CN1692291A - 精密相位延迟装置和其制造方法 - Google Patents

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CN1692291A
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安格·尼科洛夫
王建
邓学工
张伟
格列格·布隆德尔
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Abstract

本发明揭示了一种具有小于约10微米的大体上均匀的厚度并且适用于在约为中心波长的波长范围内进行操作的双折射装置。所述装置包括：一个基底基板；一个交替折射指数的周期性指数区域层，其贴于所述基底基板的第一表面，和一个顶盖基板，其设置于大体上邻近于在所述基底基板的远侧的层。所述周期性指数区域层具有小于中心波长的周期性。所述装置适用于产生在0π与2π相位之间的任意相位延迟。

Description

精密相位延迟装置和其制造方法
技术领域
本发明一般涉及适用于使电磁辐射偏振的光学组件。
背景技术
传播平面波电磁辐射由两个呈正交偏振的分量组成一指定为横向电场和横向磁场。在很多申请案中，可能需要或希望独立控制横向电场(TE)偏振和横向磁场(TM)偏振的振幅和相对相位。例如，基于偏振状态而变化的装置性能可以提供多功能光电子装置。
双折射是一种用来将电磁辐射分为其两个分量的材料的特性，且其可于在不同方向上(常常为正交)具有两个不同折射指数的材料中发现，所述折射指数称为 和n||(或np和ns)。即，进入某些透明材料(诸如，方解石)的光线分裂成两个以不同速度传播的光束。双折射也通称为重折射。双折射可用来分离两个正交偏振，借此允许所述装置独立地操作每个偏振。例如，仅举非限制性实例，可将偏振用于提供增加/下降能力、对入射辐射进行光束分离或进行滤光。可由形成晶体的分子的各向异性电特性而产生双折射。另外，可通过形成三维结构的图案而产生双折射。
各向异性材料在诸如六角形(诸如，方解石)、四角形和三角形晶体类的某些晶体中自然地显示出双折射，所述晶体的特征一般在于具有唯一的一个对称轴，称为光轴，其对晶体内光束传播强加了限制。传统上使用三种材料来生产偏振组件一方解石、石英晶体和氟化镁。
尽管方解石是一种相当软的晶体且容易被划刻，但是因为方解石具有高的双折射率和广的光谱透射，所以一般来说，在双折射应用中，相对于其它天然存在的材料而言其普遍为优选材料。方解石的双折射率一般为约0.172。
石英是另一种经常使用的双折射材料，其以天然晶体或合成刚玉而获得。天然和合成石英均显示出低波长截止—天然石英从220nm透射，而合成刚玉从190nm透射—且两者均对红外线透射。石英很硬并且很坚固，借此使得能够制造很薄的低阶延迟板(low order retardation plate)。与方解石或氟化镁不同，石英显示出旋光性，并且不存在普通光束和非常光束以相同速度在一个折射指数下可以沿其传播的单向(光轴)。相反，光轴是使得两个指数最接近的方向：当相对的两个被循环偏振的光束在传播时，一个光束沿所述光轴传播。这产生了一个入射平面偏振光束的渐进性旋光度，可将其效果用于旋转体中。石英的双折射率约为0.009。
因为单晶体氟化镁具有较广的光谱透射，所以其是生产偏振器的另一种有用材料。单晶体氟化镁的双折射率约为0.18。
也称为延迟器的波形板延迟入射到其上的光的两个正交偏振分量中的一个。在光学组合中使用波形板以改变光的相位。波形板一般是对称的，且其在一个轴中具有不同于其它的折射指数。沿着快轴或光轴偏振的光比垂直于此轴而偏振的光所遇到的折射指数要小。光的所述两个正交分量横穿过所述波形板并不断获得大部分材料内的相位差，其中所述两个分量中的一个分量沿着光轴偏振，且一个分量垂直于所述轴而偏振。对于具有1/2或1/4波延迟的波形板而言，所述两个正交分量将显现出π或π/2的相位差。在半波形板的情况下，与所述光轴成Θ角度的被入射偏振的光旋转了角度2Θ。对于与所述光轴成45°角取向的入射偏振而言，四分之一波形板导致被线性偏振的光变成被循环偏振。波形板的特征在于被定义为将通过其来操作装置的波长范围的频宽和阶数。零阶波形板一般具有最大的频宽且结果在要求波长调谐或多路传输、组合具有大体上不同波长的应用中是优选的波形板。
发明内容
本发明揭示了一种具有小于约10微米的大体上均匀的厚度并且适用于在约为中心波长的波长范围内进行操作的双折射装置。所述装置包括：一个基底基板；一个交替折射指数的周期性指数区域层，其贴于所述基底基板的第一表面，所述层具有小于中心波长的周期性；和一个顶盖基板，其设置于大体上邻近于在所述基底基板的远侧的层，其中所述装置适用于产生在0与2π相位之间的任意相位延迟。
附图说明
通过考虑本发明优选实施例的以下详细描述并结合附图，可便于理解本发明，其中类似数字指示类似部分，并且其中：
图1A说明了根据本发明的一个方面的双折射装置；
图1B说明了根据本发明的一个方面的图1A的双折射装置的周期区域的顶视图；
图2说明了根据本发明的一个方面的图1A的装置的不同填充率的双折射率与折射指数之间的关系；
图3说明了根据本发明的一个方面的图1A的装置的不同填充率的厚度相关性与折射指数之间的关系；
图4说明了根据本发明的一个方面的图1A的装置的不同折射指数的双折射率与次波长结构周期之间的关系；
图5说明了根据本发明的一个方面的图1A的装置的不同折射指数与周期的绝对延迟与次波长结构深度之间的关系；
图6说明了根据本发明的一个方面的图1A的双折射装置的一个堆叠；
图6A说明了根据本发明的一个方面的图1A的双折射装置的一个倾斜堆叠；
图7说明了根据本发明的一个方面被用作双折射波形板的图1A的双折射装置；
图8说明了根据本发明的一个方面每个偏振穿过一个未经补偿的四分之一波形板的透射；
图9说明了根据本发明的一个方面每个偏振穿过一个经防反射补偿的四分之一波形板的透射；
图10A-10C说明了根据本发明的一个方面的像素排列好的双折射装置。
具体实施方式
应了解，为清晰地理解本发明，本发明的附图和说明已被简化以说明相关的元件，同时为清晰起见排除了很多其它在典型光子组件中发现的元件和用于制造这些元件的方法。所属领域的普通技术人员可认识到在实施本发明的过程中需要和/或要求其它元件和/或步骤。然而，因为所述元件和步骤在本领域中是熟知的，且因为其不利于更好地理解本发明，所以本文中不提供对所述元件和步骤的论述。本文中的揭示内容针对于所属领域的技术人员所知的对于所述元件和方法所作的所有所述变化和修改。
根据本发明的一个方面，如果所述结构小于相关波长，那么被配置成三维结构的纯各向同性材料可用于产生比分子大的结构中的形状双折射。通过精确控制所述三维零件的几何形状和材料，形状双折射结构可提供修整所述双折射量值的能力。亦可允许操纵双折射率比天然双折射材料高得多的层。此可允许以形状双折射结构为基础而制造的光学组件以比另外可行的物理上更小的材料体积达到目标、延迟、相位补偿或波前操作。如本文中所呈现的形状双折射结构可允许沿着某个传播方向以一个梯度操纵双折射，借此提供沿着那个方向具有改变的量值的双折射。所述分度双折射实际上不存在且其可用于操纵新颖的光学相位操作设计。所提议的用于精密相位操作结构的方法也可以允许光学材料沉积有分段的双折射层，或像素化有被沉积于一个平面上的不同双折射率的区域。可通过双折射量值或主光轴取向来改变这些区域。
本发明的优点可包括无需精确抛光来制造具有任一目标延迟或阶数的精密波形板。对于天然双折射波形板而言，需要精确抛光来获得适当的材料厚度。对于形状双折射而言，通过精确控制结构大小来达到相位控制。可通过利用能达到精确度在数毫微米内的半导体制造技术来达到此控制，所述精确度对应于一个波长的第数百个波形板延迟容差。
根据本发明的一个方面，可以提供一种用于产生自始至终从UV(紫外线)到远红外线光谱的零阶波形板的高级方式。基本上，对于所有波长而言，可以通过选择周期(零阶衍射)、选择材料、最优化工作循环、填充率和最优化光栅深度来应用一个设计原理。
根据本发明的一个方面，呈现了一种用于零阶和多阶波形板的制造方法，其中：可使用任意基板，包括诸如深红色的光学旋光性材料(光学旋转体)；可将所述波形板应用到基板的一侧或两侧；可将所述波形板应用到介电或金属反射镜的顶部或下部。另外，通过适当选择介电材料来制造波形板，其厚度可保持为数微米以用于0与π相位之间的任意延迟。另外，因为具有所述较小厚度，所以所述波形板可为晶圆制造的光学组件的集成光学子组合中的一个标准件。所述组合的实例包括(但不限于)堆叠波形板与偏振器、波形板与一个偏振分束器、波形板与偏振光束组合器、波形板与一个滤光器的组合。另外，由于波形板具有较小的厚度，所以其可沉积于块状光学组件上，诸如透镜或晶体。并且，其可用于相位或像差补偿。
同样，所述波形板可包括一个双折射区域，其通过周期性交替高/低折射指数之三维零件、且形成下方的光层和上方的涂覆光层而制得。同样，所述双折射区域可由交替介电和空气带制成，或可为一个由两种具有不同折射指数的交替材料制成的填充结构。所述材料的折射指数之间的更高对比度可给予更高的双折射率。
所述双折射区域可由一种具有固定折射指数的材料和一种具有可调折射指数的材料的光栅建成。此种材料可为(但不限于)安置并配置于第一材料的光栅结构内的液晶。跨过所述液晶施加电压可改变所述液晶的折射指数，且相应地改变波形板的双折射率。所述构型可构成一个可调波形板。
所述双折射区域可建于用于整个光学组合的表面平面化和指数匹配的光层顶部上。可将一外涂层沉积于所述双折射区域的顶部上以使其免受环境曝露、可用于所述双折射区域到所述波形板顶部上的物理层的防划刻保护和指数匹配。
另外，可通过在具外涂层的波形板顶部上一层接一层地建置双折射区域来建成由多层双折射结构制成的波形板，诸如垂直堆叠波形板。可将中间层安置在所述双折射区域之间以进行平面化、保护和指数匹配。可通过覆盖平行的光栅双折射结构或交叉的光栅双折射结构来建成由多层双折射结构制成的波形板。所述交叉或平行的光栅可具有不同的周期，其可用于最优化双折射率并改进所述堆叠的多层双折射组合的整个机械结构稳定性。
如果所述建置材料的折射指数十分不同，且所述光栅周期比光的波长小，那么根据本发明而建成的波形板可具有比天然光学双折射材料更高的双折射率。
另外，与经常规抛光的双折射材料相比，可通过制造过程利用用于蚀刻终止的材料层来实现极其高的延迟精确度。所述层能终止或充分减少光栅蚀刻过程，因此能控制精确的光栅深度。通过精密控制光栅深度，可控制所述波形板的相位延迟、精确度。适用于蚀刻终止的材料可为光学上透明的材料，且具有比构成双折射区域的材料低数倍的蚀刻速率。所述蚀刻终止材料可包括于整个光学指数匹配设计中。
对于要求高延迟和高延迟精确度的设计而言，可使用堆叠波形板的方法，其中具有大的折射指数差异的两种材料用于产生大多数延迟，且接着在顶部由具有较小折射指数差异的材料发展另一双折射区域，以精确地完成全部延迟。对于TE和TM偏振而言，所述波形板可能具有非常不同的折射指数。一种用于达到同时的光学指数匹配以进行TE和TM偏振的方法可使用一个三部分波形板设计—下层、双折射区域和外涂层并结合使用一个抗反射设计。
光栅下方的层可用于通过光栅来修改背反射振幅以进行TE和TM偏振。对于在进行TE和TM偏振的折射指数之间具有较小差异的波形板设计而言，光栅下方的层可提供能为两种偏振而从所述波形板消除大多数背反射的充分的反射振幅。
通过考虑TE和TM反射(从光栅底部)所获得的不同相位，所述光栅区域可用于整个波形板ARC设计中。对于一个固定延迟而言，用于TE和TM偏振的相位可固定，但却不同。这些相位可用于计算已通过光栅区域而传播回来之后自光栅底部的TE和TM反射场。
光栅顶部上的层(外涂层)可用于调节来自所述光栅区域顶部的经反射的TE和TM振幅。对于在进行TE和TM偏振的折射指数之间具有较小差异的波形板设计而言，光栅顶部上的层可提供能为两种偏振而从所述波形板消除大多数背反射的足够的反射振幅。
为达到最大背反射消除(穿过所述波形板的最大透射)以进行一般形状双折射波形板的TE和TM偏振，可使用并最优化所有三个区域，即光栅层下方、光栅层和光栅层上方。可在一个晶圆上以二维阵列或像素阵列来建置所述波形板。所述阵列可由周期性交替具有不同延迟(不同波形板)或不同主轴取向的区域而制成。所述区域的大小取决于激光束的大小和应用。邻近区域可具有相同或不同的大小。邻近区域可具有不同的光栅周期或不同的光栅深度，或可由不同材料而制得。所述阵列可由交替波形板和其它晶圆制得的光学组件制成，所述光学组件可以是：诸如(但不限于)分束器、偏振器、反射镜或仅为不具有光学功能(对光束进行透射而不改变振幅或相位)的透明区域。另外，可提供创建具有堆叠和线性调频作用的三维指数梯度结构的能力。
现在参看图1A，其展示了一个根据本发明的一个方面的双折射装置100。双折射装置100可包括基底110、顶盖120和一个大体上被夹在其中间的次波长结构130。
次波长结构130可包括多个次波长元件，每个次波长元件的宽为FG并且高为t130。另外，如相关领域的普通技术人员所了解，所述元件的尺寸可为普通的尺寸或可改变或可被线性调频。次波长结构130具有周期为XG的次波长元件。次波长结构130可具有一个比装置100所使用的辐射波长小数倍的周期。所述周期大小可将零阶或大体较小的衍射提供到更高阶，且因此可以零阶使用次波长结构130。另外，可使用其它大小的周期，从而由于将一小部分光连接成除所要零阶之外的阶而导致可能使效率降低。也可以改变或线性调频这些其它大小的周期。如在图1B中可见，可使用交替折射率。例如，具有折射指数nF的更高指数材料136可置于大体上邻近于一个具有折射指数n0的更低指数材料134，从而分别创建具有相对高指数及低指数的交替区域。例如，较高指数材料136大体上可为氮化硅或硅，使得折射指数nF在1550nm处约等于1.9和3.6。较低指数材料可为空气，使得折射指数n0约等于1。仅举非限制性实例，较高指数材料136可具有比较低指数材料134的折射指数大数倍(诸如两倍或三倍)的折射指数。所述较低指数材料大体上也可以是空气，使得折射指数n0约等于1。次波长结构130的填充率(表示为FG/XG)可被定义为两个折射指数元件中较高一者的指数区的宽度在所述周期到整个周期内的比率。
此波长结构130可生长于或沉积于基底110或顶盖120上。仅为了讨论起见，虽然顶盖120可替代地用作一个用于形成结构130的基板，但是将使用基底110。使用任一适当的复制过程(诸如，平版印刷过程)可将次波长结构130形成于基底110中或其上。例如，可以有效使用与标题为NANOIMPRINT LITHOGRAPHY的美国专利第5,772,905号中所揭示的内容相一致的萘米压印平版印刷，所述专利的全部揭示内容在此以引用的方式如同全文阐述般并入本文中。其中教示了一种用于创建次波长元件的平版印刷方法。仅为完整和总结的目的，可将具有至少一个突出零件的塑模(mold)按压入一种被应用于基板110的热塑性塑料中。塑模中的所述至少一个突出零件在薄膜中创建了至少一个相应的凹陷。复制之后，将塑模从薄膜移除，并且处理所述薄膜使得在至少一个凹陷中的薄膜被移除，借此暴露一个可用于将图案或装置组蚀刻于基底110中的掩模。因此，在所述薄膜中复制塑模中的图案，接着(例如)使用反应离子蚀刻(RIE)或等离子蚀刻将复制到薄膜中的图案转移到基底110中。当然，可利用任何一种用于将适当结构形成于基底110的可操作表面或就此而论的顶盖120中或其上的适当方法，仅举非限制性实例，(诸如)照相平版印刷术、全像微影术或电子束平版印刷术。基底110可采取其上具有硅薄膜的二氧化硅的形式。
例如，次波长结构130可以通过使用液晶而包括可调折射指数区域。如相关领域的普通技术人员所知，可将液晶定义为具有不同阶度且因此以物质的所有三种普通状态(固体、液体和气体)而存在的分子。在固态中，可存在分子的刚性排列，所述分子处于固定位置和取向，并且具有自分子振动的很小的变化量。为维持此排列，存在将分子保持在适当位置的很大的力，且因此固体很难变形。在液相中，所述分子可能没有固定的位置或取向并且以无规则方式自由移动，并且液态比固态具有更低的有序性。分子的无规则运动意味着将固体保持在一起的分子间的引力现在仅强到足够将液态分子保持地适当近地在一起。液体可能容易变形。在气态中，增加了所述分子的无规则运动以克服分子间力，且分子最终展开以填充容纳其的任何容器。因此，在气体中丢失了来源于分子紧密度的液体的有序性，且因此气体具有比液体更低的有序性。某一区域中呈刚性排列并具有相同取向的分子的概率可用于定义在固态中最大且在气态中最小的位置有序性和定向的有序性。三种状态之间的差异可归因于物质的温度。温度是对分子无规则性的一个量度，且因此温度越高存在的有序性便越低，并且增加温度将导致从固体到液体且接着到气体的转变。可通过施加电压来控制物质的温度。热致液晶相发生在处于固态和液态之间的温度范围中的一些物质中。在这个状态下，所述物质拥有液体和固体的一些特性。液晶是一种类似于液体的流体，但在其光学和电磁特征中类似于固体为各向异性。当液晶由各向同性状态形成时，得到了一些量的位置或取向有序性。正是此有序性说明了物质的各向异性。液晶可适用于通过施加电压来改变折射指数。
液晶可与所述次波长结构结合。例如，可将次波长结构蚀刻成无顶盖。在进行了此蚀刻过程之后，可将所述液晶安置于大体上邻近于次波长结构处。液晶分子的大小可约为数毫微米。此大小以及其它特性可有助于次波长结构凹槽中的排列。例如，可拉长液晶分子且可以沿着所述次波长结构凹槽的更长的尺寸来取向。此取向可以使得所述液晶层相对于TE和TM场具有双折射性。
如果跨过所述次波长结构间隙而施加电压，那么所述场可垂直于分子取向，这些分子可经历转动力矩并开始旋转，借此将其自身取向为平行于所述场。当所述液晶相对于垂直于液晶/次波长结构平面的传播场显示为旋转对称时，所述液晶可具有用于TE和TM的大体上相同的指数。
如相关领域的普通技术人员将认识到，可以此方式将各种图案萘米压印到基底110上或其中。所述图案可采取带、沟、柱状物、圆形或孔的形式，例如，所有这些形式可具有或不具有一个共同周期，并且可具有不同的高度和宽度。例如，举非限制性实例，带可采取矩形凹槽的形式，或另外可采取三角形或半圆形凹槽的形式。同样，可图案化柱状物(基本为孔的反面)。可以任一轴的共同周期或另外通过改变一个或两个轴的周期来图案化此等柱状物。可将所述柱状物成形为(例如)升高的阶、完整的半圆形或三角形。例如，也可以将所述柱状物成形为一个轴中具有一个二次曲线且另一个轴中具有另一个二次曲线。
在形成次波长结构130的过程中可利用一个蚀刻终止层。在蚀刻之前可将蚀刻终止层沉积到介电材料的下方。如相关领域的普通技术人员所知，通过增加以较慢速率蚀刻的一个材料层可经常将蚀刻终止用于更精确的蚀刻。因为较慢的蚀刻速率，所以此蚀刻层在蚀刻过程中提供了缓冲，借此在没有剧烈的蚀刻时间敏感性的情况下创建了具有合适大小的零件。通过控制零件深度，可控制所述波形板的相位延迟精确度。在形成次波长结构130的过程中所采用的适当的蚀刻终止可具有光学透明性，且可具有比其它所蚀刻的材料约低数倍的蚀刻时间，诸如涂覆成约为10-100nm厚的氧化铝或二氧化铪。蚀刻终止层也可以显示出良好的光学特性，诸如(举例来说)其为透明介电，并且其所涂覆的厚度可大于蚀刻终止所需的厚度，以使得蚀刻终止层的一部分变成光学设计中完整的一部分。
所述蚀刻终止可有助于达到所要的延迟。过程包括如下：沉积一个蚀刻终止层；沉积一个光栅层；在介电层顶部上发展一个硬掩模；蚀刻所述光栅，其中所述蚀刻过程在蚀刻终止层处终止或减慢，借此提供一个由所述经沉积的介电的初始厚度所定义的目标厚度。例如，这个硬掩模可定义一个光栅周期和填充率。
另外，根据本发明的一个方面，可将所述蚀刻终止层设计为基底110。所述蚀刻终止层可用于改变来自光栅底部的反射的振幅。从底部反射的场将通过次波长结构传播回来，并且可以干扰来自顶盖的反射。此场在所述波长结构中所吸收的相位和振幅可导致消除全部背反射，借此导致产生穿过次波长结构的经改进的透射。此可导致产生更高的所达到的精确度。
基底110大体上可由一种介电材料或一种金属反射镜形成。如相关领域的普通技术人员已知，介电材料可为一种是不良电导体但却是静电场的有效支持体的物质，其常常包括陶瓷、云母、玻璃、塑料以及各种金属氧化物(诸如Al2O3)。重要的是，当以热量的形式驱散最小能量时，介电可以支持一个静电场。
基底110大体上可由多种介电中的一种或其组合形成，或可为一个金属反射镜。特定地说，基底110可采取(例如)二氧化硅、二氧化铪、铝或金的形式。例如，可将基底110形成为厚度在1nm-1um的范围内，诸如100nm。
例如，基底110大体上可与较高指数材料136指数匹配。另外，基底110大体上可与较低指数材料134指数匹配。基底110可具有一个与高指数材料136和较低指数材料134不同的折射指数。基底110可具有一个大体在较高指数材料136与较低指数材料134之间的折射指数。
顶盖120大体上可由一种介电材料或金属反射镜形成。顶盖120可由与基底110的材料不同的材料形成，或者可由相同材料形成。顶盖120大体上可由多种介电中的一种或其组合形成。特定地说，顶盖120可采取(例如)二氧化硅、二氧化铝、二氧化铪、铝或金的形式。例如，可将顶盖120形成为厚度在1nm到数微米的范围内，诸如100nm。
例如，顶盖120大体上可与较高指数材料136指数匹配。另外，顶盖120大体上可与较低指数材料134指数匹配。顶盖120可具有一个与高指数材料136和较低指数材料134不同的折射指数。顶盖120可具有一个大体上在较高指数材料136和较低指数材料134之间的折射指数。
可在不同位置将额外层加至所述堆叠中以提供可为所需的平面化、保护和指数匹配。这些额外层可采取外涂层的形式。所述外涂层可适用于防止划刻并使其免受环境条件的影响。外涂层大体上可与较高指数材料136、较低指数材料134、基底110和/或顶盖120指数匹配。
现在也参考图7，其中展示了被用作双折射波形板的图1A的双折射装置。如相关领域的普通技术人员将了解，入射于装置100上的电磁辐射将遇到顶盖120，从而产生所述入射电磁辐射的某一部分R120被反射并且所述入射电磁辐射的某一其它部分T120(未展示)被透射。经透射的辐射T120接着遇到子波长结构130，从而又产生了一个透射部分T130和一个反射部分R130。类似的是，透射部分T130入射于基底110上，借此产生了一个反射部分R110和一个透射部分T110。
基底110和顶盖120的设计可使得R110和R120大约相等，且大体上异相。相关领域的普通技术人员已知，能量守恒定律结合上述消除产生了类似于防反射涂层技术中所发现的效果，其中大体上消除了连续反射，借此将穿过装置100的透射辐射量最小化。
可将基底110和顶盖120的设计并入装置100的指数匹配的设计中。如相关领域的普通技术人员所知，薄膜防反射涂层一般产生两种具有不同相移的偏振状态。当所述差异在平面薄膜的情况下变大时，常常很难发现能够使顶盖和底部指数匹配的介电堆叠解决方案。根据本发明的一个方面，次波长结构130、基底110和顶盖120之间的介面、两个偏振方向中的每一个均可遇到不同的指数变化，并且所述反射的跃迁振幅(transited amplitude)不同。使用双折射媒体中所获得的不同相位可解决上述问题。
图7的双折射波形板也可以在外表面上具有可为所需的防反射涂层。如相关领域的普通技术人员所知，防反射涂层和技术可用于降低材料边界处的电磁损耗。现在参考图8，其中展示了穿过一个未经补偿的四分之一波形板的每个偏振的透射。如可见，与TE场相关的透射可以从约0.94变化到1.00，而与TM场相关的透射可以从约0.94变化到0.95。
现在参看图9，其中展示了根据图7的装置穿过一个防反射的未经补偿的四分之一波形板的每个偏振的透射。如图9中所见，与TE场和TM场相关的透射可以从约0.975变化到1.000。如相关领域的普通技术人员将认识到，这可为对所论述的并且与图8的装置相关联的透射的一个重要改进。
对于1.4微米的目标深度(对应于1550nm处的1/4波)而言，可重叠TM和TE并将透射最小化。可最优化顶盖层和底层使得TM和TE场将具有相同透射。在所述设计中可使用传播穿过光栅并反射出基底110的光的单程中的1/4波相和来回程中的1/2相位以最优化顶盖120和基底110。
如为相关领域的普通技术人员所显而易见，包括传播穿过装置100的两个不同偏振分量的能量可具有一个与更高折射指数而对准的分量。所述对准可导致产生发生在与高折射指数对准的偏振分量和与较低折射指数对准的分量之间的相位差偏振。此所实现的相位差对应于在装置100中传播的距离，例如装置100的厚度及装置100的双折射率Δn，其中Δn等于nf与no之间的差别，且延迟＝Δn*传播距离/波长。
现在参看图2，说明了根据本发明一个方面的图1A装置的不同填充率的双折射率与折射指数之间的关系。如图2中可见，为最大化所得双折射率，可希望填充率约等于0.5。例如，利用为4的折射指数及约为0.5-0.8的填充率，可达到约为1.7的双折射率。另外，对于为3的折射指数和约为0.5-0.8的填充率而言，可达到近似为1的双折射率。对于为2的折射指数和约为0.4-0.7的填充率而言，可达到约为0.3的双折射率。
现在参看图3，其中展示了根据本发明一个方面的图1A装置的不同填充率的延迟相关性和折射指数之间的关系。如图3中可见，对于1550nm处的1/4波形板而言，图证明了可达到此结果的作为更高指数材料函数的变化厚度，且将较低指数材料固定为空气。如图3中可见，相对于不同填充率的折射指数划分四分之一波形板的厚度。一般而言，四分之一波形板的厚度越大，那么每单位厚度所达到的双折射率越小。填充率的变化遵循以上关于图2所描述的内容。另外，可看见，折射指数越大，那么所达到的双折射率越大。
现在参看图4，其中展示了根据本发明一个方面的图1A装置的不同折射指数的双折射率与次波长结构的周期之间的关系。如图4中可见，双折射率取决于光栅周期。
现在参看图5，其中展示了根据本发明一个方面的图1A装置的不同折射指数和周期的绝对延迟与次波长结构深度之间的关系。如图5中可见，为达到在波长为1.5um下的四分之一波形板，利用0.2的周期对于由Si和空气制成的装置100而言可需要约为0.4微米的光栅深度、对于由Si3N4和空气制成的装置100而言可需要约为1.4微米的光栅深度或对于由SiO2和空气制成的装置100而言可需要约为6.2微米的光栅深度。
现在参看图6，其中展示了根据本发明的一个方面的堆叠波形板600。堆叠波形板600可包括一个基底110、一个顶盖120和一个大体上位于其间的次波长结构130，其中的每一者均在上文进行了详细的论述。堆叠波形板600可进一步包括一个第二次波长结构130′和一个第二顶盖120′，借此以一种堆叠关系配置而成，从而创建了一个多层堆叠波形板。所述第二层可将第一层顶盖120用作基底110′，或者另外其也可以包括一个大体上邻近于顶盖120而堆叠的基底110′(未展示)。如图6中所示，可类似地增加一个第三层次波长结构。所述第三层可包括一个第三次波长结构130″和一个第三顶盖120″。如所述第二层和第一层之间的情形，所述第三层可将第二层顶盖120′用作基底110″，或另外其也可以包括一个大体上邻近于顶盖120′而堆叠的基底110″(未展示)。尽管图6证明了使用呈一个堆叠构型的三层双折射装置，但可以使用任意数量的层，诸如两层或三层以上。类似地，尽管利用了多层顶盖、基底和次波长结构，但每一者无需分别与任意其它顶盖、基底或次波长结构相同。另外，次波长结构130、130′和130″(和任意其它未展示的额外次波长结构130n)无需(但可以)相对于彼此而共同对准或由相同材料制成。另外，次波长结构130、130′和130″可相对于彼此而旋转，例如次波长结构可相对于次波长结构130′旋转90度。除增强的光学特性外(诸如能够最优化所要双折射率)，所述设计可产生所要的结构稳定性。如相关领域的普通技术人员所了解，经堆叠的延迟区域可具有不同的双折射率。例如，总的双折射率可以随着堆叠层的增加而减少。这可以产生一个双折射率梯度，因为增加可渐进或不连续。根据本发明的这个方面，可利用对所述折射指数的三维控制来创建三维定制双折射结构。所述定制可允许将多个离散组件集成为一个单晶片。
现在也参看图6A，其中展示了一个根据本发明的一个方面的图1A的双折射装置的倾斜堆叠。类似于图6中所示的结构，堆叠波形板650可包括一个基底110、一个顶盖120和一个大体上位于其间的次波长结构130，其中的每一者均在上文进行了详细的论述。类似地，可包括随后的层。如在图6A中可见，至少一层次波长结构130可相对于基底110、顶盖120或其它次波长结构130而倾斜。所述倾斜可提供图6的装置中未发现的额外设计能力。
现在参看图10A，其中展示了一个像素排列好的双折射装置1000。根据本发明的一个方面，装置1000可包括一个适用于替换图1B中所示的如装置100中所使用的栅格的二维像素结构。装置1000可包括具有不同主轴取向的像素区域1010，诸如如所示的栅格。如图10C中可见，如果没有明确控制像素取向，那么多个任意取向可产生—稍稍随机的结果。具有比接着传播波长小的像素的结构可用于光束消偏振器。另一方面，如果希望某些像素取向，那么可对其进行配置借此以每个不同像素来区域化光学特性。在所述构型中，每个像素可光学上不同地起反应。具有超过光束直径的像素的结构可用于强加平行传播光束的不同相位信息，例如其可为光学功能集成提供标准件。图10B中可见不同像素取向。如在图10B中可见，可存在一个垂直取向、一个水平取向、一个45度顺时针取向或一个45度逆时针取向。尽管已将这四种取向展示为实例，但是也可以配置其它取向，诸如任意角度的旋转。
操作上，每个像素均表示一个不同的光学性能，借此产生了能够具有一个像素或位置上不同的双折射装置的能力。另外，通过使用这些局部化像素区域，可修整所述双折射率以适合于特殊需要和性能。
可使用光掩模来制造像素化阵列以遮蔽区域，同时将其它区域保持为曝露状态以进行图案化。所述过程可与垂直层的生长结合。可以使用平版印刷术(诸如接触或照相平版印刷术或直接电子束平版印刷)来对所曝露的区域进行图案化。
所属领域的普通技术人员将认识到，在不背离本发明的精神或范围的情况下，可实施本发明的很多修改和变化。因此，如果本发明的修改和变化在上述权利要求书及其均等物的范围内，那么本发明意欲覆盖所述修改和变化。

Claims (30)

1.一种具有小于约10微米的大体上均匀厚度的双折射装置，其适用于传播入射辐射并且可适用于在约为一个中心波长的波长范围内进行操作，所述装置包含：
一个基底基板；
一个交替折射指数的周期性指数区域层，其贴于所述基底基板的第一表面，所述层具有小于所述中心波长的周期性；和
一个顶盖基板，其设置于大体上邻近于在所述基底基板的远侧的所述层，
其中所述装置适用于产生在0与2π相位之间的任意相位延迟。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述基底基板包括至少一种具有旋光性的材料。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述基底基板包含一个金属反射镜。
4.根据权利要求2所述的装置，其中所述基底基板包含至少一种介电材料。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述顶盖基板包括至少一种具有旋光性的材料。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述顶盖基板包含一个金属反射镜。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述顶盖基板包含一种介电材料。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述交替折射指数的周期性指数区域层包括适合用作一种高指数材料的交替介电带和适合用作一种低指数材料的气隙。
9.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期性指数区域层包括至少一个具有可调指数的区域。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述至少一个区域包括液晶。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述至少一个区域大体上与所述周期区域的所述结构对准。
12.根据权利要求10所述的装置，其中所述液晶适用于通过施加一电压来调谐。
13.根据权利要求1所述的装置，其中所述基底基板、所述顶盖基板和具有所述高折射指数的所述层大体上指数匹配。
14.根据权利要求1所述的装置，进一步包含一个外涂层。
15.根据权利要求14所述的装置，其中所述外涂层适用于保护所述装置以免受到曝光环境和划刻中的至少一者的影响。
16.根据权利要求14所述的装置，其中所述外涂层与所述基底基板和所述顶盖基板中的至少一者指数匹配。
17.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期性指数区域层包括一个至少为所述低折射指数两倍的高折射指数。
18.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期性指数区域层包括一个至少为所述低折射指数三倍的高折射指数。
19.根据权利要求1所述的装置，其中所述基底基板、所述周期性指数区域层和所述顶盖基板中的至少一者经设计以修改入射于所述装置上的所述电磁辐射的所述背反射部分。
20.根据权利要求19所述的装置，其中所述基底基板、所述周期性指数区域层和所述顶盖基板经设计以使得大体上消除了所述入射辐射的所述背反射部分。
21.根据权利要求20所述的装置，其中大体上消除包含小于所述入射辐射的约5％的总反射。
22.根据权利要求20所述的装置，其中大体上消除包含小于所述入射辐射的约2.5％的总反射。
23.根据权利要求20所述的装置，其中大体上消除是指小于所述入射辐射的约1％的总反射。
24.根据权利要求1所述的装置，进一步包含位于在所述周期性指数区域层远侧的所述基底基板上的至少一个防反射涂层。
25.根据权利要求24所述的装置，进一步包含位于在所述周期性区域层远侧的所述顶盖基板上的至少一个防反射涂层。
26.根据权利要求1所述的装置，其中所述交替折射指数在至少一维中交替。
27.根据权利要求1所述的装置，其中所述交替折射指数在至少二维中交替。
28.根据权利要求1所述的装置，进一步包含：至少一个交替高和低折射指数的第二周期性指数区域层，其贴于位于所述周期性指数区域层远侧的所述顶盖基板的一个表面，所述第二层具有小于所述中心波长的周期性；和至少一个第二顶盖基板，其设置于大体上邻近于位于所述顶盖基板远侧的所述第二层。
29.根据权利要求1所述的装置，其中所述周期性指数区域层被大体上像素化，并且其适用于选择性地将至少一个给定像素定向至至少一个优选取向。
30.根据权利要求1所述的装置，进一步包含至少一个蚀刻终止，其安置于大体上邻近于所述基底基板，并且其适用于控制所述周期性指数区域层的形成。
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