本發(fā)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異微光學部件的三維光子器件的方法。

背景技術：
在制造包括若干相異微光學部件的三維光子器件時，微光學部件相互越不相同，就越難以以高效和可靠方式在單個器件中集成它們。實際上，具有自由空間微光學部件和微機械結(jié)構(gòu)的光學波導的集成是主要技術問題，因為必須實現(xiàn)高定位精度、成本效率、高產(chǎn)量和可靠性。集成方案也應當與多種光學和機械設計兼容。與這些條件匹配的方法可以為片上模式的工程、光學部件與平面內(nèi)和平面外部件的低損耗耦合以及用于封裝的精確對準鋪路。經(jīng)常使用混合集成以便封裝具有透鏡、鏡和對準結(jié)構(gòu)的波導。這一方式的主要缺點是由于附加組裝步驟所致的增加成本以及有限定位精度。單片集成可以潛在地解決這些問題。然而不存在用于單片集成三類元件、即導波光子器件、自由空間微光學部件和微機械結(jié)構(gòu)的任何通用方法。即使專用單片集成方法也未滿足上文提到的嚴格要求。根據(jù)例如在申請US2007/0116409A1中描述的第一種現(xiàn)有技術，由形成特殊折射率分布的多層構(gòu)成的梯度折射率(GRIN)透鏡可以與平面波導集成。然而GRIN透鏡的制作由于需要具有良好控制的折射率的若干層而要求高。根據(jù)例如在“L.Y.Lin等人的IEEEPhoton.Technol.Lett.6.1445-1447(1994)”的參考文章中描述的第二種現(xiàn)有技術，可以使用硅微加工來制作三維集成微透鏡，但是這一技術僅與基于硅的材料系統(tǒng)兼容。根據(jù)例如在“F.E.Doany等人的IEEETrans.Adv.Packag.32，345-359(2009)”的參考文章中或者在“A.L.Glebov等人的IEEEPhoton.Technol.Lett.17，1540-1542(2005)”的參考文章中或者在“C.Choi等人的J.LightwaveTechnol.22，2168-2176(2004)”的參考文章中或者在“M.Kagami等人的J.LightwaveTechnol.19，1949-1955(2001)”的參考文章中或者在“T.Yoshimura等人的J.LightwaveTechnol.22，2091-2100(2004)”的參考文章中描述的第三種現(xiàn)有技術，包括激光燒蝕、切分(dicing)、刀片切割(cutting)、反應離子蝕刻和傾斜曝光的若干方法已經(jīng)用來在聚合物波導中制作平面外鏡。然而這些方法限于制作傾斜平面鏡。根據(jù)例如在申請US7,092,602B2中或者在申請US2003/0215187A1中描述的第四種現(xiàn)有技術，報導了襯底上的用于對準光纖與波導的槽。然而具有微米級精度的槽的制作對于一些襯底材料是不可能的。根據(jù)例如在申請US2009/0218519A1中描述的第五種現(xiàn)有技術，也已經(jīng)提出基于兩光子吸收的折射率改變作為用于制作光學器件的方法。然而由于低折射率對比度，用這一方法僅能實現(xiàn)有限光學功能。根據(jù)例如在申請2010/0142896A1中或者在N.Lindenmann等人的OpticalFiberCommunicationConference，2011，PaperPDPC1”的參考文章中或者在可以在互聯(lián)網(wǎng)地址“http://www.eduprograms.seas.harvard.edu/reu05_papers/Barker_Krysta1.pdf＞＞發(fā)現(xiàn)的文獻中描述的第六種現(xiàn)有技術，存在使用兩光子吸收的其它制造方法。但是這一現(xiàn)有技術裝配部件并且以后通過在這些部件之間直射激光寫入波導來連接它們。根據(jù)例如在“Q.-D.Chen等人的CLEO/PacificRimConference，2009，1-2”的參考文章中描述的第七種現(xiàn)有技術，存在使用兩光子吸收制造個別光學元件、比如菲涅耳透鏡的方法。但是如果將兩光子吸收用于在聚合物上制作光學元件本身是已知的，則先前引用的現(xiàn)有技術文獻都未提供用于以高效和可靠方式構(gòu)建復雜光學三維結(jié)構(gòu)的基于兩光子吸收的解決方案。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的一個實施例的第一方面涉及一種根據(jù)包括若干制造階段的工藝流程制造三維光子器件的方法，該方法包括：在所述工藝流程的相同制造階段，由涉及到通過兩光子吸收來聚合的直射激光寫入來制作至少兩個相異微光學部件；其中所述至少兩個相異微光學部件：集成于三維光子器件內(nèi)；具有相應光學功能；并且相互對準，從而能夠從所述相異部件中的一個部件向所述相異部件中的另一部件傳輸光學信號。本發(fā)明的一個實施例的第一備選方面涉及一種在包括若干階段的工藝流程內(nèi)制造集成至少兩個相異微光學部件的三維光子器件的方法，這些階段包括涉及到通過兩光子吸收來聚合的直射激光寫入，這些微光學部件分別具有兩個光學功能并且相互對準，從而能夠從所述相異部件中的一個部件向另一部件傳輸光學信號，其中由涉及到通過兩光子吸收來聚合的所述直射激光寫入在所述工藝流程的相同階段構(gòu)建所述相異部件以便提高它們的相對對準。在一些實施例中，所述相異部件中的至少一個部件呈現(xiàn)沿著所述三維導波光子器件的厚度方向的凹形狀。在一些實施例中，通過混合直射激光寫入來執(zhí)行所述制造，混合直射激光寫入包括用于執(zhí)行涉及到通過兩光子吸收來聚合的所述直射激光寫入以構(gòu)建三維部件的第一光束和用于執(zhí)行涉及到通過一光子吸收來聚合的另一直射激光寫入以構(gòu)建二維部件的與所述第一光束相異的第二光束，兩個所述光束均適于被交替地使用。在一些實施例中，涉及到通過兩光子吸收來聚合的所述直射激光寫入的光在可見光和/或紅外線范圍中，并且其中涉及到通過一光子吸收來聚合的所述直射激光寫入的光在紫外線范圍中。在一些實施例中，所述相異部件中的至少一個部件是適于僅在從或者向所述相異部件中的另一部件之間傳輸光學信號的無源波導。在一些實施例中，所述無源波導適于僅在所述相異部件中的兩個其它部件之間傳輸光學信號。在一些實施例中，所述三維光子器件包括適于僅從或者向所述相異部件中的另一部件傳輸光學信號并且已經(jīng)通過基于掩模曝光的光刻來制造的至少一個無源波導。在一些實施例中，所述相異部件中的至少一個部件是微透鏡和/或所述相異部件中的至少一個部件是鏡和/或所述相異部件中的至少一個部件是復用器和/或所述相異部件中的至少一個部件是耦合器和/或所述相異部件中的至少一個部件是分路器和/或所述相異部件中的至少一個部件是偏振控制器和/或所述相異部件中的至少一個部件是放大器和/或所述相異部件中的至少一個部件是檢測器和/或所述相異部件中的至少一個部件是錐體和/或所述相異部件中的至少一個部件是凹陷。在一些實施例中，所述三維光子器件集成至少一個導波微光學部件和至少一個自由空間微光學部件和至少一個微機械結(jié)構(gòu)。在一些實施例中，該制造方法包括優(yōu)選地相繼：在襯底上沉積膜；涉及到通過兩光子吸收來聚合的所述直射激光寫入并且優(yōu)選地涉及到通過一光子吸收來聚合的備選直射激光寫入；去除未曝光的材料。在一些實施例中，執(zhí)行所述沉積、激光寫入和去除若干次以構(gòu)成若于對應層。本發(fā)明的一個實施例的第二方面涉及一種由涉及到通過兩光子吸收來聚合的直射激光寫入來制造至少一個微光學部件的方法，至少一個微光學部件優(yōu)選地是導波微光學部件、集成于三維光子器件中并且呈現(xiàn)沿著所述三維光子器件的厚度方向的凹形狀。在一些實施例中，一種包括計算機可讀介質(zhì)的計算機程序產(chǎn)品，計算機可讀介質(zhì)上具有包括程序指令的計算機程序，計算機程序可加載到數(shù)據(jù)處理單元中并且適于在計算機程序由數(shù)據(jù)處理單元運行時使得執(zhí)行該制造方法。本發(fā)明的一個實施例的第三方面涉及一種集成至少兩個相異微光學部件的三維光子器件，這些微光學部件分別具有兩個光學功能并且相互對準，從而能夠從所述部件之一向另一部件傳輸光學信號，其中在由涉及到通過兩光子吸收來聚合的直射激光寫入來制造的相同單片結(jié)構(gòu)中嵌入所述相異部件。本發(fā)明的一個實施例的第四方面涉及一種集成至少一個微光學部件的三維光子器件，至少一個微光學部件呈現(xiàn)沿著所述三維光子器件的厚度方向的凹形狀，其中已經(jīng)由涉及到通過兩光子吸收來聚合的直射激光寫入來制造所述部件。先前在一些實施例中呈現(xiàn)的所有特征可以組合在一起(全部或者它們的部分組合在一起)并且可以與本發(fā)明的一個實施例的第一方面至第四方面中的任何方面關聯(lián)。另外，本發(fā)明的更多特征和優(yōu)點將從參照下文列舉的附圖作為非限制示例給出的對本發(fā)明的實施例的下文描述中顯現(xiàn)。附圖說明圖1示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第一步驟。圖2示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第二步驟。圖3示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第三步驟。圖4示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第四步驟。圖5示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第五步驟。圖6示出本發(fā)明的一個實施例的第一非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。圖7示出本發(fā)明的一個實施例的第二非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。圖8示出本發(fā)明的一個實施例的第三非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。圖9示出本發(fā)明的一個實施例的第四非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。圖10示出本發(fā)明的一個實施例的第五非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。圖11示出本發(fā)明的一個實施例的第六非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。圖12示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出適合用于執(zhí)行涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法的混合激光裝置。具體實施方式圖1至12將示出使用低成本和時間高效制造方法來單片集成導波微光學部件、自由空間微光學部件和微機械結(jié)構(gòu)的方法的執(zhí)行以及通過這一制造方法獲得的一些三維光子器件的部分和用于執(zhí)行這一制造方法的混合激光裝置。這一制造方法包括多種材料的有選擇性和無選擇性沉積、運用一光子和兩光子激光寫入的混合直接圖案化以及化學材料去除。使用這一制造方法可以提供如下優(yōu)點、比如獲得可以單片集成的具有廣泛范圍折射率和機械設計的三維元件。三維光子器件的更好單片集成也將促成更低對應封裝成本。此外，在使用混合激光寫入裝置時，處理速度將不會顯著低于常規(guī)平面器件制造方法的處理速度。另外，所有集成的元件相互自對準而無附加組裝步驟。這一制造方法與現(xiàn)有方法相比不僅能夠單片集成顯著更廣范圍的元件而且可以賦予很高的定位精確性、成本效率、產(chǎn)量、光學和機械性能以及對所使用的襯底類型的不敏感性。圖1示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第一步驟。三軸坐標系x、y和z(由于與附圖的平面垂直而未表示軸x)可以用來作為三維光子器件的參照，該三維光子器件的均平面平行于平面xz并且該三維光子器件的厚度沿著方向y。也在圖6和10上反復示出這一個三軸坐標系x、y和z。首先，部分沉積下包層1和2。例如使用噴墨印刷、旋涂或者刮刀來沉積這些下包層1和2為單種或者多種材料的膜。圖2示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第二步驟。第二，部分沉積將形成波導芯和其它微光學部件(例如透鏡、鏡和球)的材料。將通過單光子曝光處理材料3，而將通過兩光子曝光處理材料4。如果必要則可以實施有選擇性沉積。以這一方式，可以在相同級上或者在不同級上沉積針對一光子和兩光子圖案化而優(yōu)化的材料以及具有不同折射率和厚度的材料。圖3示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第三步驟。有對材料3的一光子曝光，這些材料這樣通過一光子吸收激光寫入光束5聚合。也有對材料4的兩光子曝光，這些材料這樣通過兩光子吸收激光寫入光束6聚合?？梢妰H能在待制造的光子器件的均平面中移動一光子吸收激光寫入光束5。也可見不僅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動兩光子吸收激光寫入光束6。因此，兩光子吸收激光寫入光束6賦予比一光子吸收激光寫入光束5寬得多的關于圖案化復雜度的可能性。一光子吸收激光寫入光束5繼而賦予比兩光子吸收激光寫入光束6更高的制造速度。使用它們二者增添兩個優(yōu)點，因為它允許在具有高單片結(jié)構(gòu)集成級的單個三維光子器件的相同制造過程中在需要復雜圖案制造時使用兩光子吸收激光寫入光束6以及在需要更簡單、但是更快圖案制造時使用一光子吸收激光寫入光束5。在工藝流程的相同階段通過混合直射激光寫入來圖案化需要高相對定位精度的集成部件和結(jié)構(gòu)。事實上，用兩光子吸收激光寫入圖案化具有三維特征的結(jié)構(gòu)，而用一光子吸收激光寫入定義無需三維圖案化的結(jié)構(gòu)、例如通道波導。圖4示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第四步驟。在激光寫入之后去除未曝光的材料，這些材料為非必需材料。微光學部件這樣獲得它們的最終形狀。圖5示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的三維光子器件制造方法的第五步驟。余留的腔現(xiàn)在由包層材料2填充?？梢酝ㄟ^重復先前關于圖1至5所描述的步驟來堆疊多個圖案化或者未圖案化的材料層以便獲得集成若干微光學部件的三維光子器件這一最終產(chǎn)品，這些微光學部件由于已經(jīng)在工藝流程的相同階段期間通過用于更復雜圖案的兩光子吸收激光寫入來聚合而呈現(xiàn)提高的相對對準。圖6、7、8和9示出單片集成的波導和自由空間微光學部件的示意輪廓，而圖10和11示出單片集成的波導和微機械元件的示意輪廓。圖6示出本發(fā)明的一個實施例的第一非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。從微透鏡41間隔開通道波導3。通道波導3與微通道41良好對準。圖7示出本發(fā)明的一個實施例的第二非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。全內(nèi)反射微鏡42擴展通道波導3。通道波導3與微鏡42良好對準。圖8示出本發(fā)明的一個實施例的第三非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。有透鏡的全內(nèi)反射微鏡43擴展通道波導3。通道波導3與有透鏡的全內(nèi)反射微鏡43良好對準。圖9示出本發(fā)明的一個實施例的第四非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。二維錐44擴展通道波導3。通道波導3與二維錐44良好對準。圖10示出本發(fā)明的一個實施例的第五非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。這里，在包層2中嵌入若干芯波導3。芯波導3的每側(cè)上定位有集成槽45。與芯波導3良好對準那些集成槽45。圖11示出本發(fā)明的一個實施例的第六非限制示例，該示例示出涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法制造的三維光子器件的部分。這里，在包層2中嵌入若干芯波導3。芯波導3的每側(cè)上定位有集成半球46。與芯波導3良好對準那些集成半球45。圖12示出本發(fā)明的一個實施例的非限制示例，該示例示出適合用于執(zhí)行涉及到通過兩光子吸收來聚合的制造方法的混合激光裝置。整個混合激光寫入裝置10包括兩個主要曝光系統(tǒng)11和12。曝光系統(tǒng)11產(chǎn)生一光子吸收激光束13。曝光系統(tǒng)12產(chǎn)生兩光子吸收激光束14。激光束，不論是一光子吸收激光束13或者是兩光子吸收激光束14，可以會聚在位于臺8上的樣本7上。在圖12上是一光子吸收激光束13聚焦于樣本7上。有可能從一個激光束切換成另一激光束，從而將是兩光子吸收激光束14在樣本7上。以用于維持精確定位的方式安裝用于一光子吸收和兩光子吸收激光寫入的曝光系統(tǒng)。(為了清楚而在圖12中未表示的)快門控制不同曝光系統(tǒng)的定時。(為了清楚而在圖12中未表示的)嵌入的高度測量系統(tǒng)維持由一光子和兩光子曝光系統(tǒng)11和12定義的元件之間的豎直對準。產(chǎn)生一光子吸收激光束13的曝光系統(tǒng)11包括輸入18、第一透鏡15、針孔16、第二透鏡17和輸出19。在曝光系統(tǒng)11中，一光子吸收激光束13從(為了清楚而在圖12中未表示的)激光源發(fā)出、進入輸入18、然后在離開輸出19之前相繼經(jīng)過聚焦它的第一透鏡15、擴展它的針孔16、再次聚焦它的第二透鏡17以準備好聚合樣本7的部分。一光子吸收激光束13的光優(yōu)選地在紫外線的譜范圍中。一光子吸收激光束13的移動速度可以相當高、例如在每秒約100毫米以上。產(chǎn)生兩光子吸收激光束14的曝光系統(tǒng)12包括輸入21、第三透鏡20和輸出22。在曝光系統(tǒng)12中，兩光子吸收激光束14從(為了清楚而在圖12中未表示的)激光源(優(yōu)選地從脈沖式激光源)發(fā)出、進入輸入21并且在離開輸出22之前經(jīng)過聚焦它的第三透鏡20以準備好聚合樣本7的部分。兩光子吸收激光束14的光優(yōu)選地在可見光的和/或紅外線的譜范圍中。兩光子吸收激光束14具體適合和專用于具有復雜和任意幾何形狀的微光學部件。分辨率可以精確到例如80納米。這一多光子光刻技術用于在光敏材料中創(chuàng)建小特征而未使用復雜光學系統(tǒng)或者光掩模。通過掃描并且恰當?shù)卣{(diào)制激光，在激光的焦斑處出現(xiàn)通常為聚合的化學改變并且可以被控制以創(chuàng)建周期性或者非周期性的任意三維圖案。由于兩光子吸收是可以比線性吸收弱若干數(shù)量級的三階非線性過程，所以可能需要相當高強度。密集聚焦的激光束可以提供所需強度。脈沖式激光源將優(yōu)選用于兩光子吸收，因為它可以在沉積相對低的平均能量之時遞送高強度脈沖。已經(jīng)參照優(yōu)選實施例描述本發(fā)明。然而許多變化在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可能的。