到基底上。微粒的沉積包括在不超過大約1分鐘的時間內將基底移動通過微粒流三次。
在其他實施例中，本發(fā)明涉及光纖預成品，該光纖預成品包括多層光學材料，該光學材料形成延伸通過所述結構的直線尺寸的多個隔離的光學路徑。
而且，本發(fā)明涉及操作計算機的方法，該方法包括從永久性光學存儲器中選擇程序，以及執(zhí)行該程序。所述永久性光學存儲器包含多個程序。
本領域的技術人員在詳細閱讀后續(xù)的附圖和說明后，將明白本發(fā)明的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點。本發(fā)明旨在將所述其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點包括在說明書、本發(fā)明的保護范圍內，并且由后附的權利要求所保護。


圖1是側視圖，示出了用于以高生產(chǎn)率進行粉末的激光熱解合成的反應室；圖2是示意圖，示出了用于將蒸氣/氣體反應物輸送至流動反應系統(tǒng)，例如圖1中的激光反應器的反應物輸送系統(tǒng)。
圖3是側剖視圖，示出了帶有氣溶膠發(fā)生器的反應物內噴嘴，用于將氣溶膠和氣體/蒸氣輸送到反應室中，其中剖面是沿插圖的線3-3截取的，插圖示出了狹長反應物入口的頂視圖。
圖4是沿圖3中的插圖中的線4-4截取的圖3的反應物入口噴嘴的側剖視圖。
圖5是一光反應沉積裝置的示意圖，該光反應裝置形成有具有通過導管連接到分離的涂敷室的微粒產(chǎn)生裝置。
圖6是一涂敷室的透視圖，其中室壁是透明的，以便允許看到內部成分。
圖7是透視圖，示出對著安裝在轉臺上的基底的微粒噴嘴。
圖8是示意圖，示出一光反應沉積裝置，其中在微粒生產(chǎn)室中將微粒涂層涂敷在基底上。
圖9是透視圖，示出了將反應物輸送到位于基底附近的反應區(qū)的反應物噴嘴。
圖10是沿線10-10截取的圖9中的裝置的剖視圖。
圖11是透視圖，示出了光反應沉積室的一實施例。
圖12是圖11中光反應沉積室的反應室的放大視圖。
圖13是圖12中反應室的基底支承的放大視圖。
圖14是透視圖，示出了光學材料的形成圖案的層。
圖15是在沉積一上包覆層之后圖14的材料的側視圖。
圖16是一光學電路的透視圖。
圖17是沿線17-17截取的圖16中的光學電路的剖視圖。
圖18是多層光學結構的透視圖。
圖19是多層光學結構的特定實施例的側視圖。
圖20是剖視圖，示出了沿著具有多個光學路徑的層截取的多層光學結構。
圖21是多芯/形成圖案的預成品的側視圖。
圖22是沿圖21中線22-22截取的圖21中多芯/形成圖案的預成品的剖視圖。
具體實施例方式
可在多個層和/或多個層中的一部分中具有選定光學性質的多層光學材料中制出復雜的光學結構。這些復雜的結構可有效地用來獲得提高的光學傳輸和處理能力。聚焦輻射(例如光線)反應沉積(focused light reactivedeposition)是形成具有例如不同的折射率和/或組分的分層材料以將適合的光學特性引入多層結構的特定層或部分層的通用方法。在具體關注的實施例中，形成多層結構以將所需的光學通道/路徑結合在光學分離的多個層中，在一些實施例中，是在一個層中的光學分離的通道處。所述多層結構可適于形成多尺寸的帶有單獨層的光學結構，該單獨層可選地起帶有集成光學器件的光學電路的作用，該多層結構或者可適于形成諸如由多層預成品形成的多通道光纖。所述多尺寸光學結構可用來形成多尺寸光學存儲系統(tǒng)。
具體關注的多層光學結構包括具有彼此不同的光學特性的多層或部分多層形式的區(qū)域。這些變化的光學特性可以用于在多層光學結構中形成獨立的光學通道。各種光學材料的受關注的光學特性包括例如折射率、分散性、雙折射性、光學活性、吸收/傳輸性等等。材料的光學特性可通過改變密度、結構、均勻性和化學組分而變化。具體地化學組分可在相當大的范圍內為光學特性的調整提供多種多樣的參數(shù)。在多層結構中，用于特定層或部分層的光學特性的選取通常是基于結構所需的用途。
已開發(fā)出了新的工藝，其名稱為聚焦光線(例如光線)反應沉積，以便形成高均勻度的涂層和器件。聚焦輻射(例如光線)反應沉積包括聚焦輻射(例如光線)驅動的流動反應物，配置該反應物，用于在形成物流形式的微粒之后將產(chǎn)品微粒沉積在一表面上。聚焦輻射(例如光線)反應沉積將用于驅動流動反應物流以形成亞微米粉末的基于輻射的工藝特性引入直接涂敷工藝，該基于輻射的工藝在引入強光束作為輻射源時被稱作激光熱解法。具體地，寬范圍的反應前驅體可用于產(chǎn)生帶有氣態(tài)、蒸氣態(tài)和/或氣溶膠形式的組分的反應物流，并且寬范圍的高均勻度的產(chǎn)品微?？梢愿咝У乇簧a(chǎn)。所開發(fā)的用于激光熱解法的反應物輸送方法可適于聚焦輻射(例如光線)反應沉積。為方便起見，這種應用可互換地指代基于輻射的熱解法和激光熱解法，并且可互換地指代聚焦輻射反應沉積和光反應沉積。
在激光熱解法中，反應物流利用諸如激光的強光束反應。雖然激光束是方便的能量源，其它強光束也可用在激光熱解法中。激光熱解法用于形成在熱動態(tài)平衡條件下難以形成的材料的相。當反應流離開光束，產(chǎn)品微粒快速冷卻。對于參雜材料和其它復雜光學材料的生產(chǎn)，本方法的優(yōu)點在于材料的組分可以在所需的范圍內加以調整。
成功實施用于生產(chǎn)微粒和帶有所需組分的相應涂層的激光熱解法/光反應沉積法的基本因素是產(chǎn)生包含合適的前驅體組分的反應物流。具體地，對于利用光反應沉積來形成參雜材料，反應物流可包括寄主玻璃或晶體前驅體和可選的光學參雜前驅體。具體地，產(chǎn)品光學材料的組分可通過改變反應物流的組分而調整到所需的理想配比和參雜物組分。類似地，除非前驅體是適合的輻射吸收體，否則要將額外的輻射吸收體添加到反應物流中以吸收光能，來傳遞到反應物流中的其它組分中。其它附加的反應物可用于調整反應物流中的氧化/還原環(huán)境。
帶有不同理想配比和晶體結構的亞微米無機微粒，包括無定形結構，可單獨利用激光熱解法或利用激光熱解法和其它附加工藝來生產(chǎn)。特別地，無定形和晶體亞微米、納米級微?？衫眉す鉄峤夥ㄓ蛇x定的參雜物生產(chǎn)。類似地，利用光線驅動反應方法可生產(chǎn)各種新型材料。光反應沉積法可用于形成高均勻度的玻璃(即無定形材料)和晶體材料涂層，這些材料可選地帶有包括例如參雜組分的復雜混合物的參雜物。
為了形成均勻的玻璃層，利用光反應沉積法沉積的無定形微粒層可被固化和致密。為了固化玻璃，可將粉末加熱到其流動溫度以上。在這樣的溫度下，粉末密化形成均勻的玻璃材料層。基本上均勻的光學材料具有允許光線傳輸?shù)墓鈱W特性。將參雜物引入微粒會導致參雜物在所得到的密化玻璃材料中的分布，該密化玻璃材料直接作為粉末沉積的結果。類似地，晶體光學材料，諸如藍寶石能通過諸如用于形成藍寶石的氧化鋁的晶體粉末的固化，被制成多層。也可將參雜物引入到晶體材料中。類似地，一般可采用合適的加熱和冷卻速率來將無定形材料固化成晶體層(一般為低冷卻速率)以及將晶體粉末固化成玻璃層(一般為快速冷卻)。
用于將參雜物、特別是稀土參雜物引入玻璃材料的普通工業(yè)用方法包括玻璃的初始形成和隨后將參雜物引入蒸氣或液態(tài)的玻璃中。可將玻璃制成多孔型，以便便于將參雜物引入玻璃中。這些方法通常需要多個步驟來產(chǎn)生多孔的玻璃。另外，獲得所需的參雜物濃度和參雜物均勻的分布很難。相反地，下述的反應方法直接將參雜物引入玻璃材料中。因此不需要將玻璃制得多孔，并且，由于一般不需要附加的步驟來改變組分，加工步驟的數(shù)目減少。
通過改變激光熱解法的性質，光反應沉積法能沉積高均勻度、非常小的微粒。由于粉末的均勻性和小尺寸，采用光反應沉積法來形成均勻和平滑的涂層表面。使用光反應沉積法，可將加熱后的二氧化硅玻璃涂層形成具有均方根表面粗糙度，利用原子力顯微鏡測量，該值約為0.25～0.5nm。這樣，表面比想通過火焰熱解沉積法獲得的表面光滑而比化學蒸氣沉積法可獲得的光滑度粗糙。這些利用光反應沉積法(LRD)涂敷的光滑玻璃涂層通過移動基底經(jīng)過產(chǎn)品流而在相對高的沉積速率下沉積。因此LRD已經(jīng)展現(xiàn)出了作為一種用于形成非常高質量的玻璃涂層的高效和有效方法的能力。
而且，利用光線沉積方法，能形成復雜的結構，該結構具有選擇變化組分的復雜的材料變化。另外，通過應用激光熱解技術來工業(yè)化生產(chǎn)粉末，光反應沉積法可在非?？焖俚乃俾氏滦纬筛哔|量的涂層。多層可通過使基底額外地掠過產(chǎn)品微粒流而形成。
由于每個涂層具有高均勻度和光滑度，因此可層疊大數(shù)目的層，而同時在疊層結構上保持適當?shù)目刂疲瑥亩灤┰摨B層結構形成光學器件，而同時結構變化不會相反地影響形成光學器件的能力?？稍趯又g，即垂直于結構的平面，和/或結構面中的部分層之間使組分發(fā)生變化，從而形成所需的光學結構。這樣形成了層疊的集成光學器件的分層結構。
為了形成所述光學層，一般必須將涂敷的基底加熱以產(chǎn)生帶有可接受光學特性的均勻光學材料?？稍谛纬蓪拥倪^程中的不同階段將所述層固化成密化的光學材料。例如，該加熱步驟可在每個層沉積之后、幾個層沉積之后或所有層沉積之后進行。用于固化的一個或多個層可形成圖案以將特定的光學材料定位在層的部分中。通過只在部分基底上選擇地加熱基底，在特定的加熱步驟中只有部分層可被固化。大體上，提供更多的加熱步驟改善了玻璃層的質量，但處理上更費力。光反應沉積法可產(chǎn)生更高質量的層，所述層在許多層沉積之后經(jīng)熱處理，同時不會過度地降低最終的組成結構的質量。
為了在層中形成有圖案的結構，可與諸如化學蝕刻或基于輻射的蝕刻的蝕刻法一起使用形成圖案的方法，諸如平版印刷術和光刻法在一個或多個層中形成所需的圖案。該圖案形成一般在沉積附加材料之前、在中間沉積產(chǎn)品上進行。
這里所描述的多層-多路光學材料的形成是基于多層的沉積，每個層可以或者沒有形成輪廓以在特定層中形成特定結構。形成多層光學結構的能力使之可能在更小的體積內形成具有更大傳輸能力的光學材料。例如，可例如通過在Z平面，即垂直于被涂敷的基底平面中改變所沉積的材料，來將沿不同層的多個光學通道，即路徑，引入單個結構?？蛇x地或者額外地，通過僅在部分層上選擇性沉積選定的光學材料，或者通過合適的蝕刻材料或相反地使材料形成輪廓以便在所述層中、即在基底的x-y平面中形成隔離的區(qū)域，在單個層上形成多個結構，從而沿著一個層形成相鄰的光學通道。所述帶有多個光學通道的單個整體結構為相應的多個無關聯(lián)光學信號提供同步傳送，其中，每個光學信號根據(jù)在特定光學通道中的材料而具有全帶寬。由于在整體結構中的光學通道的光學分離，所述信號可保持不關聯(lián)，即使空間間隔很小。
利用多層光學結構，平面光學器件可形成包括光學電路的單獨層，所述光學電路帶有波導管，并通常帶有多個額外的集成光學器件，例如耦合器、放大器等等。這樣，帶有多個集成光學電路的疊層結構可以整體形式形成。用這種方法，可在小體積內放置大數(shù)量的光學器件。在一些實施例中，利用基于層的集成光學電路的層疊，可獲得在封裝能力的提高，從而沿平面、通常在平面基底上設置非常大量的集成光學電路。由于層的厚度較薄，所以可增加每個具有集成光學電路和/或其它光學器件的附加層，而不會顯著改變整體結構所占的整個空間。這樣，能容易地以與前述器件相同的方式增加光學處理能力的數(shù)量級或使光學處理能力有更大的增長。
類似地，多層光學結構可用作纖維預成品。光纖通常從較大塊的材料拉出。所述材料塊提供了光學材料源，該光學材料具有用于在預成品中合適排布的纖維的選定組分，盡管在備選實施例中，纖維或部分纖維中的組分也可利用參雜物或在形成纖維之后的附加的參雜物來改變。一般地，由于光反應沉積能將多種多樣的所需組分引入選定的層和預成品的層中的位置，所以在形成纖維之后不需要改變纖維的組分。由于特定的組分可定位在預成品中的所需位置，所以所述多樣性在形成多層預成品時是有價值的。
光纖包括由包覆材料包圍的核心，其中，核心和包層具有不同的折射率，因此合適頻率的光線被限制在核心區(qū)域。具體地，利用光反應沉積法，利用在層中和層間變化的選定化學組分生產(chǎn)纖維預成品，由此可在整體結構中以二維陣列形成獨立的光學通道。帶有在二維空間變化的組分的整體結構可用作拉制形成具有相應的多個獨立光通道的纖維的預成品，所述光通道排布在單個纖維中以相應地增大傳輸能力。盡管結構的尺寸在拉制該纖維時明顯地發(fā)生變化，但在相應的纖維中保持在預成品中變化組分的組織。另外，多層整體結構可用作用于多通道光纖和/或用于帶有集成光學電路疊層的整體光學結構的連接器。
形成復雜三維光學結構的能力可優(yōu)選地適于形成耐用的三維光學存儲器、光學波導管/導管/纖維(例如布拉格光柵)、光學衰減器、分光器、耦合器、光學過濾器、光學開關、激光器、調制器、互聯(lián)器、光學隔離器、光學增減復用器(OADM，add-drop multiplexer)、光學放大器、偏光器、光學平面鏡/反射器、光學相位延遲器和光學探測器。在一些實施例中，三維光學結構可形成為光纖預成品。在選定的實施例中，光學存儲單元可形成為高容量永久性存儲系統(tǒng)。在整體結構中的單元單獨形成用于數(shù)據(jù)存儲的可尋址數(shù)據(jù)元件。永久存儲器可優(yōu)選地用于存儲計算機程序。用于形成涂層的光反應沉積法在具體關注的實施例中，利用光反應沉積法形成光學層。形成高均勻度的產(chǎn)品微粒流，其被直接導向待涂敷的基底。所得的微粒涂層可形成光學材料，例如玻璃或晶體。
光反應沉積是一種涂敷方法，該方法使用強光源來驅動來自流動的反應物流的所需組分合成。盡管在沉積過程中，由于其溫度高，沉積在表面上的熱微粒會部分熔化，但光反應沉積的通常結果是粉末沉積。光反應沉積與用于粉末合成的激光熱解法的類似處在于強聚焦的輻射(例如光線)源驅動反應。激光熱解法包括流動的反應物流，該反應物流在反應產(chǎn)品形成微粒的反應區(qū)域處與強輻射(例如光線)束相截交，即聚焦的透射(focusedtransmission)。當在激光熱解法中制成的微粒被收集起來用于后續(xù)使用時，在光反應沉積中，所得到的組分被直接導向形成涂層的基底表面。導致產(chǎn)生高均勻度微粒的激光熱解的特性能在以高均勻度制成涂層的過程中相應地實現(xiàn)。
在光反應沉積法中，對基底的涂敷可在與反應室分離的涂敷室中進行，或者可在反應室中進行。在這些配置的任一種中，反應物輸送系統(tǒng)可配置成類似于激光熱解裝置的反應物輸送系統(tǒng)，用于制出帶有不同組分的微粒。這樣，可形成用于進一步加工成光學材料的寬范圍的涂層。
如果涂敷是在與反應室分離的涂敷室中進行，雖然反應物通過量和反應物流大小可以設計得適于涂敷過程，但反應室基本上與用于實施激光熱解的反應室相同。對于這些實施例，涂敷室和連接涂敷室和反應室的導管替代了激光熱解系統(tǒng)的收集系統(tǒng)。如果在反應室中進行涂敷，基底攔截來自反應區(qū)域的微粒流，以便直接將微粒沉積在基底上。
已經(jīng)開發(fā)出帶有狹長反應入口的激光熱解裝置的設計，以便于微粒的工業(yè)化大量生產(chǎn)。該設計已在授權給Bi等人的、題目為“利用化學反應高效生產(chǎn)微粒”的美國專利No.5958348中公開，在此引入作為參考。激光熱解裝置的其他實施例和其它合適的特征在待審并轉讓給Mosso等人的美國專利申請No.09/362631中公開，該專利申請的名稱為“微粒生產(chǎn)裝置”，在此引入作為參考。這些用于利用激光熱解進行粉末工業(yè)化生產(chǎn)的設計能適于利用光反應沉積來快速涂敷高質量的光學材料。
在高容量激光熱解裝置中，反應室和反應物入口沿著光束是顯著伸長，從而提高反應物和產(chǎn)品的通過量。通過沿伸長的反應物流定位光束，產(chǎn)生一層產(chǎn)品微粒。氣態(tài)/蒸氣反應物和/或氣溶膠反應物，如在下文所述，能適于狹長反應室的設計。狹長反應入口的尺寸可基于要涂敷的基底的尺寸來選取。
大體上，將帶有狹長反應室和反應物入口的微粒生產(chǎn)裝置設計成能減少室壁的污染，從而提高產(chǎn)量并且有效利用資源。由于室的設計，狹長反應室可提高反應物和產(chǎn)品的通過量，同時不會增加室中的無用容積(deadvolume)。室的無用容積會被未反應的化合物和/或反應產(chǎn)品污染。而且，合適的保護氣體流能將反應物和產(chǎn)品限制在通過反應室的流動流中。反應物的高通過量有效利用了聚焦輻射(即光線)的能量。
利用光反應沉積，微粒的生產(chǎn)速率可從在反應產(chǎn)品大約5g/hr至理想的反應產(chǎn)品大約10kg/hr的范圍內變化。具體地，利用這里所描述的裝置，可在上至至少約為10kg/hr的微粒生產(chǎn)速率下完成涂敷，在其它實施例中微粒的生產(chǎn)速率至少約為1kg/hr，在其它實施例中生產(chǎn)率更低，約為25g/hr，在另外的實施例中生產(chǎn)率至少約為5g/hr。本領域的普通技術人員將會認識到，在這些清楚的生產(chǎn)率之間的生產(chǎn)率是預期的生產(chǎn)率并且包括在本發(fā)明公開的內容中。例舉的微粒生產(chǎn)率(以每小時生產(chǎn)的克數(shù)為單位)包括不少于5、10、50、100、250、500、1000、2500、5000或10000。
不是所有產(chǎn)生的微粒都沉積在基底上。對于基于基底移動通過產(chǎn)品微粒層的實施例，一般沉積效率取決于通過帶有微粒的產(chǎn)品流的基底的相對速度。在適中的基底運動相對速率下，已獲得大約15％～20％的涂敷效率，即大約15％～20％的生產(chǎn)出的微粒沉積在基底表面上。例行的優(yōu)化可以進一步提高該沉積效率。在基底以較慢的相對運動通過所述產(chǎn)品微粒流時，獲得至少為約40％的沉積效率。在一些實施例中，微粒的生產(chǎn)率使得至少約為5g/hr、或備選地或額外地，至少約為25g/hr的反應產(chǎn)品沉積在基底上。大體上，利用可獲得的微粒生產(chǎn)率和沉積效率，所得到的沉積速率至少為5g/hr，在其它實施例中至少約為25g/hr，在另外的實施例中至少約從100g/hr到約5kg/hr，在其他實施例中約為250g/hr～2.5kg/hr。本領域的普通技術人員將會認識到，在這些清楚的速率之間的沉積速率是預期的沉積速率并且包括在本發(fā)明公開的內容中。例舉的微粒沉積速率(以每小時沉積的克數(shù)為單位)包括不少于5、10、25、50、100、250、500、1000、2500或5000。
可選地或者另外地，本發(fā)明提出，基底和微粒流相互之間的相對移動速度可實質地變化，這取決于涂敷基底所需的具體情況。因此，在一個實施例中，可以以絕對標準測量速率，并且該速率在從約0.001英尺/秒到約12英尺/秒甚至更大的范圍內變化。另外，在另一實施例中，該速率可以以相對被涂敷的基底的標準測量，該速率在大約1基底/分鐘到約1基底/秒的范圍內變化。
對于利用產(chǎn)品顆粒層的合適的實施例，基底的移動速率通常是選定沉積速率和所需涂敷厚度的函數(shù)，該涂敷厚度在獲得所需涂層均勻性時受到在所需速率下移動基底能力的限制。由于可用光反應沉積法獲得高沉積速率，所以可容易地獲得極端快速的涂敷速率。這些通過光反應沉積而獲得的涂敷速率比通過可比方法獲得的涂敷速率要快得多。具體地，在微粒生產(chǎn)率約為10kg/hr時，假定粉末的密度約為容積密度(bulk density)的10％，甚至是在沉積效率僅約為2.5％時，可在大約1秒內給8英寸的晶片涂敷大約10微米的粉末厚度。本領域的普通技術人員能基于沉積速率、所需厚度和基底上的粉末密度，用簡單的幾何原理可計算出具體的微粒涂敷速率。
而且，快速的生產(chǎn)率可優(yōu)選地用于形成在涂層之間固化或未固化的多個微粒涂層。每個涂層可覆蓋整個層或部分層。在層中或層間可以變化組分。當在層間顯著改變組分時，可預期等待幾秒鐘，使產(chǎn)品流穩(wěn)定。大體上，可在少于大約1分鐘的時間內在所述合理選取大小的基底上涂敷三層微粒涂層，在其它實施例中所用時間少于約15秒，在其它實施例中在約9秒至約3秒的范圍內。類似地，可在少于大約1分鐘的時間內在所述合理選取大小的基底上涂敷5層微粒涂層，在其它實施例中所用時間少于約25秒，在其它實施例中在約15秒至約5秒的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到，在這些清楚范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包括在本發(fā)明公開的內容中。
改進的反應室100的設計在圖1中示意性示出。反應物入口102導向主室104。反應物入口102與主室104的形狀一般一致。沿著反應物/產(chǎn)品流，主室104包括出口106，用于去除產(chǎn)品微粒、任何未反應的氣體和惰性氣體。保護氣體入口108位于反應物入口102的兩側。保護氣體入口用于在反應物流的側面形成惰性氣體的覆蓋層，以便阻止室壁與反應物或產(chǎn)品之間接觸。狹長反應室104和反應物入口102的尺寸可設計成利于高效的微粒生產(chǎn)。當與功率在幾千瓦范圍的CO2激光一起使用時，用于生產(chǎn)納米微粒的反應物入口102的合理尺寸為約5mm至約1米。
管段110、112從主室104伸出。管段110、112分別保持視窗114、116，從而限定出通過反應室100的光束路徑118。管段110、112可包括惰性氣體入口120、122，用于將惰性氣體引入到管段110、112。
出口106可導向直接指向涂敷室的導管。不需要改變尺寸來劃分出從反應室到導管到涂敷室的過渡。反應區(qū)位于反應室中，導管可以但不必須涉及流動方向的改變?；蛘?，基底可攔截產(chǎn)品流，從而在反應室中涂敷基底。
反應物入口102一般連接到反應物輸送系統(tǒng)。參照圖2，反應物輸送裝置的一個實施例130包括前驅體化合物源132。對于液體或固體反應物，來自一個或多個載體氣源134的可選載體氣可被引入前驅體源132中以便于反應物的輸送。前驅體源132可以是一液體保持容器、固體前驅體輸送裝置或其它合適的容器。來自載體氣源134的載體氣可以例如是紅外吸收體、惰性氣體或其混合物。
將來自前驅體源132的氣體/蒸氣與來自紅外吸收體源136、惰性氣體源138和/或氣態(tài)反應物源140的氣體在管142的單個部分中結合混合。氣體/蒸氣距離反應室足夠遠的地方結合，從而在氣體/蒸氣進入反應室之前很好地混合。在管142中結合的氣體通過管道144進入通道146，該通道146與反應物的入口，例如圖1中的102，流體連通。
第二反應物前驅體可作為蒸氣/氣體從第二反應物源148輸送，該第二反應物源148可以為液態(tài)反應物輸送裝置、固態(tài)反應物輸送裝置、氣缸或其它適合的容器、或容器。如圖2所示，第二反應物源148利用管142將第二反應物輸送到管道144。或者，第二反應物源可將第二反應物輸送到第二管道中，從而將兩種反應物分開輸送到反應室中，在該反應室中反應物在反應區(qū)或其附近結合。因此，對于復雜測量和/或參雜物的形成，可使用大量反應物源，以及可選地，使用分離的反應物管道來進行反應物/前驅體的輸送。例如，可預期多至25個的反應物源和管道，雖然是理論上的，但甚至可使用更多數(shù)目的反應物源和管道。質量流量控制器150用于在圖2的反應物輸送系統(tǒng)中調節(jié)氣體/蒸氣的流動?？深愃圃O置附加的反應物/前驅體，用于合成復雜的材料。
如上所述，反應物流可包括一種或多種氣溶膠。氣溶膠可在反應室中形成或者在注入反應室之前在反應室外形成。如果氣溶膠在注入反應室之前形成，氣溶膠可通過與用于氣態(tài)反應物的入口的如圖1中的反應物入口102相似的反應物入口引入。為了形成復雜材料，可加入額外的氣溶膠發(fā)生器和/或蒸氣/氣體源，以便在反應物流中輸送所需的組分。
用來輸送氣溶膠反應物的反應物輸送噴嘴的一個實施例設置如圖4和5所示。入口噴嘴160在下表面162處與反應室連接。入口噴嘴160包括板164，該板164螺栓緊固到下表面162上，從而將入口噴嘴160固定到反應室上。入口噴嘴160包括內噴嘴166和外噴嘴168。內噴嘴166例如在該噴嘴的頂部可具有雙孔內部混合霧化器170。可從伊利諾斯州惠頓市的Spraying Systems購得合適的氣體霧化器。雙孔內部混合霧化器170具有扇形形狀以產(chǎn)生氣溶膠和氣態(tài)組分的薄層。液體通過管172進給到該霧化器中，用于引入反應室的氣體通過管174進給到該霧化器中。氣體與液體的相互反應有助于滴狀物的形成。
外部噴嘴168包括室部分176、漏斗形部分178和輸送部分180。室部分176支承內噴嘴166的霧化器。漏斗形部分178將氣溶膠和氣態(tài)組分導入輸送部分180。輸送部分180導向矩形反應物開口182，如圖3的插圖所示。反應物開口182在反應室中形成用于激光熱解或光反應沉積的反應物入口。外噴嘴168包括排泄管184，用于除去收集在外噴嘴中的任何液體。外噴嘴168由形成保護氣體開口188的外壁186覆蓋，該保護氣體開口188圍繞反應物開口182。惰性保護氣體通過管190引入。利用一個或多個氣溶膠生成器將氣溶膠引入狹長反應室的其它實施例在轉讓給Gardner等人的待審美國專利6193939中有描述，該專利的名稱為“反應物輸送裝置”，其內容在此引入作為參考。
為了形成氧化物，適合用作氧源的第二反應物包括例如O2、CO、N2O、H2O、CO2、O3和其混合物。氧分子可作為空氣輸送。或者，可在金屬/類金屬前驅體化合物中加入養(yǎng)，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將在下文中加以描述。第二反應化合物，如果存在，在進入反應區(qū)域之前不應與金屬前驅體顯著反應，其原因是所述反應一般會導致形成大顆粒。
利用激光或其它強聚焦光源，可以以多種光頻率進行激光熱解/光反應沉積。一些理想的光源在電磁光譜的紅外部分內工作。CO2激光具體地方便的光源。包括在反應物流中的紅外吸收體包括例如C2H4、異丙醇、NH3、SF6、SiH4、O3。O3可作為紅外吸收體，也可作為氧源。輻射吸收體，例如紅外吸收體從輻射束吸收能量并將能量分布到其它反應物中，從而驅動反應。
通常，從光束吸收的能量以極高的速率提高溫度，是在受控條件下利用放熱反應一般產(chǎn)生的熱量所對應的速率的幾倍。所述過程通常包括不平衡工況，可基于吸收區(qū)域中的能量近似地描述溫度。在光反應沉積中，反應過程在質量上與能量源啟動反應的燃燒反應的過程不同，反應由放熱反應放出的能量驅動。在燃燒反應物中，通常沒有具有邊界的限定好的反應區(qū)域。反應區(qū)域大，反應物的存在時間長。通常在燃燒反應中存在較低的溫度梯度。相反，激光/光驅動反應具有極高的加熱和冷卻速率。激光/光強度是可控的，進而反應工況類似地是可控的。在光反應沉積中，雖然反應區(qū)域可以延伸到光束之外幾毫米，但反應區(qū)域主要位于光束和反應物流的重疊區(qū)域，這取決于反應的精確性。微粒在光沉積反應中離開反應區(qū)之后，由于其溫度，即使反應結束，微粒仍稍微流體狀/柔軟。
可使用惰性保護氣體來減少與反應室組件接觸的反應物和產(chǎn)物分子。也可將惰性氣體引入反應物流，作為載體氣和/或反應緩和劑。適合的惰性氣體包括例如Ar、He、N2。
激光熱解裝置可適用于光反應沉積。適用性取決于是在反應室中進行涂敷操作，還是在分離的涂敷室中。在任何一個實施例中，通向反應室的反應物輸送入口通常設置成用來輸送反應物流，其尺寸使得產(chǎn)生的產(chǎn)品物流具有用于沉積過程的所需尺寸。例如，在一些實施例中，反應物入口具有與基底直徑近似相等或大于該基底直徑的長度尺寸，因此，穿過產(chǎn)品物流一次，即可在基底的整個尺寸上涂敷基底，且不會浪費過多的產(chǎn)品。
激光熱解裝置的出口可用于在分離的涂敷室中涂敷基底。帶有分離反應室和涂敷室的涂敷裝置在圖5中示意性示出。涂敷裝置200包括反應室202、涂敷室204、連接反應室202和涂敷室204的導管206、從涂敷室204引出的排放管208和連接到排放管208的泵210?？捎瞄y212來控制泵210的流量。閥212可以例如是手動針閥或自動節(jié)流閥。閥212可用于控制泵出速率和相應的室壓力。收集系統(tǒng)、過濾器、洗滌器等214可放置在涂敷室204和泵210之間以除去沒有涂敷到基底表面上的微粒。
參照圖6，來自微粒產(chǎn)生裝置202的導管206通向涂敷室204。導管206在室204中的開口216處終止。在一些實施例中，導管開口216位于基底218的表面附近，從而微粒流的動量直接將微粒導至基底218的表面上?；?18可安裝在臺或其它平臺220上，以便將基底218相對開口216定位。
用來將基底相對來自微粒產(chǎn)生裝置的導管定位的臺的實施例在圖7中示出。微粒噴嘴230將微粒導向旋轉臺232。如圖7所示，四個基底234安裝在臺232上。更多或更少的基底可安裝在可動臺上，該可動臺具有與臺和室的尺寸相應的改動。馬達用于轉動該臺232。
臺232的移動將微粒流橫掃過在噴嘴230中的一個特定基底234的表面。臺232可用于使后續(xù)的基底穿過產(chǎn)品流，用于在每個基底上進行一次或多次涂敷。臺232可包括熱控制特征(thermal control feature)，用于控制臺232上的基底溫度?？蛇x方案涉及臺的線性移動或其它運動。在其它實施例中，微粒流不聚焦，因此，同時涂敷整個基底或其所需的部分，且不用相對產(chǎn)品物流移動基底。
如果在反應室中進行涂敷，安裝基底以接收從反應區(qū)域流過的產(chǎn)品組分。雖然可足夠快速地冷卻以形成固體微粒，但所述組分不會完全固化成固體微粒。無論所述組分是否固化成固體微粒，微?？筛叨染鶆颉？蛇x擇從反應區(qū)至基底的距離來產(chǎn)生所需的涂敷結果。
在反應室中實施基底涂敷的裝置250在圖8中示意性示出。反應/涂敷室252連接到反應物輸送系統(tǒng)254、輻射源256和排氣管258。雖然來自反應物流的壓力自身可維持通過系統(tǒng)的流動，但排氣管258可連接導泵260。閥262可用于控制泵260的流量。閥262可用于調整泵出率和相應的室壓力。收集系統(tǒng)、過濾器、洗滌器等264可放置在室252和泵260之間，以便去除沒有涂敷到基底表面上的微粒。
基底266可與來自反應區(qū)域268的物流接觸，以便用產(chǎn)品微粒/粉末涂敷基底?；?66可安裝在臺、運送裝置等270上，以便通過物流掃過基底266。臺270可連接到執(zhí)行臂272或其它電動裝置，以移動臺270來通過產(chǎn)品物流掃過涂層。在產(chǎn)品離開反應區(qū)時可使用不同的配置使涂層掃過整個基底表面。如圖8所示，執(zhí)行臂272移動臺270，以便通過產(chǎn)品物流掃過基底266。
類似的實施例在圖9和10中的放大圖中示出。基底280如指向右的箭頭所示，相對于反應物噴嘴282移動。光學路徑284由沿路徑284引導光束的適合的光學元件限定。光學路徑284位于噴嘴282和基底280之間，以在基底280的表面正上方限定反應區(qū)。熱微粒趨于吸附到較冷的基底表面上。
參照圖9和10，在基底掃過反應區(qū)域時，形成微粒涂層。通常，基底280可裝載在運送裝置/臺288上。運送裝置/臺288可連接到執(zhí)行臂，如圖8所示。在備選實施例中，可使用輥子和馬達、連續(xù)的皮帶運送裝置或多種設計中的任何一種，包括已知的用于移動基底的設計，來承載基底。
在一些實施例中，可調節(jié)運送裝置288的位置以改變從基底286到反應區(qū)的距離。從基底到反應區(qū)的距離的變化相應地改變撞擊基底的微粒的溫度。撞擊基底的微粒的溫度通常改變所得到的涂層的特性以及后續(xù)處理的需求，諸如后續(xù)涂層的熱加工固化的需求。在基底和反應區(qū)之間的距離可根據(jù)經(jīng)驗調整以產(chǎn)生所需的涂層特性。另外，支承基底的臺/運送裝置可包括熱控制特征，從而根據(jù)需要將基底的溫度調節(jié)得更高或更低。
在圖11-13中示出了光反應沉積裝置得特定實施例。參照圖11，處理室300包括連接到CO2激光器的光管(light tube)302和連接到光束擋板(bump)的光管304。入口管306與輸送蒸氣反應物和載體氣的前驅體輸送系統(tǒng)相連。入口管306通向處理噴嘴308。微粒輸送管310沿流動方向從處理噴嘴308連接到處理室300。微粒輸送管310通向微粒過濾室312。微粒過濾室312在泵連接器314處連接到泵。
在圖12中示出了處理室300的放大示圖。晶片承載件316將晶片支承在處理噴嘴308上方。晶片承載件316與臂318相連，該臂318平移晶片承載件，以便移動晶片通過從反應區(qū)發(fā)出的微粒流，在所述反應區(qū)中激光束與來自處理噴嘴308的前驅體物流相交。臂318包括由套管覆蓋的線性轉換器。激光入口320用于在處理噴嘴308和晶片之間引導激光束。來自處理噴嘴的無障礙物流將直接導向排放噴嘴322，該排放噴嘴導向微粒輸送管310。
在圖13中示出了晶片承載件316和處理噴嘴308的放大示圖。處理噴嘴308的端部具有用于輸送前驅體的開口324和圍繞前驅體開口的保護氣體開口326，以便限制前驅體和產(chǎn)品微粒的傳播。晶片承載件316包括支承件328，該支承件328連接到帶有支架330的處理噴嘴208。圓形晶片332保持在承座334中，從而使晶片332沿導軌336在承座334中滑動，以便將晶片332移動到來自反應區(qū)的物流中。后蓋338防止微粒在晶片332的后面上不受控地沉積。導軌336連接到臂318。
在沉積處理過程中可調節(jié)基底的溫度以實現(xiàn)特定目的。例如，由于相對冷的基底可將微粒吸附到其表面上，所以可在沉積過程中冷卻該基底。但是在一些實施例中，在沉積處理過程中可將基底加熱到例如大約500℃。微粒更好地貼附到加熱后的基底上。另外，微粒趨于壓緊和聚集在加熱后的基底上，因此，如果最初在加熱后的基底上形成涂層，那么有助于涂層隨后固化成熔融的玻璃或其它材料。
在由涂敷處理形成的涂層而形成的基底表面上形成離散器件或結構時，將沉積處理設計成只覆蓋基底的一部分。例如，可在涂敷處理過程中使用掩膜，以便只覆蓋基底的選定部分，或者在基底移動通過產(chǎn)品物流時，可調節(jié)饋送反應物的質量流控制器，以改變沿基底在選定位置的涂層組分。例如，可用材料的沉積帶制造對應器件，其具有組分變化的優(yōu)點。這樣，沉積處理本身可受控以產(chǎn)生特定結構。可選地，可使用各種形成圖案的方法。例如，集成電路制造中的諸如光刻法和干蝕法的傳統(tǒng)方法可用于使沉積后的涂層形成圖案。下面進一步描述適合的圖案和光學器件。
利用光反應沉積形成的涂層、硅玻璃沉積和光學器件在待審并轉讓給Bi等人的美國專利申請09/715935中進一步加以描述，該專利申請的名稱為“利用反應沉積形成涂層”，其內容在此引入作為參考；并且在待審并轉讓給Bi等人的指定US序號的PCT申請PCT/US01/中進一步加以描述，該專利申請的名稱為“利用反應沉積形成涂層”，其內容在此引入作為參考。
沉積微粒涂層用于沉積微粒涂層的基礎工藝已在上文詳細加以描述。利用激光熱解法/光反應沉積可產(chǎn)生多種微粒。實施光反應沉積的激光熱解法可用于產(chǎn)生涂層，該涂層的組分可與帶有由激光熱解產(chǎn)生的選定組分的微粒相比。所關注的微粒粉末包括例如硅微粒、金屬微粒和金屬/類金屬化合物，例如金屬/類金屬氧化物、金屬/類金屬碳化物、金屬/類金屬氮化物和金屬/類金屬硫化物。對于光學材料，具體關注的材料包括例如氧化硅(二氧化硅)、氧化鋁和氧化鈦。通常，粉末包括具有亞微米或納米范圍尺寸的細微?；虺毼⒘?。微?？稍诨虿辉诔练e過程中部分熔融或燒結。
光反應沉積特別適于形成高均勻度的微粒，具體地納米級微粒。具體地，光反應沉積可產(chǎn)生所關注微粒的集合，主要微粒的平均直徑通常小于大約500nm，可選地在約3nm到約100nm的范圍內，類似地在約3nm到約75nm的范圍內，也可在約3nm到約50nm的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到在這些特定范圍中的其它范圍和子范圍是可預期的，并且可由本發(fā)明的公開內容所覆蓋。
如上所述，光反應沉積通常會產(chǎn)生具有較窄微粒直徑范圍的主要微粒。利用氣溶膠輸送用于光反應沉積的反應物，微粒直徑的分布尤其對反應條件敏感。然而，如果反應條件可適合地受控，可利用氣溶膠輸送系統(tǒng)獲得較窄的微粒直徑分布。但是，通過在光反應沉積中控制流量、反應物密度和停留時間或利用其它流動反應系統(tǒng)，如果需要，也可獲得更寬的主要粒徑的分布。
而且，在有高均勻度的實施例中，基本沒有主要微粒的平均直徑大于平均直徑的約4倍，在其它實施例中沒有主要微粒的平均直徑大于平均直徑的3倍，在另外的其它實施例中沒有主要微粒的平均直徑大于平均直徑的2倍。換句話說，粒徑的分布基本不具有指示粒徑顯著增大的少數(shù)微粒的尾數(shù)?；救コ椒植贾械奈矓?shù)表示在106中有少于1個的微粒具有大于平均直徑以上的具體截斷值(cut off value)的微粒。分布范圍的大小較窄、分布沒有尾數(shù)、且基本上呈現(xiàn)球形分布形態(tài)，對于獲得高均勻度的涂層和高均勻度的燒結是有利的。
小粒徑和微粒均勻度對于所得到的涂層的均勻度都有利。具體地，缺乏顯著大于平均值的微粒，即，在粒徑分布中沒有尾數(shù)，易于產(chǎn)生更均勻的涂層。另外，微粒可具有很高的純度水平。
光反應沉積可利用氣體/蒸氣相反應物實施。許多金屬/類金屬前驅體化合物可作為氣體輸送到反應室中。類金屬是化學特性介于金屬和非金屬之間或化學特性包括金屬和非金屬的元素。類金屬元素包括例如硅、硼、砷、銻和碲。用于氣態(tài)輸送的合適的金屬/類金屬前驅體化合物通常包括金屬化合物，該金屬化合物帶有合理的蒸氣壓力，即足以將所需的前驅體氣體/蒸氣送入反應物流中的蒸氣壓力。如果需要，可將保持液體或固態(tài)前驅體化合物的容器加熱，以便增加金屬前驅體的蒸氣壓力。通常將固體前驅體加熱到產(chǎn)生足夠的蒸氣壓力。
載體氣可通過液體前驅體吹入，以有助于輸送所需數(shù)量的前驅體蒸氣。類似地，載體氣可經(jīng)過固體前驅體的上方，以方便前驅體蒸氣的輸送。在其它實施例中，載體氣在進入反應區(qū)之前與前驅體蒸氣混合。用于蒸氣輸送的適合的硅前驅體包括例如四氯化硅(SiCl4)、三氯甲苯(Cl3HSi)、三氯甲基硅烷CH3SiCl3和四乙氧基硅烷(Si(OC2H5)4，也被稱為乙基甲硅烷和四乙基硅烷)?？捎闷渌u素例如Br、I和F替代在代表性前驅體化合物中的氯。
用于氧化硅材料的合適的參雜物包括例如硼、鍺、磷、鈦、鋅和鋁。合適的硼前驅體包括例如三氯化硼(BCl3)、乙硼烷(B2H6)和BH3。合適的磷前驅體包括例如氫化磷(PH3)、三氯化磷(PCl3)、氯氧化磷(POCl3)和P(OCH3)3。合適的鍺前驅體包括例如GeCl4。合適的鈦前驅體包括例如四氯化鈦(TiCL4)和異丙氧化鈦(Ti[OCH(CH3)2]4)。合適的液體鋅前驅體化合物包括例如二乙基鋅(Zn(C2H5)2)和二甲基鋅(Zn(CH3)2)。帶有足夠氣態(tài)輸送壓力的合適的固體鋅前驅體包括例如氯化鋅(ZnCl2)。合適的液體鋁前驅體包括例如低價氧化鋁(Al(OC4H9)3)?？少彽玫脑S多合適的固體鋁前驅體化合物包括例如氯化鋁(AlCL3)、乙氧基鋁(Al(OC2H5)3)和異丙氧化鋁(Al[OCH(CH3)2]3)。用于其它參雜物和主材料的前驅體可基于特定前驅體的類似情況相似地選取。
單獨使用氣相反應物在一定程度上受可方便使用的前驅體化合物的類型的限制。因此，可使用相關技術將包含反應物前驅體的氣溶膠引入反應區(qū)。用于激光熱解反應系統(tǒng)的改進氣溶膠輸送裝置在轉讓給Gardner等人的待審美國專利6193936中有進一步的描述，專利的名稱為“反應物輸送裝置”，其內容在此引入作為參考。這些氣溶膠輸送裝置可適于實施光反應沉積。
利用氣溶膠輸送裝置，固體前驅體化合物可通過在溶劑中溶解化合物來輸送。或者，可將粉末前驅體化合物分布在液體/分散劑中，以便于輸送氣溶膠。液體前驅體化合物可作為來自純液體、多種液體分散體或液體溶液的氣溶膠而輸送?？蛇x取溶劑/分散劑來獲得所需的所得溶液/分散劑的特性。合適的溶劑/分散劑包括水、甲醇、乙醇、異丙醇、其它有機溶劑及其混合物。溶劑應具有所需的純度水平，從而使最終的微粒具有所需的純度水平。諸如異丙醇的溶劑是吸收來自CO2激光器的紅外線的顯著吸收體，因此如果將CO2激光器用作光源，在反應物流中可不需要附加的激光吸收化合物。
如果使用氣溶膠前驅體，液體溶劑/分散劑可利用反應室中的光束快速蒸發(fā)，以便發(fā)生氣相反應。這樣，激光熱解反應的基礎特征可由于存在氣溶膠而保持不變。然而反應條件受氣溶膠存在的影響。
許多合適的固體金屬前驅體化合物可作為來自溶劑的氣溶膠而被輸送。用于產(chǎn)生氣溶膠的適合的硅前驅體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氫硅(Cl3HSi)。合適的參雜物可在氣溶膠中輸送。例如，氯化鋅(ZnCl4)和硝酸鋅(Zn(NO3)2)可溶解在水和一些有機溶劑中，例如異丙醇中。類似地，硼參雜物可作為使用硼酸銨((NH4)2B4O7)的氣溶膠輸送，所述硼酸銨可溶解在水和不同的有機溶劑中。用于其它參雜物和寄主材料的前驅體可基于利用其它特定前驅體的類似情況來類似地選取。
用于氣溶膠輸送的前驅體溶解在通常濃度大于0.1摩爾的溶液中。通常，溶液中的前驅體的濃度越高，通過反應室的反應物的通過量越大。但是隨著濃度的增加，溶液會變得更粘稠，因此氣溶膠可能會具有粒徑比所需粒徑更大的液滴。這樣，溶液濃度的選取可涉及在選取所需溶液濃度時的因素的平衡。
可利用激光熱解生產(chǎn)幾種不同類型的納米級微粒?？衫霉夥磻练e基于上述內容生產(chǎn)類似的微粒。具體地，適于生產(chǎn)光學材料的許多材料可通過光反應沉積生產(chǎn)。
這樣的示例性納米級微粒的通常特征在于包括一種組分，該組分包括大量的不同元素，并且該納米級微粒存在于變化的相對比例，其中所述數(shù)目和相對比例作為納米級微粒應用的函數(shù)而變化。不同元素的典型數(shù)目包括例如在從大約2個元素到約15個元素的范圍中的數(shù)目，可預期的數(shù)目可為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和15。相對比例的通常數(shù)目包括例如在從大約1到約1000000范圍內的數(shù)值，可預期的數(shù)目約為1、10、100、1000、10000、100000、1000000及其適合的相加。
可選地或附加地，這樣的納米級微粒的特征在于具有下述分子式AaBbCcDdEeFfGgHhIiJjKkLlMmNnOo其中每個A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O是獨立存在或不存在，并且至少A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N、O中的一個存在且從由組成元素周期表的元素族中獨立地選取，所述元素周期表包括1A族元素、2A族元素、3B族元素(包括鑭系元素和錒系元素)、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；并且每個a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、l、m、n、o是獨立從在約1到約1000000的范圍中選取的數(shù)值，其可預期的數(shù)目約為1、10、100、1000、10000、100000、1000000及其適合的相加。
例如，氧化硅納米微粒的生產(chǎn)在待審并轉讓給Kumar等人的美國專利申請09/085514中加以描述，該專利申請的名稱為“硅氧化物微?！?，其內容在此引入作為參考。該專利申請描述了無定形SiO2的生產(chǎn)。氧化鈦納米微粒和晶體二氧化硅微粒的生產(chǎn)在待審并轉讓給Bi等人的美國專利申請09/123255中加以描述，該專利申請的名稱為“金屬(硅)氧化物/碳化物組分”，其內容在此引入作為參考。具體地，上述申請描述了銳鈦礦(anatas)和金紅石TiO2的(rutile TiO2)生產(chǎn)。
無定形納米級粉末和帶有諸如稀土參雜物和/或其它金屬參雜物的參雜物的玻璃，在待審并轉讓給Horne等人的美國專利申請60/313588中加以描述，該專利申請的名稱為“參雜的玻璃材料”，其內容在此引入作為參考。合適的參雜物包括稀土金屬，其具有所需的性質變化，例如折射率。粉末和玻璃層可形成復雜的組分，其包括多種選定的無定形材料的參雜物?？捎梅勰┬纬晒鈱W材料等。通過利用光反應沉積法直接沉積均勻的微粒涂層并隨后將粉末固化成均勻的玻璃層，來形成玻璃層。
可使用激光熱解法和其它流動反應系統(tǒng)來生產(chǎn)帶有選定參雜物的無定形亞微米和納米級微粒，所述選定的參雜物包括稀土金屬。利用這些方法可生產(chǎn)多種新型材料?？赏ㄟ^變化反應物流的組分以理想的配比引入?yún)㈦s物。參雜物被引入到合適的寄主玻璃形成材料中。通過合適地選取反應物流中的組分和處理工況，可形成亞微米微粒，該微粒結合一種或多種金屬或類金屬元素作為帶有選定參雜物的玻璃形成寄主。由于寄主無定形材料通常為氧化物，所以在反應物流中也應存在氧源。反應物條件應該充分氧化以產(chǎn)生氧化物材料。類似地，可使用光反應沉積來形成帶有參雜物的高度均勻的玻璃涂層，該參雜物包括例如稀土參雜物和/或參雜物組分的復雜混合物。
一些金屬/類金屬氧化物優(yōu)選用于光學應用和/或具有將材料固化到均勻玻璃層中的能力。用于參雜的合適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。盡管磷在周期表中位于金屬元素附近，但一般不把磷看作類金屬元素。但是P2O5形式的磷是與一些類金屬氧化物類似的好的玻璃形成體，并且P2O5的參雜形式具有所需的光學特性。為方便起見，如包括在權利要求中的，在這里也將磷看作類金屬元素。
可引入?yún)㈦s物以便改變無定形微粒和/或所得到的玻璃層的性質。例如，可引入?yún)㈦s物來改變玻璃的折射率。對于光學應用，可改變折射率來利用選定頻率范圍的光工作的特定光學器件。也可引入?yún)㈦s物來改變材料的處理特性。具體地，一些參雜物改變流動溫度，即玻璃相變溫度，這樣可在更低的溫度下對玻璃進行加工。參雜物也可與材料相互作用。例如，可引入一些參雜物來增強其它參雜物的可溶性。由于可以改變所得到的摻雜材料的光學特性，希望使用稀土參雜物。摻有稀土的玻璃在光學放大器的生產(chǎn)中很有用。
具體關注的微粒包括形成帶有多種參雜物的光學玻璃的無定形組分。在一些實施例中，一種或多種參雜物是稀土金屬。因為稀土金屬改變材料的光學特性，所以稀土金屬尤其優(yōu)選。如果微粒固化成玻璃層，所得到的材料的折射率受稀土參雜物和其它參雜物的影響。另外，稀土參雜物影響光學吸收性能，該性能能改變用于生產(chǎn)光學放大器和其它光學器件的材料的應用。稀土金屬包括周期表中的IIIb族的過渡金屬。特定地，稀土元素包括Sc、Y和鑭族元素。其它適合的參雜物包括錒族元素。對于光學玻璃，作為參雜物的具體關注的稀土金屬包括例如Er、Yb、Nd、La、Y、Pr和Tm。適合的非稀土金屬參雜物包括例如Bi、Sb、Zr、Pb、Li、Na、K、Ba、W和Ca。
為了形成均勻的玻璃層，可固化一層無定形微粒。為了固化所述玻璃，將粉末加熱到高于其流動溫度。在這樣的溫度下，粉末密化形成均勻的玻璃材料層。將參雜物結合到微粒中，作為粉末沉積的直接結果，將會導致參雜物遍布密化材料。
材料處理在設計所需的光學器件中仍需著重考慮。例如，可調節(jié)組分和諸如材料密度的特性來獲得具有理想折射率的材料。類似地，材料的熱膨脹和流動溫度不得不與用于將材料制成整體、集成結構的合理處理方法一致。固化后的光學材料可具有好的光學性質，從而通過材料的光線透射不會導致不需要的損失量。另外，材料不得不在合理的工況下處理，從而形成集成光學電路中的集成器件或光電電路。類似的材料限制是目前技術水平的電子器件的形成中存在的問題。
摻雜質的玻璃在光學器件的生產(chǎn)中很有用。利用這里描述的技術，可將摻雜質的玻璃制成平面光學器件。參雜物可改變材料的光學特性，使之特別適合于具體的光學應用。摻有參雜物的組分，特別是摻有參雜物的硅氧化物可通過引入合適的前驅體而產(chǎn)生。例如，制造具有更高折射率的光學層的方便的方法是使用摻有參雜物的硅氧化物。合適的參雜物包括例如氧化鈦、氧化鉭、氧化錫、氧化鈮、氧化鋯、氧化鋁、鑭氧化物、氧化鍺、硼氧化物或其混合物。
一些硅氧化物參雜物也可顯著降低材料的流動溫度。具體地，硼和無定形參雜物可有助于降低粘性，進而降低硅氧化物的流動溫度。硼參雜物也降低折射率，而無定形參雜物提高折射率。
摻雜有稀土的玻璃尤其適于在形成光學放大器時使用。放大器材料通過橫向連接到光學材料上的激勵光信號(a pump light signal)觸發(fā)。該激勵光信號激勵摻雜有稀土的材料。以低于該激勵光信號的頻率穿過該光學材料的光學輸入通過模擬發(fā)射而被放大。這樣，來自激勵光線的能力用于放大該輸入光信號。
具體地，以生成納米級錳氧化物微粒。這些微粒的生產(chǎn)在待審并轉讓給Kumar等人的美國專利申請09/188770中加以描述，該專利申請的名稱為“金屬氧化物微粒”，其內容在此引入作為參考。該申請描述了MnO、Mn2O3、Mn3O4和Mn5O8的生產(chǎn)。
而且，釩氧化物納米微粒的生產(chǎn)在Bi等人的美國專利6106798中加以描述，該專利的名稱為“釩氧化物納米微?！?，其內容在此引入作為參考。類似地，已生產(chǎn)出銀釩氧化物納米微粒，這在待審并轉讓給Horne等人的美國專利申請09/246076、現(xiàn)在的美國專利6225007和Reitz等人的美國專利申請09/311506中加以描述，專利申請的名稱都為“金屬釩氧化物微粒”，其內容在此引入作為參考。
另外，鋰錳氧化物微粒已利用帶有后續(xù)熱處理的激光熱解法或沒有后續(xù)熱處理的激光熱解法被生產(chǎn)處，這在待審并轉讓給Kumar等人的名稱為“合成金屬氧化物微粒”的美國專利申請09/188768、轉讓給Kumar等人的名稱為“用于生產(chǎn)三元素微粒的反應方法”的美國專利申請09/334023、轉讓給Horne等人的名稱為“鋰錳氧化物和電池”的美國專利6136287中加以描述，其內容在此引入作為參考。
氧化鋁納米級顆粒的生產(chǎn)在待審并轉讓給Kumar等人的美國專利申請09/123483中加以描述，該專利申請的名稱為“氧化鋁微?！?，其內容在此引入作為參考。具體地，該申請公開了γ-AL2O3的生產(chǎn)。利用激光熱解/光反應沉積與摻有參雜物的晶體和無定形氧化鋁一起形成δ-AL2O3和θ-AL2O3在待審并轉讓給Chiruvolu等人的美國專利申請09/969025中加以描述，該專利申請的名稱為“氧化鋁粉末”，其內容在此引入作為參考。無定形氧化鋁材料可以與其它玻璃形成體結合，例如SiO2和/或P2O3。例如，適合用于形成光學玻璃的氧化鋁的金屬氧化物參雜物包括氧化銫(Cs2O)、氧化銣(Rb2O)、氧化鉈(Tl2O)、氧化鋰(Li2O)、氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)、氧化鈹(BeO)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鍶(SrO)和氧化鋇(BaO)。玻璃參雜物可影響例如折射率、燒結溫度和/或玻璃的多孔性。適于紅外發(fā)射器的金屬氧化物參雜物包括例如氧化鈷(Co3O4)。
另外，可利用激光熱解生產(chǎn)錫氧化物納米微粒，這在待審并轉讓給Kumar等人的美國專利申請09/042227、現(xiàn)今的美國專利6200674中加以描述，該專利的名稱為“錫氧化物微?！?，其內容在此引入作為參考。氧化鋅納米微粒的生產(chǎn)在待審并轉讓給Reitz等人的美國專利申請09/266202中加以描述，該專利申請的名稱為“鋅氧化物微?！?，其內容在此引入作為參考。具體地，對ZnO納米微粒的生產(chǎn)進行了描述。
可利用光反應沉積和激光熱解將稀土參雜物引入金屬組分中。具體地，在待審并轉讓給Kumar等人的美國專利申請09/843195中描述了亞微米和納米級微粒以及稀土金屬氧化物微粒、摻雜稀土的金屬/類金屬氧化物微粒、稀土金屬/類金屬硫化物和摻雜稀土的金屬/類金屬硫化物的相應涂層，具體地晶體粉末和涂層，該專利申請的名稱為“高亮度熒光粉微粒”，其內容在此引入作為參考。適于形成熒光粉的寄主材料包括例如ZnO、ZnS、Zn2SiO4、SrS、YBO3、Y2O3、Al2O3、Y3Al5O12和BaMgAl14O23。作為參雜物用于激發(fā)熒光微粒的示例性非稀土金屬包括例如錳、銀和鉛。用于形成金屬氧化物熒光粉的示例性稀土金屬包括例如銪、鈰、鋱和鉺。通常，將重金屬離子或稀土離子用作熒光粉中的觸發(fā)劑。對于熒光粉的應用，微粒通常為晶體。將稀土和其它參雜物引入無定形微粒和涂層中在待審并轉讓給Horne等人的美國專利申請60/313588中加以描述，該專利申請的名稱為“有參雜物的玻璃材料”，其內容在此引入作為參考。復雜、有參雜物和無參雜物的光學材料的組成還在待審并轉讓給Bi等人的指定美國專利序號的PCT申請PCT/US01/中加以描述，該申請于2001年10月16日提交，其名稱為“利用反應沉積形成涂層”，其內容在此引入作為參考。
鐵、鐵氧化物和鐵碳化物的生產(chǎn)在Bi等人的名稱為“利用CO2激光熱解生產(chǎn)納米晶體α-Fe、Fe3C和Fe7C3”的公開物(J.Mater.Res.卷8，No.71666-1674，七月，1993)中加以描述，其內容在此引入作為參考。銀金屬的納米微粒的生產(chǎn)在待審并轉讓給Reitz等人的美國專利申請09/311506中加以描述，該專利申請的名稱為“金屬釩氧化物微?！?，其內容在此引入作為參考。利用激光熱解生產(chǎn)納米級碳微粒在Bi等人的參考文獻中加以說明，其名稱為“利用CO2激光器熱解生產(chǎn)納米級碳黑”(J.Mater.Res.卷10，No.112875-2884，11月，1995)，其內容在此引入作為參考。
利用激光熱解生產(chǎn)鐵硫化物納米微粒在Bi等人的文章(材料研究協(xié)會年會論文集，卷286，161-166頁，1993)中有描述，其內容在此引入作為參考。用于激光熱解生產(chǎn)鐵硫化物的前驅體是五羰基鐵(Fe(CO)5)和硫化氫(H2S)。
氧化鈰可利用上述的激光熱解裝置生產(chǎn)。用于氣溶膠輸送的合適的前驅體包括例如硝酸鈰(Ce(NO3)3)、氯化鈰(CeCl3)和草酸鈰(Ce2(C2O4)3)。類似地，氧化鋯可利用上述激光熱解裝置生產(chǎn)。用于氣溶膠輸送的合適的鋯前驅體包括例如氯化氧鋯(ZrOCl2)和硝酸氧鋯(ZrO(NO3)2)。
用于片形電容器的電介質涂層的沉積法在待審并轉讓給Bryan等人的美國臨時專利申請60/312234中加以描述，該專利申請的名稱為“用于形成片形電容器的反應沉積法”，其內容在此引入作為參考。特別合適的電介質材料包括大部分的鈦酸鋇(BaTiO3)，可選地與其它金屬氧化物混合。其它帶有適合參雜物的、適于加入陶瓷片形電容器的電介質氧化物包括例如SrTiO3、CaTiO3、SrZrO3、CaZrO3、Nd2O3-2TiO3和La2O3-2TiO2。
可用類似于生產(chǎn)銀釩氧化物納米微粒的步驟通過激光熱解法進行硅酸鋁和鈦酸鋁三元納米微粒的生產(chǎn)，生產(chǎn)所述微粒的步驟在待審并轉讓給Reitz等人的美國專利申請09/311506中有描述，該專利申請的名稱為“金屬釩氧化物微?！保鋬热菰诖艘胱鳛閰⒖?。用于生產(chǎn)硅酸鋁的合適的前驅體包括對于蒸氣輸送，氯化鋁(AlCl3)和四氯化硅(SiCl4)的混合物；對于氣溶膠輸送，丁(N-丁氧基)硅烷(tetra(N-butoxy)silane)和異丙醇鋁(Al(OCH(CH3)2)3)。類似地，適合于生產(chǎn)鈦酸鋁的前驅體對于氣溶膠輸送包括溶解在硫磺酸中的硝酸鋁(Al(NO3)3)和氧化鈦(TiO2)粉末的混合物或異丙醇鋁和異丙醇鈦(Ti(OCH(CH3)2)4)的混合物。
與帶有陰離子的金屬/類金屬化合物的涂層一起形成亞微米和納米級微粒，在待審并轉讓給Chaloner-Gill等人的美國專利申請09/845985中有描述，該專利申請的名稱為“磷酸粉末組分和用于形成帶有復雜陰離子的微粒的方法”，其內容在此引入作為參考。合適的絡合陰離子包括例如硝酸鹽、硅酸鹽和硫酸鹽。所述組分可包括多種金屬/類金屬元素。
利用激光熱解合成碳化硅和氮化硅，在待審并轉讓給Reitz等人的美國專利申請09/433202中加以描述，該專利申請的名稱為“微粒分散”，其內容在此引入作為參考。對于氮化硅的生產(chǎn)，氨水(NH3)是氮源。對于碳化硅微粒的生產(chǎn)，分解二乙氧基硅烷以形成所述微粒。
為實現(xiàn)具體的目的，涂層的特征可相對于粉末層的組分及基底上的材料位置而變化。另外，可以受控地沉積多層微粒，從而形成帶有不同的組分和/或光學特性的層。通常，為了形成光學器件，將均勻的光學材料定位在基底上的具體位置上。均勻材料的定位包括在具體位置的選定沉積或沉積后的蝕刻。上述步驟可適于例如通過使基底相對微粒噴嘴掃過而僅使基底的所需部分經(jīng)過所述霧化器，進而將涂層涂敷到所需的位置，下文將進一步描述蝕刻。
類似地，可將涂層的厚度制得均勻，或者可將基底的不同部分涂敷上不同厚度的微粒。不同的涂層厚度可通過改變基底相對于微粒噴嘴的掃過速度，或者通過使接收較厚的微粒涂層的基底部分多次掃過而實現(xiàn)。微粒組分可在基底的不同部分上類似地變化。這可例如通過在涂敷過程中改變反應物流，或者通過掃過基底的不同部分的多個局部涂敷而實現(xiàn)。
這樣，如所述的，材料層可包括平面范圍與其它層不同的微粒層。這樣，一些層可覆蓋整個基底表面，或者其大部分而其它層覆蓋基底表面的較小的部分。以這種方式，所述層可形成一個或多個局部化的器件。在沿平面基底的任意具體點上，穿過結構的截面視圖可展示與沿表面的其它點處數(shù)目不同的可確認的層。
固化/密化處理熱處理可以熔化和熔合微粒，使之緊湊，即密化所述粉末，從而形成所需的材料，具體地光學材料。這種微粒的熔合通常稱作固化。為了使光學材料固化，可將該材料加熱到材料的熔點或流動溫度，即玻璃相變溫度以上，以便將涂層固化成光滑均勻的材料。
通常，加熱是在將微粒熔化成粘性液體的條件下進行。由于粘性高，材料不會在基底表面上顯著流動。在較高溫度下進行加工以減小熔化的粘性可導致基底不必要的熔化、組分在層之間的遷移或者從基底選定區(qū)域流開。可調節(jié)加熱和冷卻時間來改變固化的涂層的特性，例如密度。另外，熱處理可除去不需要的雜質和/或改變材料的化學配比和晶體結構。
適合的處理溫度和時間通常取決于微粒的組分。由于與大塊材料相比納米材料的熔點更低，可在較低的溫度下和/或經(jīng)相對于具有更大微粒的粉末更長的時間處理納米級小微粒。但是，理想地是利用可比的熔化溫度從改進的納米顆粒的熔化來獲得更高的表面平滑度。
對于氧化硅納米微粒的處理，可將微粒涂層加熱到大約1200℃的溫度。在氧化硅微粒中的參雜物可降低適合的固化溫度。一些參雜物影響流動溫度和光學特性。因此，可選取參雜物，以便在較低的溫度下使之流動成均勻的光學材料。在加入到氧化硅(SiO2)內時降低溫度的合適的參雜物包括例如硼、磷、鍺及其混合物?？蛇x擇一種或多種參雜物的數(shù)量和組成來生產(chǎn)所需的流動溫度和折射率。
可在適合的爐中進行熱處理。優(yōu)選地，根據(jù)氣體的壓力和/或組成控制爐中的環(huán)境。合適的爐包括例如感應電爐或有氣體通過管子的管式電爐。熱處理可在從涂敷室取出涂敷后的基底之后進行。在備選實施例中，熱處理可與涂敷處理整體化，從而可以以自動形式在裝置中順序進行所述加工步驟。
對于許多應用，希望應用具有不同組分的多層微粒涂層。大體上，這些多層微粒涂層可跨過被涂敷基底的x-y平面(例如垂直于基底相對產(chǎn)品流的移動方向)相互鄰近布置，或者跨過被涂敷基底的z平面一個疊一個地層疊，或者是任何相鄰和層疊的層的適當組合。每個涂層可涂敷成所需的厚度。例如，在一些實施例中，可在交替的層上沉積氧化硅和摻有參雜物的氧化硅。類似地，帶有不同參雜物的氧化硅的不同層可在交替的層上沉積。具體地，不同組分的兩個層可一個疊另一個地沉積，并且附加地或可選地，一個接一個地沉積，例如層A和層B形成AB。在其它實施例中，組分不同的多于兩層的層可被沉積，例如層A、層B、層C作為三個順序層ABC被沉積(例如一個層疊在另一個上、或者一個鄰近另一個、或者鄰近并且層疊)。類似地，可形成具有不同組分的交替順序的層，例如ABABAB…或者ABCABCABC…對于許多應用，涂敷具有不同組分的多層微粒涂層(例如相互鄰近、或者一個層疊在另一個上)的希望形式可根據(jù)所涂敷的基底的功能需要而提出。這樣，例如在光學應用中，希望涂敷帶有不同組分的多層涂層來獲得下述功能中的一個或兩個或兩個以上的適當組合，所述功能包括三維光學存儲器件、光學波導管/導管/纖維(例如布拉格光柵)、光學衰減器、分光器/耦合器、光學過濾器、光學開關、激光器、調制器、互聯(lián)器、光學隔離器、光學增減復用器(OADM，add-drop multiplexer)、光學放大器、偏光器、光學平面鏡/反射器、光學相位延遲器和光學探測器。
固化后的單個均勻層通常具有小于100微米的平均厚度，在許多實施例中從約1微米至約50微米，在其它實施例中從約3微米至約20微米。本領域的普通技術人員將會認識到在這些特定范圍內的范圍是可預期的，并且在本發(fā)明所公開的范圍內。厚度是垂至于投影表面測量的，在所述投影表面中所述結構具有最大的表面積。
帶有多層微粒涂層的材料可在每一層沉積之后、或者多層沉積之后進行熱處理，或者這兩種方法的結合。最優(yōu)選的處理順序通常取決于材料的熔點。但是一般地，希望同時對多個層進行熱處理和固化。如果選取合理值的加熱溫度，熔融的材料保持足夠的粘性，從而在界面處不會有不必要數(shù)量的熔合。層間的輕微熔合通常不會以難以接受的量影響性能。
蝕刻和器件的形成為了在通過涂敷工藝由涂層形成的層中制成離散的器件或結構，可將沉積過程設計成只涂敷帶有具體組分的部分層?；蛘撸墒褂貌煌膱D案形成方法。例如光刻法和蝕刻法的制造集成電路的傳統(tǒng)方法可用于使沉積后的涂層形成圖案。
在形成圖案之前或之后，可對涂層進行熱處理，從而將涂層從離散的微粒層轉換成連續(xù)的層。在一些實施例中，將涂層中的微粒加熱以使所述微粒固化成玻璃或均勻的晶體層。二氧化硅玻璃可用于光學應用。例如藍寶石的晶體氧化鋁和例如石英的晶體SiO2在一定的波長下適于光學應用。另外，晶體硅可在形成絕緣體上的硅電子元件中使用。固化過程通常如上詳細所述。
選擇沉積粉末材料和/或選擇去除材料可用于在光學材料的層中形成所需的結構。基于上述公開內容，適合的選擇沉積可包括例如通過掩膜的選擇沉積、通過產(chǎn)品微粒流的基底的移動以只在部分基底上形成涂層，在形成單個涂層的過程中變化組分、或上述過程的結合。這些方法導致在層中的選擇位置處的具體組分的選擇設置，而其它組分可被放置在其它位置。另外，可蝕刻光學層以形成光學材料的圖案。具體地，為了形成有圖案的結構，可與諸如化學蝕刻或基于輻射的蝕刻法的蝕刻法一起使用諸如光刻法的圖案形成法，從而通過在一個或多個層中選擇去除材料而形成所需的圖案。因此組分和光學特性可以在層中和層間變化。
另外，在沉積兩層或多層之后，可進行受控的沉積或蝕刻步驟，從而產(chǎn)生如圖14中示意性示出的結構?？捎霉夥磻ǔ练e所述層。有輪廓的光學結構340包括一個或多個支承層342和在支承層342上的一個或多個有輪廓的光學結構344。通道344通過在支承層342的頂部形成圖案以去除通道344之間的材料而形成。另外的光學材料346通常放置在通道344的上方，如圖15所示。熱處理可在合適的點上、在形成圖案和蝕刻之前和/或之后進行。也可進行另外的平整工藝，例如化學-機械拋光。
雖然這里所述的多層光學涂層具有多種應用，但在基底表面上形成的光學器件能受到特殊的關注。沿著光學器件的光傳播的控制需要相鄰材料的折射率不同。器件可通過不同于相連材料的折射率或結構的材料的界線來區(qū)別。光學器件的基本特征在于它們是由晶體或無定形材料制成，這些材料在特定的波長范圍中可透射電磁輻射，該電磁輻射要通過所述器件傳送。
所關注的光學器件包括例如光學波導器件，諸如光學耦合器、分光器、陣列波導格柵(AWG，arrayed waveguide grating)等。在基底表面上制成的波導管被稱作平面波導管。平面波導管在制造用于光通訊和其它光電應用的集成光學電路時很有用。其它有關的光學器件包括例如三維光學存儲器、光纖、布拉格光柵、光學衰減器、光學過濾器、光學開關、激光器、調制器、互聯(lián)器、光學隔離器、光學增減復用器(OADM，add-drop multiplexer)、光學放大器、偏光器、光學平面鏡/反射器、光學相位延遲器和光學探測器。
光通過折射率比周邊材料高的材料傳播。在一些合適的實施例中，平面波導管的厚度大概和沿該波導管傳輸?shù)墓獠ㄩL的數(shù)量級相當，即電磁輻射的波長的數(shù)量級。例如，對于1.5微米的光，大約6微米的厚度對于波導管來說是合適的。大體上，光學層的厚度。在一些實施例中，波導管不會顯著衰減通過材料在整個適度距離上傳輸?shù)墓狻?br> 為了利用微粒涂敷技術生產(chǎn)平面光學波導管，通常沉積三層。核心層形成由下包覆層和上包覆層包圍的光通道。下包覆層通常涂敷在基底或下面的光學材料與核心層之間。換句話說，核心層通常形成在兩種其它光學材料之間，以便提供通過核心材料的適合的光學傳輸。
在圖16和17中示出了基底上的光學電路。如圖16所示，光學電路350包括在基底358上的光學器件352、354、356。包括光學器件352的剖面圖如圖17所示。光學器件352包括下包覆光學材料362、核心光學材料364和上包覆材料366。通常，核心光學材料364可與下包覆光學材料362和上包覆材料366在諸如折射率的光學性質上不同，這可以是由例如組分差異、密度差異或晶體結構差異造成的。下包覆光學材料362可以與上包覆光學材料366在組分和/或光學性質上相同或不同。上包覆材料366沿兩層定位，與核心光學材料共享的層與和上面布置的層。
基底358可由硅制成。雖然可使用方形或其它形狀的基底，普通的基底是圓晶片。對于預成品的形成，希望將基底成形為在一個方向上極為狹長。縱橫比可從約1∶5到約1∶50，或者在其它實施例中從約1∶10到約1∶25。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示的范圍之內的范圍和子范圍是可預期的，并且在本發(fā)明所公開的內容之內。類似地，對于預成品，希望具有尺寸隨著增加另外的涂層而改變的涂層，因此最終的結構不是矩形的形狀，從而便于從預成品拉出纖維。無基底的平面結構也是可預期的，如下文所述。對于這些實施例，要獲得最大面積的平面器件的投影提供了器件的平面范圍。該投影的平面范圍建立了類似于基底表面的平面，以便沿所述平面表面確定位置。
在一些實施例中，光學材料可由基于二氧化硅的玻璃制成。在這些實施例中，在基底上方沉積有摻有參雜物的二氧化硅下包覆層。接著在該包覆層的上方沉積摻有不同參雜物的二氧化硅粉末的核心層。雖然如果熱處理是在合適的條件下進行，可同時固化兩層，但是下包覆層通常先于額外層的增加物固化。用于生產(chǎn)具有高折射率的核心層的方便的方法是使用摻有參雜物的氧化硅。適合的參雜物包括例如氧化鈦、氧化鉭、氧化錫、氧化鉛、氧化鋰、氧化鈉、氧化鉍、氧化鉀、氧化銻、氧化鈣、氧化鋇、氧化鎢、氧化鈮、氧化鋯、氧化鋁、鑭族氧化物、其它稀土參雜物(諸如Er、Yb、Nd、Pr和Tm)、氧化鍺、硼氧化物或者其組合。通常，下包覆層和上包覆層可用折射率低于摻有參雜物的核心層的摻有參雜物的二氧化硅制成。
隨著核心層材料的折射率的增加，所述層的理想厚度由于波長隨折射率變化而增加。因此，可相應地控制這些參數(shù)之間的相關性。由于過量的某種參雜物會導致材料對光線的透明度的損失，所以應該避免某種參雜物的過量的使用。雖然對于多數(shù)的材料，通常按這些參雜物的重量計小于40％，但是這些參雜物的數(shù)量的上限取決于特定的參雜物。
具有相同或不同光學性質和組分的核心層可沉積在相同或不同層中的基底的選定部分的上方，以便形成分離的光學結構?；蛘撸诤诵膶硬牧瞎袒?，可對材料進行輪廓，從而在特定的層中制成一個或多個所需的器件。在由核心材料形成所需的結構之后，通常涂敷上包覆層。利用煙流熱解沉積形成平面波導管在Keck等人的美國專利3934061中有進一步的描述，該專利的名稱為“形成平面光學波導管的方法”，其內容在此引入作為參考。利用蝕刻形成耦合元件在Kawachi等人的美國專利4735677中有進一步的描述，該專利的名稱為“用于制造混合光學集成電路的方法”，其內容在此引入作為參考。
多層光學結構利用這里所述的方法可以在層疊的結構中沉積多種光學材料，從而形成多層的光學材料。多層的光學材料包括在不同層中的材料之間帶有不同光學特性的多個層。在一些實施例中，材料的光學特性也可在一層中變化，因此，可以在只覆蓋單獨層表面積的一部分的空間范圍內設置特定的光學器件。這樣，多層光學結構可作為平面光學器件的多層層疊、光纖預成品等而使用。
參照圖18，示出了帶有材料A和材料B的交替層的多層光學結構的示意性透視圖。具體地，結構380包括與材料B的層384交替的材料A的層382，從而形成ABABAB結構。作為示例，材料A可以是SiO2玻璃，材料B可以是摻有參雜物的SiO2玻璃。多層光學結構的可選實施例在圖19中以示意性側視圖示出。在該實施例中，結構390具有交替的材料A的層392、材料B的層394、材料C的層396。作為一個示例，材料A可以是SiO2玻璃，材料B可以是摻有參雜物的SiO2玻璃，材料C可以是另一形式的摻有參雜物的SiO2玻璃。
雖然圖18和19示出了具體的層數(shù)，但層數(shù)可根據(jù)需要變化。在一些實施例中，層預成品具有3個或更多的層，在另外的實施例中為5個或更多的層，在另外的實施例中為至少10層，在其它實施例中為至少20層，在另外其它的實施例中為至少30層，并且通常小于大約1000層。本領域的普通技術人員將會認識到層的數(shù)目和在這些具體范圍中的子范圍是可預期的，并且在本發(fā)明所公開的范圍內。另外，可在分層結構中使用多于3種材料，并且可以更復雜的圖案和/或以不重復的結構布置所述層。
大體上，在光學結構中的一個或多個光學材料層具有跨過所述層的不均勻光學特性。通常，雖然可通過改變材料的其它特性而改變光學特性，但也可通過改變跨過所述層的組分而改變光學特性。例如，可通過將光，例如紫外光照射到材料上而改變一些材料的折射率。光學性質的變化可用于形成穿過所述層的光學通道/路徑，從而使光在光學通道中限定于局部。光學通道可以與平面光學器件或纖維預成品的光學路徑相對應，如下文所述。
通常單獨的光學層的總平均厚度大約不大于1毫米，在許多實施例中不大于約250微米，在其它實施例中在從約500納米至約150微米的范圍內，在另外的實施例中在從約3微米至約100微米的范圍內，在又一些實施例中在從約4微米至約20微米的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示的范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包含在本發(fā)明所公開的范圍內?？裳刂唧w平面界面的一個或多個邊界確定出層。層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無基底結構的范圍的平面的厚度確定。
多層結構可以是無基底的?；卓勺鳛榕c傳輸光的材料光學分離的材料，即非光學材料而確定。這樣，由于包覆層的光學特性有助于將光線限制在核心層中，并且由此沒有被光學隔離，所以包覆層通常不是基底的一部分?；蛘?，多層結構可包括多個基底，在這些基底中，在光學層之間另外設置非光學層。
通常，光反應沉積包括將材料沉積在基底上。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可形成釋放層(release layer)使釋放層處的分隔部將光學結構從其上形成該光學結構的基底隔開。釋放層通常包括流動溫度顯著高于其上沉積的材料的粉末。通過調整在沉積裝置中的前驅體的組分，所述粉末的組分可從一種組分到另一種組分逐漸變化或突變?？蛇x取工況和組分來產(chǎn)生所需的分離，從而在熱處理時形成釋放層。或者，可通過從頂部熱暴露來形成釋放層，以便只固化材料的部分厚度，保持釋放層完整。釋放層的形成和利用釋放層形成無基底的光學結構在待審并轉讓給Bryan等人的美國專利申請09/931977中有進一步的描述，該申請的名稱為“在基底上的層材料”，其內容在此引入作為參考。
層疊的平面光學電路多層光學結構適于形成層疊的平面光學電路。形成選定的多層光學結構的層以提供通過所述層的光學通道/路徑。在一些實施例中，通過層的光學通道包括用于光學處理/操作的平面光學器件。在可選的或另外的實施例中，一個或多個集成光學電路位于帶有一個或多個光學通道的單個層中。
在圖20中示出了通過帶有平面光學器件的層的代表性橫截面。層400包括集成光學電路402、404、406。光學電路402包括光學器件410、412、414，而光學電路404包括光學器件416、418、420、422。光學電路402包括諸如平面波導管的光學器件424和諸如光電探測器的光電器件426，例如帶有電觸點428的光電二極管?？赏ㄟ^利用銀微粒的光反應沉積或諸如化學蒸氣沉積的半導體處理方法形成該電觸點。雖然圖示層400具有三個光學電路，但層通常包括一個或兩個光學電路，或者多于三個的光學電路。類似地，在光學電路中的光學器件的數(shù)目可在層的空間范圍中根據(jù)所需變化。通常，層的一個或多個邊緣，例如圖20中的邊緣430和432適于連接到光學互連器上，例如連接到光纖或其它光學器件和/或光電器件。
不論是否存在基底，平面光學結構都具有與狹長光纖等截然不同的平面外形。平面光學結構的平面外形可基于具有最大投影表面積的結構的平面投影來評價。由于表面特征等的存在，該平面投影可不考慮地加以評價。通常，平面結構具有最大面積的平面投影，其表面積至少為大約1cm2，在其它實施例中至少為大約10cm2，在另外的實施例中至少為大約25cm2，在另外的實施例中至少為大約50cm2，在一些實施例中在大約從1cm2至約1m2的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包括在本發(fā)明所公開的內容中。5英寸直徑的晶片基底將會產(chǎn)生具有6.25π平方英寸的最大投影面積的結構。
另外，平面光學結構通常具有不大于大約20的縱橫比的層，在其它實施例中不大于大約10，在實施例中不大于大約5。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包括在本發(fā)明所公開的內容中。縱橫比是長度比寬度的比值，其中長度是在連接兩個邊緣點的平面投影中沿最長段的距離，寬度是沿垂直于連接兩個邊緣點的長度段的最長段?？v橫比可約為1，這是最低的閥值。層的平面性質可以以穿過投影面積中心的區(qū)段的最大面積投影中的最小的邊至邊距離來表述。通常，最小的邊至邊距離至少約為1cm，在許多實施例中至少約為2cm，在其它實施例中至少為5cm，在一些實施例中在約1cm至約1m的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包括在本發(fā)明所公開的內容中。矩形結構便于沿平面表面放置光學結構。圓形結構由于可購得圓形基底而很方便。
多芯預成品-光纖多層結構也可用于形成多芯預成品和多芯光纖。這些實施例通常具有延伸通過材料的線性尺寸的光學通道/路徑。多芯光纖可從多芯預成品制得。
具體地，光纖可形成具有多個區(qū)域，每個區(qū)域具有限定的通道或多個芯，用于獨立的傳輸。光纖可從其中具有相應結構的預成品制得。預成品本質上為多層整體結構，在沿光纖被拉出的方向的尺寸上具有所述結構，因此纖維的組成沿其長度近似地一致。通過制造帶有與多個芯相應的結構的預成品，可形成光纖，從而通過模仿器件的結構以簡化光纖和復雜光學器件之間的連接，來與具有多個通道的光學器件相互作用，所述復雜的光學器件例如為具有光學通道的多個集成層的器件。所述纖維為復雜的光學器件提供了更復雜的連接，從而為所述復雜結構提供了更好的使用。
為了形成多芯預成品，可重復形成層和圖案的過程，從而形成帶圖案的預成品，如圖21和22所示。形成圖案的預成品440包括多個嵌入背景包覆材料444中的光通道442。特定的光通道442可由與其它光通道442相同或不同的材料制成。類似地，包覆材料444可由一種或多種材料制成。但是，包覆材料至少與鄰近的光通道的材料不同。在一些實施例中，所有的材料是由摻雜有合適參雜物的SiO2制成，以便形成限定的光通道和包覆材料。光通道的數(shù)目和位置可以變化以形成所需的結構。通常，多芯纖維具有至少3個光學通道/芯，在另外的實施例中至少為5個光學芯，在其它實施例中在約10光芯至約1000光芯的范圍內，在又一些實施例中在約20光芯至約100光芯的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包括在本發(fā)明所公開的內容中。
制造具有多個傳輸通道的光纖的優(yōu)選方法包括形成如圖21和22所示的具有圖案的預成品。與上述的層疊的平面器件不同，預成品是基于所需的所得纖維的結構來設計。形成圖案/層的預成品可利用例如傳統(tǒng)的纖維拉制工藝拉制而成。將預成品加熱到使材料軟化，然后從預成品拉制形成纖維?？蛇x擇預成品結構的尺寸來生產(chǎn)帶有獨立光學通道的光纖，所述光學通道具有基于通過拉制預成品而獲得的光纖的已知尺寸。合適的速率通常在約1米/分鐘至約100米/分鐘的范圍內。合適的拉力在約10克力至約40克力的范圍內。本領域的普通技術人員將會認識到在這些明示范圍內的范圍和子范圍是可預期的，并且包括在本發(fā)明所公開的內容中。拉制導致結構尺寸的減小。溫度、拉力和拉制速率影響所得到纖維的尺寸。在合理的拉制條件下，多芯結構的基礎結構關系在減小尺寸的纖維中得以保持。從預成品拉制纖維光學纜在Ashkin等人的美國專利4630890中有進一步的描述，該專利的名稱為“暴露芯的光纖及其制造方法”，其內容在此引入作為參考。可將纖維拉制成適合于光纖或基于多芯結構的其它便利尺寸的標準尺寸。
在拉制之后，所得到的纖維保持了預成品的結構。具體地，纖維具有通過分隔的芯的隔開的光通道，所述芯可單獨用于傳輸光，而不會與相鄰的芯發(fā)生干涉。拉制之后，纖維具有類似標準光纖的整體結構，具體地，形成圖案的光纖通常是撓性的。
形成圖案的纖維可方便地連接到光學器件上，作為多個光纖連接的替代。由于在從形成圖案的預成品拉制的光纖的結構可以非常小，所以該形成圖案的光纖可以連接到不能方便地與相應光纖連接的結構上。因此，更小的光學器件可以被形成并與形成圖案的光纖單獨接觸。作為具體實施例，形成圖案的光纖可連接到帶有層疊的平面光學電路的多層結構，從而進入通過纖維的芯的單獨的光通道/路徑。單個形成圖案的光纖可替代圖3b中示出的多個光纖，所述多個光纖為Chen等人的美國專利6045888中的光纖，該專利的名稱為“光學容量存儲器”，其內容在此引入作為參考。或者，形成圖案的光纖可用作光學連接器的備選或附加，例如在Keck等人的美國專利4948217中描述的光學耦合器，該專利的名稱為“光學耦合器”，其內容在此引入作為參考。
永久性光學存儲器高存儲量的永久性光學存儲器件使從根本上改變計算機的結構成為可能，具體地個人電腦。具體地，光學存儲器元件可包括多個可執(zhí)行程序。優(yōu)選的光學存儲元件是固定的固態(tài)器件，該器件集成到計算機中的光電網(wǎng)絡內。選擇性訪問程序可以提供所需例行程序的執(zhí)行和選定的操作系統(tǒng)。多維光學存儲器件可由如這里所述的多層光學結構制造。
適合的3維光學數(shù)據(jù)存儲結構例如在Chen等人的美國專利6045888中有描述，該專利的名稱為“光學容量存儲器”，其內容在此引入作為參考(’888專利)。在’888專利中描述的永久性光學存儲器具有大量的獨立可尋址單元，即數(shù)據(jù)元件。這些數(shù)據(jù)元件可用于存儲所關注的程序。由于沿著光線的方向訪問單個數(shù)據(jù)元件，以讀取數(shù)據(jù)元件，該永久性光學存儲器可不用移動部件來訪問?？衫弥丿B光束，或利用空間光調制器來訪問所述數(shù)據(jù)元件，在空間光調制器中，每個數(shù)據(jù)元件與受控的調制像素聯(lián)系。在備選實施例中，存儲媒體，例如盤等、或聚焦元件移動以在光學數(shù)據(jù)元件上聚焦光線。
在優(yōu)選實施例中，永久性光學存儲器用于存儲多個計算機程序。適合的程序包括例如操作系統(tǒng)、文字處理軟件、擴展表、制圖程序、通訊程序、游戲等。這些程序能夠可選擇性地被訪問。
在特別優(yōu)選的實施例中，通過連接器，將永久性光學存儲器聯(lián)接在連接器的主插件板上。永久性存儲器可從連接器上去除，以便用不同的存儲器件替換。例如，可全程升級存儲在光學存儲器件上的程序。替換光學存儲器件也可包括程序選擇的消除和/或附加。
存儲在光學存儲器上的程序可利用激活值鎖定?；谡_的許可和/或激活值限制訪問。訪問的類似限制可以寫入各種軟件程序中。例如，目前可在互聯(lián)網(wǎng)上獲得的一些軟件可被下載，但沒有訪問密碼無法運行。
利用訪問密碼為單個光學存儲器件上的大量軟件的存儲提供了局限于軟件一部分的訪問。在具體的優(yōu)選實施例中，光學存儲器件可包括可從硬件獲得的軟件的全部或者大部分。用戶于是通過鍵入正確的訪問密碼而訪問該用戶得到許可的軟件?？呻S后通過獲得正確的訪問密碼而訪問另外的軟件?？赏ㄟ^替換永久性光學存儲器件而進行全程升級。除了永久性光學存儲器之外，可利用傳統(tǒng)的易失性存儲器或其它永久性存儲器來訪問另外的軟件。在優(yōu)選實施例中，除了隨機存儲器(RAM memory)，單個的個人電腦將沒有硬盤驅動存儲器或其它易失性存儲器。具體地，所有可執(zhí)行碼優(yōu)選地將在光學存儲器件中找到。雖然工作結果可存儲在與該計算機相關連的其它易失性存儲器或永久性存儲器，例如小盤驅動器(small disc drive)上或固態(tài)存儲器，但工作結果可優(yōu)選地存儲在中央服務器或其它網(wǎng)絡服務器上，例如互聯(lián)網(wǎng)服務器上。
使用永久性光學存儲器來存儲程序會導致永久性存儲器與諸如硬盤驅動器的易失性存儲器相比從不重要的角色逆轉成易失性存儲器擔當小角色的中心角色。由于對永久性存儲器的快速訪問，使用多個永久性固態(tài)集成存儲器提供了計算機的幾乎瞬時啟動。高速永久性存儲器替代大部分的存儲容量，可更快地訪問大量的信息。
如這里所使用的，術語“在…范圍內”或“在…之間”包括的范圍由在術語“在…范圍內”或“在…之間”中的數(shù)值所限定，而且包括包含在該范圍中的任何和所有子范圍，其中，每個這樣的子范圍被限定成具有作為第一端點的、在該范圍中的任一數(shù)值，和作為第二端點的、在該范圍中的任一值。
上述實施例為示例性的，而不是限制性的。其它實施例在本發(fā)明后附的權利要求的范圍中。雖然本發(fā)明是參照具有的實施例加以說明，但本領域的技術人員將會認識到，在不脫離本發(fā)明的實質和范圍的同時，可作形式和細節(jié)上的變化。
權利要求
1.一種整體光學結構，包括多個層，每個層具有限定在該層的一部分中的隔離的光學路徑。
2.如權利要求1所述的整體光學結構，還包括包含非光學材料的基底。
3.如權利要求2所述的整體光學結構，其中，所述基底包含硅。
4.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，所述多個層包括至少3層。
5.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，所述多個層包括至少5層。
6.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，所述多個層包括至少10層。
7.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，所述隔離的光學路徑包括具有與包覆材料的折射率不同的折射率的光學材料，所述包覆材料圍繞所述整體光學結構中的隔離的光學路徑。
8.如權利要求7所述的整體光學結構，其中，在至少一個所述隔離光學路徑處的光學材料包括第一種摻有參雜物的氧化硅。
9.如權利要求8所述的整體光學結構，其中，所述包覆材料包括第二種摻有參雜物的氧化硅。
10.如權利要求7所述的整體光學結構，其中，在至少一個所述隔離光學路徑處的光學材料包括晶體光學材料。
11.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，每層具有不大于約250微米的厚度。
12.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，每層具有從約3微米至約100微米的厚度。
13.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，每層具有從約4微米至20微米的厚度。
14.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，至少一層包括多個隔離的光學路徑。
15.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，至少一個所述隔離的光學路徑包括集成光學電路，該集成光學電路包括多個由于存在具有不同光學特性的光學材料而可相互區(qū)分的光學器件。
16.如權利要求15所述的整體光學結構，其中，所述多個光學器件包括光電器件。
17.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，至少一個所述隔離的光學路徑包括具有近似均勻組分的光學芯，該光學芯延伸通過所述結構的一個線性尺寸。
18.如權利要求1所述的整體光學結構，其中，多個層包括至少約10個隔離的光學路徑，每個光學路徑包括具有近似均勻組分的光學芯，該光學芯延伸通過所述結構的一個線性尺寸。
19.一種形成整體光學結構的方法，所述方法包括使結構多次通過產(chǎn)品微粒的流動流穿行，其中，產(chǎn)品微粒的組分在所述穿行之間改變，并且，產(chǎn)品微粒形成多層，每一層具有固化后的光學材料，同時所述多個層具有在該層的部分中限定的隔離的路徑。
20.如權利要求19所述的方法，其中，微粒流的橫截面的特征在于其長軸和短軸，且長軸至少是短軸的2倍。
21.如權利要求20所述的方法，其中，長軸至少為短軸的5倍。
22.如權利要求20所述的方法，其中，長軸足夠得長，進而產(chǎn)品流同時沿著橫過所述結構延伸的整個線尺寸涂敷所述結構，因而，在一次線性通過所述產(chǎn)品物流時即可沉積所述結構的整個涂層。
23.如權利要求19所述的方法，其中，所述微粒流在由聚焦輻射束驅動的反應中形成，所述輻射束與流動的反應物流相交。
24.如權利要求23所述的方法，其中，所述流動的反應物流包括氣溶膠。
25.一種撓性光纖，該光纖具有多個獨立的光通道，所述光通道包括沿光纖的長度方向延伸的芯光學材料。
26.如權利要求25所述的光纖，其中，所述多個獨立的光通道包括至少三個獨立的光通道。
27.如權利要求25所述的光纖，其中，所述芯光學材料包括摻有參雜物的氧化硅。
28.一種用于形成光纖的方法，包括在將預成品加熱到軟化溫度的同時，拉制已經(jīng)形成有圖案/分層的預成品，從而形成光纖，該光纖具有包括芯光學材料的、多個獨立的光通道。
29.如權利要求28所述的方法，其中，所述光纖的拉制以從約1米/分鐘至約100米/分鐘的速率進行。
30.如權利要求28所述的方法，其中，所述光纖的拉制在從約10克力至約40克力的拉力下進行。
31.如權利要求28所述的方法，其中，所述多個獨立的光通道為至少5個獨立的光通道。
32.一種用于形成結構的方法，該結構具有至少三個微粒涂層，每個涂層至少覆蓋基底表面的一部分，所述方法包括通過在不超過大約1分鐘的時間內將基底移動通過微粒流三次，至少將微粒流的一部分沉積到基底上。
33.如權利要求32所述的方法，其中，至少一個微粒涂層具有與其它兩個微粒涂層不同的組分，并且，在基底通過微粒流的移動之間改變微粒流的組分。
34.如權利要求32所述的方法，其中，所述沉積速率至少約為10g/hr。
35.如權利要求32所述的方法，還包括使流動的反應物流反應以形成微粒流。
36.如權利要求35所述的方法，其中，反應物流具有垂至于傳播方向的橫截面，其特征在于長軸和短軸，所述長軸至少為所述短軸的兩倍。
37.如權利要求35所述的方法，其中，反應由輻射束驅動，并且，反應物流沿著輻射束的傳播方向伸長，以便在基底相對移動的同時產(chǎn)生微粒線，該基底掠過橫過基底的產(chǎn)品微粒線的至少一部分。
38.如權利要求35所述的方法，其中，所述反應由光束驅動。
39.如權利要求32所述的方法，其中，微粒的沉積包括以至少約0.1厘米/秒的速率相對產(chǎn)品微粒流移動基底。
40.如權利要求32所述的方法，其中，微粒的沉積包括以從約1厘米/秒至約30厘米/秒的速率相對產(chǎn)品微粒流移動基底。
41.如權利要求32所述的方法，其中，所述在大約不超過15秒的時間內進行三個微粒涂層的沉積。
42.如權利要求32所述的方法，其中，所述在大約不超過9秒的時間內進行三個微粒涂層的沉積。
43.如權利要求32所述的方法，其中，所述至少3個微粒涂層包括至少5個微粒涂層，并且該方法還包括通過在不超過大約1分鐘的時間內將基底移動通過微粒流5次，從而至少將微粒流的一部分沉積到基底上。
44.如權利要求32所述的方法，還包括將所述三個微粒涂層固化成三個具有不同光學特性的光學材料層。
45.如權利要求44所述的方法，其中，在沉積所述三個層之后進行三個微粒涂層的固化。
46.如權利要求44所述的方法，其中，所述三個微粒涂層的固化在至少兩個加熱步驟中進行，而至少一個加熱步驟先于完成三個微粒涂層的沉積而進行。
47.一種光纖預成品，包括多個光學材料層，該光學材料形成延伸通過所述結構的一個線性尺寸的多個隔離的光學路徑。
48.如權利要求47所述的光纖預成品，其中，多個隔離的光學路徑位于不同的層上。
49.如權利要求47所述的光纖預成品，其中，多個隔離的光學路徑位于一層上。
50.如權利要求47所述的光纖預成品，其中，多個隔離的光學路徑形成延伸通過該預成品的一個線性尺寸的二維陣列，所述預成品帶有多個具有多個隔離光學路徑的層。
51.一種計算機，包括存儲多個程序的永久性光學存儲器，所述程序是可選擇性訪問的。
52.一種操作計算機的方法，該方法包括從永久性光學存儲器中選擇程序，以及執(zhí)行該程序，所述永久性光學存儲器包含多個程序。
全文摘要
一種整體的光學結構，包括多個層，每個層具有限定在部分層中的隔離的光學路徑。所述整體的光學結構可用作光纖預成品?？蛇x地或另外地，整體的光學結構可包括在所述結構的一個或多個層中的集成光學電路?？赏ㄟ^使基底多次通過流動的微粒流穿行而形成所述整體的光學結構。在固化之后，沉積的微粒形成光學材料。撓性光纖包括沿著光纖的長度方向延伸的多個獨立的光通道。所述纖維可從合適的預成品拉制。
文檔編號B32B9/04GK1531480SQ01820305
公開日2004年9月22日 申請日期2001年10月26日 優(yōu)先權日2000年10月26日
發(fā)明者邁克爾·A·布賴恩, 邁克爾 A 布賴恩, 畢向欣 申請人:內諾格雷姆公司