專利名稱:二元束操控裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于控制電磁輻射的相角特性的固定元件。更具體地，本發(fā)明提供用于控制電磁輻射的傳播方向的光學元件。最具體地，本發(fā)明提供能夠被用于將入射電磁輻射的傳播方向從一個方向可逆地轉換到另一方向的可重新配置的光學元件。
背景技術：
用于路由、重定向和控制電磁輻射流的能力在許多技術應用中是重要的。由于對數據的高速和高密度傳輸和存儲的需要逐步升級，例如光學信息系統(tǒng)預期變得日益重要。為了優(yōu)化光學裝置的功能，有必要對光的傳播方向進行精確的控制。例如光學數據的讀和寫典型地需要將一個或多個光束精確定位在光學記錄介質中的邊界明確的位置處。在許多應用中，也期望利用日益緊湊的裝置對光傳播進行精確控制。光學元件的小型化和增強的功能對于將來的技術來說是基本的。類似的能力被期望用于光范圍之外的電磁頻率。
用于控制電磁輻射的傳播的傳統(tǒng)裝置包括例如反射鏡或分束器的反射元件、例如透鏡和拋物面鏡的聚焦元件、以及例如棱鏡的色散元件。當然已經證明這些裝置在以預定的方式引導光方面是非?？煽亢陀行У?，但有以下缺陷一旦制造好和被定位，其用于控制電磁輻射的傳播的能力是固定的。傳播的任何變化需要裝置的物理移動，并且可能涉及麻煩和/或緩慢的對準程序。
在使用于控制電磁輻射的傳播的裝置小型化方面的努力近來集中于MEMS(微電機系統(tǒng))技術。MEMS元件是小的、重量輕的，并且能夠在小型裝置包裝中路由電磁輻射。MEMS技術包括以陣列配置的小型反射鏡，該陣列可以包括幾百個被精確定位和/或相對于彼此傾斜的反射鏡。MEMS是潛在有利的技術，因為元件質量非常小，并因此幾乎不需要用于對于實現動態(tài)執(zhí)行能力來說所需的重新定位的力。在發(fā)展MEMS技術方面的大部分努力已經集中于光交換和光交叉連接。MEMS技術例如可以被用于將光信號引導到纖維束中的特定光纖以及基于重新定位將信號重定向到其它光纖。
盡管MEMS技術提供幾個潛在的優(yōu)點，但它的實施方式提出幾個問題。首先，盡管MEMS元件是可重新定位的，但重新定位是通過機械過程進行的，并在毫秒時間標度上出現。對于許多應用來說，希望更快速的動態(tài)能力。第二，MEMS系統(tǒng)是精密的，并且易受由例如振動之類的外部干擾所引起的破壞的影響。這些干擾改變MEMS元件的定位并且削弱功能。因此可能需要復雜的反饋系統(tǒng)來確保在典型的應用環(huán)境中的操作的穩(wěn)健性。第三，MEMS系統(tǒng)當前是非常昂貴的。高成本與制造應用典型地所需的小型元件、大量元件的錯綜復雜、以及元件連同致動裝置一起成為許多應用所需的三維陣列的精確裝配相關。
因此，在現有技術中需要用于控制電磁輻射的傳播的改進的裝置。理想地，這些裝置應是固定的、能夠動態(tài)地重新配置的，并在跨越大的角度范圍的用戶確定的方向上以有效、可再現的方式提供電磁輻射的反射和重定向。

發(fā)明內容本發(fā)明提供相角受控的固定元件，該元件提供二元束操控能力。二元束操控元件具有兩個不同的相角狀態(tài)。本元件的操作基于對入射電磁輻射的相角的精確控制，以便在通過元件的相角狀態(tài)所規(guī)定的方向上產生反射的輸出輻射。每一相角狀態(tài)在特征方向上引導入射電磁輻射束。根據元件的相角狀態(tài)，因此將入射電磁輻射重定向到兩個方向之一中，并且因此實現二元束操控能力。
本元件包括有源區(qū)域，該有源區(qū)域包括能夠在兩個或多個結構狀態(tài)之間可逆地轉換的材料，其中可以通過光或電能的施加引起結構轉換。兩個或多個結構狀態(tài)區(qū)分兩個相角狀態(tài)，所述相角狀態(tài)中的每一個以不同方式影響入射電磁束的相角，以便由元件產生在通過相角狀態(tài)所指示的方向上傳播的反射的輸出信號。兩個相角狀態(tài)之間的可逆轉換可以在快速的時間標度上實現，以便提供動態(tài)束操控能力。
在優(yōu)選實施例中，該有源區(qū)域包括具有結晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)的相變材料，其中相變材料區(qū)域可以以變化的量包括結晶部分和非晶部分，以便提供具有在結晶和非晶極限之間連續(xù)可變的分數結晶度的有源相變區(qū)域。結晶和非晶極限之間的分數結晶度的相互專有的范圍限定兩個相角狀態(tài)，其中從一個相角狀態(tài)至另一相角狀態(tài)的轉換出現在小的分數結晶度范圍上。
優(yōu)選的相變材料是硫族化物材料。該硫族化物材料包括與從主族和/或過渡元素中選擇的一個或多個改良劑結合的一個或多個硫族元素(S，Se，Te)。優(yōu)選的主族元素是來自族5A(例如P，As，Sb)、4A(例如Si，Ge，Sn，Pb)和3A(例如Al，Ga，In)的元素。優(yōu)選的過渡金屬包括Zn和Cd。
在優(yōu)選實施例中，本元件包括光學堆棧，該光學堆棧包括夾在兩個介電層之間的相變層，其中通過金屬層來支承三層組合(介電材料-相變材料-介電材料)。通過適當地確定層厚度，本發(fā)明的該實施例提供二元操控能力。
圖1示出多層光學堆棧；圖2示出具有比例設計的元件的、所計算的反射率和相角特性。該計算包括在從0.0延伸至1.0的結晶體積分數的范圍上的20個網格點。
圖3示出具有過渡設計的元件的、所計算的反射率和相角特性。該計算包括在從0.0延伸至1.0的結晶體積分數的范圍上的20個網格點。
圖4示出具有二元設計的元件的、所計算的反射率和相角特性。該計算包括在從0.0延伸至1.0的結晶體積分數的范圍上的20個網格點。
圖5示出具有二元設計的元件的反射率和相角特性的高分辨率計算。該計算包括在從0.55延伸至0.75的結晶體積分數的范圍上的20個網格點。
圖6示出包括四個相變區(qū)域和分布在其中的兩個相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
圖7示出包括四個相變區(qū)域和分布在其中的兩個相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
圖8示出包括四個相變區(qū)域和分布在其中的兩個相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
圖9示出包括四個相變區(qū)域和分布在其中的兩個相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
具體實施方式本發(fā)明提供一種二元束操控元件，該二元束操控元件具有在兩個方向中的任一方向上操控入射束或電磁輻射的波前的能力。入射束照射到元件的表面上，與元件的表面和內部相互作用，并被反射，以便產生在兩個方向之一上傳播的輸出束。該元件的相角狀態(tài)決定反射束的傳播方向。
該元件是包括至少一個有源層的多層光學堆棧，該至少一個有源層包括相變材料與例如電介質和金屬的輔助層。相變材料是具有兩個或多個結構狀態(tài)、并具有通過與能量場相互作用來在這些狀態(tài)之間可逆地轉換的能力的材料。通過相變材料的兩個或多個結構狀態(tài)的相對比例的變化，能夠在兩個或多個不同狀態(tài)之間轉換有源層。兩個或多個不同的有源層狀態(tài)可被分為遍布相變材料的兩個或多個結構狀態(tài)的相對比例的相互專有的范圍的、具有不同的相角特性的兩組。這些狀態(tài)組限定該元件的兩個不同的相角狀態(tài)。
以前已經在被轉讓給本受讓人的公開號為US-2004-0036944A1(‘944公開物)美國專利中描述了通過相變區(qū)域的結構狀態(tài)的變化來進行相角控制的概念，因此將該美國專利的公開內容引入作為參考。該‘944公開物描述了可以被用于控制入射電磁束的反射方向或透射率、以及聚焦狀態(tài)、束橫截面的對稱性和波前特性的相角控制固定元件(PACSE元件)。該‘944公開物的PACSE元件是被再分成子波長標度數據單元的多層結構。這些層內的一個或多個是有源相變材料。有源相變材料具有結晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)，并且每一數據單元具有特征在于由數據單元限定的體積內的結晶和非晶部分的相對比例的結構狀態(tài)。結構狀態(tài)以在非晶極限(0％分數結晶度)和結晶極限(100％分數結晶度)之間的分數結晶度連續(xù)地變化。在PACSE元件中，數據單元的所得到的相變特性隨著分數結晶度平滑地并且連續(xù)地變化。通過沿著PACSE元件的表面在一個或多個方向上和/或以各種模式控制不同數據單元的相對分數結晶度，根據‘944的PACSE元件可以被用于控制傳播方向和/或截面對稱性和/或反射或透射電磁束的聚焦狀態(tài)。
‘944公開物的元件中的一個或多個方向上分數結晶度的受控變化被用于通過局部控制輸出束的光相位來控制輸出束(例如反射或透射束或信號)的特性(例如傳播方向、截面束形狀、聚焦狀態(tài))。由于相變材料的非晶和結晶狀態(tài)具有不同的光學常數(例如折射率(n)，消光系數(k))，這些狀態(tài)對入射電磁束施加不同的相位延遲。在具有介于非晶和結晶極限之間的分數結晶度的數據單元中，根據有效介質近似的相位延遲是由數據單元中的非晶和結晶區(qū)域的相對部分決定的平均值。通過沿著一個方向改變一系列數據單元的分數結晶度，產生相位逐漸減小，其中從數據單元至數據單元的相位延遲差是非零的。分數結晶度的梯度實際上在內部存儲PACSE元件的有源材料的不同相角響應，并且是PACSE元件的操作的基本特征。當入射束與元件相互作用時，相位逐漸減小實際上通過改變入射束所遭遇的光程長度來控制輸出束的相位。在‘944公開物中提供進一步的討論。
在操作特性方面，通過數據單元的分數結晶度和沿著一系列數據單元的結晶度梯度的連續(xù)變化，能夠連續(xù)改變由PACSE元件提供的相角效應。在本發(fā)明的上下文中，可以說數據單元中的分數結晶度的具體模式或分布限定PACSE元件的相角狀態(tài)，其中通過該相角狀態(tài)指示反射或透射的輸出束的特性。通過改變分數結晶度的模式，能夠將不同的相角狀態(tài)編程到PACSE元件中，以便為輸出束提供各種各樣的條件。如‘944公開物中所討論的，通過改變PACSE元件的相角狀態(tài)可實現輸出束的傳播方向、截面束形狀和聚焦狀態(tài)的連續(xù)變化。
在本發(fā)明中，提供PACSE元件的二元版本，其中分數結晶度的變化提供兩個主要相角狀態(tài)，而不是PACSE元件中可用的相角狀態(tài)連續(xù)區(qū)。該元件因此被稱作PACSE-Lite元件。每一個相角狀態(tài)對晶體分數的甚至大的變化相當不敏感，并且在狹窄的分數結晶度范圍上出現從一個相角狀態(tài)至另一個相角狀態(tài)的轉變。
本二元元件是多層光學堆棧，為了控制從固定光學元件發(fā)出的輸出束的相位特性，該多層光學堆棧進一步擴展自由度。由本發(fā)明提供的附加控制由光學堆棧中的層的厚度的變化產生。在下面的討論中，由相同的材料構成的、但具有不同的層厚度的說明性多層堆棧結構被比較，并被用于相對于‘944公開物的PACSE元件的連續(xù)束操控能力示范本元件的二元束操控能力。
例子在該例子中描述了本發(fā)明的說明性實施例的特征。該實施例是具有在圖1中示意性地所描繪的結構的四層光學堆棧。該堆棧100包括第一介電層110、相變層120、第二介電層130和金屬層140。入射電磁束從上方照射堆棧100，以產生輸出電磁束。不同層的成分和厚度與由相同成分組成并且也具有圖1中所示出的堆棧結構的比較元件的那些成分和厚度一起被包括在表1中。
在該例子中，第一介電層110(在表1中被標記為D1)和第二介電層130(在表1中被標記為D2)由比摩爾比率為(ZnS)0.8(SiO2)0.2的ZnS和SiO2組成。相變層(在表1中被標記為PCM)由Ge2Sb2Te5組成，并且金屬層由包含1.5％Ti的Al組成。在表1中包括三種不同的利用這些相同材料的多層設計比例設計、過渡設計和二元設計。二元和過渡設計是根據本發(fā)明的元件的實施例。比例設計類似于根據‘944公開物的PACSE元件。如下面更充分描述的，比例元件的特性特征是隨著相變區(qū)域中結晶體積分數的變化的、相變材料區(qū)域的相角的平滑和連續(xù)的變化。二元元件的特性特征是在小的結晶體積分數范圍上相變區(qū)域的相角的急劇的、幾乎不連續(xù)的變化。過渡設計具有介于比例和二元設計的那些相角特性之間的相角特性。
三種設計包括堆棧中按相同順序的具有相同成分的層，但就層的厚度而言有所不同。金屬層140對于三種設計來說具有相同的厚度(100nm)，并被用于為其它層提供機械支承，并進一步起作用以提供背反射。有源相變層120對于三種設計來說也具有相同的厚度(20nm)。介電層D2對于三種設計來說具有類似的厚度(55nm對55nm對47nm)。三種設計的主要差異是上介電層D1的厚度(60nm對10nm對10.1nm)。表1的底端行針對每一種多層設計示出光相角(OPA)的總差Δ(度數方面)以及示出用于實現OPA的總差Δ的90％所需的相變層120的分數結晶度的變化Δf。
表1
參照圖2-4中所示出的數據最方便理解表1的底端行中的項。圖2、3和4示出為分別具有表1中所概括的比例、過渡和二元設計的元件中的相變層內的相變區(qū)域所計算的反射率(上面板)和相角(下面板)數據。圖2-4中所描繪的特性分別對應于比例、過渡和二元設計的有源相變層120中的區(qū)域。如下面更充分地描述的，束操控效應由相變材料的不同區(qū)域的相變層內的布置產生，其中不同區(qū)域根據分數結晶度而變化。相變層內的相變區(qū)域的適當模式或布置的形成提供束操控。圖2-4中所示出的數據涉及被用于根據本發(fā)明提供束操控的區(qū)域布置內的各個區(qū)域的特性。
反射率圖示出所計算的、作為堆棧的有源相變層120中結晶體積分數的函數的、相變材料區(qū)域的反射率。在從非晶相位(等于0的結晶體積分數)延伸至結晶相位(等于1的結晶體積分數)的整個范圍上提供數據。沿著結晶體積分數軸的不同點對應于具有相變材料的結晶和非晶相位的不同比例的相變區(qū)域的狀態(tài)。這些不同點于此可被稱作相變材料的不同結構狀態(tài)。針對具有1550nm和650nm的波長的入射電磁輻射示出反射率數據。相角圖針對1550nm計算示出所計算的、作為相變材料的結晶體積分數的函數的、相變材料區(qū)域的相角。在從非晶相位(等于0的結晶體積分數)延伸至結晶相位(等于1的結晶體積分數)的整個范圍上提供數據。相角圖包括絕對相角結果和相對相角結果。絕對相角是針對相變區(qū)域所計算的實際相角，而相對相角是通過絕對相角數據的偏移而獲得的，其中為了改變尺度的目的而將最小絕對相角設置為等于零，以便更清楚地觀察在結晶體積分數的范圍上的相角差。
圖2示出具有比例設計的元件的有源相變層內的相變材料區(qū)域的反射率和相角數據。反射率和相角數據示出對相變區(qū)域的結晶體積分數的平滑依賴性。就束操控能力而言，相角數據具有最大的相關性。比例元件的總相角差是160°，并對應于結晶體積分數范圍的結晶和非晶端點之間的差。相角數據的有關方面是在結晶體積分數的范圍上相角的連續(xù)變化。每一結晶體積分數與不同的相角相關，并因此為相變區(qū)域限定不同的相角狀態(tài)。比例設計具有在‘944公開物中所描述的PACSE元件的功能。相變材料的每一結構狀態(tài)對應于不同的結晶體積分數，該不同的結晶體積分數又對應于不同的相角，并且因此對應于相變區(qū)域的不同的相角狀態(tài)。與有源相變層內的相變區(qū)域相關的分數結晶度的模式唯一地決定由元件根據入射束所產生的輸出束的特性。比例元件提供在通過總相角差所施加的總極限內特性的連續(xù)變化，并且可以被用于提供連續(xù)的束操控能力。比例元件的特征在于相變層內的相變區(qū)域的相角和結晶體積分數之間基本上成比例的關系。如在表1中所看到的，并且需要90％的Δf的變化以實現光相角的90％的變化。
圖3示出具有過渡設計的元件的相變層內的相變區(qū)域的反射率和相角數據。在650nm時的反射率數據示出隨著結晶體積分數增大反射率逐步增大。在1550nm時的反射率數據示出非晶端點和大約0.55的結晶體積分數之間的減小以及大約0.55的結晶體積分數和結晶端點之間的增大。在它的最小值處，過渡元件的相變區(qū)域的反射率緊密接近零、但沒有完全達到零。過渡元件的相變區(qū)域的相角數據示出非晶和結晶端點之間的平滑變化。在相對相角數據中這最容易被看到。絕對相角數據示出當結晶體積分數增大至大約0.45時從非晶端點處的大約80°至接近0°的值的減小。超過大約0.45，為了定標目的而將絕對相角數據任意移動360°，以便針對超過大約0.45的結晶體積分數顯示絕對相角的變化。由于相角是周期函數，該定標純粹是為了有助于顯示，并且就元件的特性而言是不重要的。過渡元件和比例元件之間的主要差異在于前者示出在結晶體積分數的中間值處相對相角的更急劇的變化(也就是相角圖中的彎曲發(fā)展)。
針對傳統(tǒng)設計所述的趨勢在二元元件中變得甚至更顯著。在圖4中示出了為二元設計的相變層內的相變區(qū)域所計算的反射率和相角數據。在650nm時的反射率數據示出隨著增大二元設計中的結晶體積分數的逐步增大。在1550nm時，反射率數據類似于針對過渡設計所觀察到的數據，其中它們顯示出最小值。然而相對于過渡設計，最小值被移動至更高的結晶體積分數(大約0.64)，并且在最小值處的反射率的值是零。絕對相角數據在反射率的最小值附近示出出現絕對相角的急劇的、幾乎不連續(xù)的變化。在圖5中進一步示出了該特性，圖5示出在光相角的急劇變化附近光相角的更高分辨率計算。
光相角的幾乎不連續(xù)的特性指示在相變材料的窄的結晶體積分數范圍上出現相角的急劇變化。該窄的范圍于此可被稱作結晶體積分數轉換范圍。該轉換范圍將結晶體積分數的整個范圍描繪成三個不同區(qū)域1、從非晶端點延伸直到正好低于不連續(xù)的開始的值的結晶體積分數(該結晶體積分數范圍于此可被稱作前轉換范圍)；2、相角急劇變化的窄的結晶體積分數轉換范圍；以及3、從正好超過不連續(xù)延伸直到結晶端點的結晶體積分數(該結晶體積分數范圍于此可被稱作后轉換范圍)。
在前轉換范圍內和在后轉換范圍內，二元元件中的相變區(qū)域的相角僅僅示出隨著結晶體積分數、隨著存在于前轉換范圍內的狀態(tài)和后轉換范圍內的狀態(tài)之間的大的相角差的輕微變化。前轉換狀態(tài)和后轉換狀態(tài)之間的清楚的相角差成為本發(fā)明的二元元件的工作原理的基礎。前轉換范圍內的狀態(tài)的相角的相似性指示該范圍內的處于不同狀態(tài)的相變材料區(qū)域以相似的方式影響入射電磁束。后轉換范圍內的狀態(tài)的相角的相似性指示該范圍內的處于不同狀態(tài)的相變材料區(qū)域也以相似的方式影響入射電磁束。前和后轉換狀態(tài)的大的相角差指示在那兩個范圍內的處于多個狀態(tài)的相變區(qū)域以非常不同的方式影響特定的入射電磁束。因此，元件的功能實際上是二元的，其中可以至少近似地將前轉換和后轉換狀態(tài)看作兩個不同的相角狀態(tài)并且可以將具有多個相變區(qū)域的布置看作包括具有兩個不同的相角狀態(tài)的模式。通過類推，具有二元設計的元件的相變層內相變區(qū)域的前轉換和后轉換狀態(tài)使人想起傳統(tǒng)的二元電子裝置中的“低”和“高”狀態(tài)。
當根據本發(fā)明的二元元件的相變區(qū)域處于前轉換相角狀態(tài)時，它具有對入射電磁輻射的特性影響，該特性影響顯著不同于由后轉換相角狀態(tài)產生的對該輻射的特性影響。正如二元電子裝置中的“高”電壓容易與“低”電壓區(qū)分開并產生對電子信號的能夠容易地區(qū)分的影響那樣，本二元元件的相變區(qū)域的后轉換相角狀態(tài)容易與前轉換相角狀態(tài)區(qū)分開并產生對電磁信號的能夠容易地區(qū)分的影響。
根據本發(fā)明的二元元件的相變區(qū)域的前轉換范圍內的結構狀態(tài)或其子集可被統(tǒng)稱為相變區(qū)域的不同相角狀態(tài)。在理想化的實施例中，前轉換相角狀態(tài)中的所有結構狀態(tài)都具有相同的相角，并且不出現在與前轉換相角狀態(tài)相關的結晶體積分數范圍上的相角的變化。其次，在理想化的實施例中，后轉換范圍中的所有結構狀態(tài)都具有相同的相角，并且不出現在與后轉換相角狀態(tài)相關的結晶體積分數范圍上的相角的變化。第三，在理想化的實施例中，結晶體積分數的轉換范圍是任意窄的，并且不連續(xù)地出現。
由于例如元件的相變層和周圍層內的處理條件、成分或厚度均勻性之類的因素的統(tǒng)計變化，可能出現或期望缺陷、雜質等等以及設計偏愛、與二元元件的理想化條件的小的偏差。本發(fā)明的實施例進一步包括二元元件，其中在相變區(qū)域的兩個主要相角狀態(tài)中的每一個中出現小的相角變化。在這些實施例中，兩個相角狀態(tài)中的每一個都包括多個結構狀態(tài)，其中每一個結構狀態(tài)的特征在于結晶和非晶區(qū)域的特定比例。每一個相角狀態(tài)在結晶和非晶區(qū)域的比例范圍上延伸，并提供在特征間隔上延伸的相角范圍，其中結晶和非晶相位的比例范圍和兩個相角狀態(tài)的相角間隔是不重疊的。
就特性在圖4中被示出的實施例而言，例如，存在跨越從非晶端點(0.0或0％)延伸直到大約0.60(60％)的結晶體積分數的結晶體積分數范圍的第一相角狀態(tài)和跨越從大約0.65(或65％)的結晶體積分數延伸直到結晶端點(1.0或100％)的結晶體積分數范圍的第二相角狀態(tài)。第一相角狀態(tài)提供從大約54°延伸至99°的相角間隔，并且第二相角狀態(tài)提供從大約207°延伸至225°的相角間隔。在該實施例中，兩個相角狀態(tài)的結晶體積分數范圍是不重疊的，并且相角間隔是不重疊的。這兩個相角狀態(tài)通過出現相角的急劇變化的、在大約0.60和0.65的結晶體積分數之間的窄的結晶體積分數轉換范圍而分離，其中在0.04的結晶體積分數變化范圍內出現大約90％的陡度。
在窄的結晶體積分數范圍上相角的急劇變化是區(qū)別本元件與‘944公開物的PACSE元件的一個特征?？梢愿鶕霈F的相角變化和出現相角變化的結晶體積分數范圍來描述陡度。如在圖2-4中所看到的，元件的設計提供對相角變化的陡度的控制。在具有圖2的特征的比例設計中，僅存在相角的逐步變化，并且需要大的結晶體積分數范圍以便看到顯著的相角變化。在具有圖3中所示出的特征的過渡設計中，相角變化變得更陡峭，并且在0.50-0.60附近的結晶體積分數范圍內變得更急劇。在該范圍內，根據結晶體積分數的每一單位變化觀察到較大的相角變化。在具有圖4中所示出的特征的二元設計中，相角變化甚至更急劇。
在具有圖4的特征的實施例中，通過考慮存在于具有結晶區(qū)域的最大比例的第一相角狀態(tài)的結構狀態(tài)和具有結晶區(qū)域的最小比例的第二相角狀態(tài)的結構狀態(tài)之間的相角和結晶體積分數差，我們能夠簡單地描述兩個相角狀態(tài)之間的相角變化的陡度。第一相角狀態(tài)的最大結晶比例結構狀態(tài)是大約0.60，并且該狀態(tài)的相角是大約54°。第二相角狀態(tài)的最小結晶比例結構狀態(tài)是大約0.65，并且該狀態(tài)的相角是大約225°。因此，在該實施例中，我們觀察到在0.05(5％)的結晶體積分數范圍上171°的相角變化。
在于此優(yōu)選的實施例中，在小于或等于20％的結晶體積分數范圍上出現至少45°的相角變化。在于此更優(yōu)選的實施例中，在小于或等于15％的結晶體積分數范圍上出現至少90°的相角變化。在最優(yōu)選的實施例中，在小于或等于5％的結晶體積分數范圍上出現至少135°的相角變化。
如在圖2-4中進一步示出的，相角變化的陡度涉及元件對入射電磁輻射的波長的最小反射率。由于圖2-4針對具有1550nm的波長的入射電磁束呈現相角數據，我們在該討論中考慮在該波長時的反射率值。在比例設計中，在1550nm時的最小反射率是大約0.16(16％)(圖2)。在過渡設計中，在1550nm時的最小反射率是大約0.02(2％)(圖3)。在二元設計中，在1550nm時的最小反射率是大約0(0％)(圖4)。因此在優(yōu)選實施例中觀察到，隨著最小反射率減小，相角變化變得愈加急劇。進一步注意到，在遠離非晶和結晶端點的中間結晶體積分數處出現該最小反射率。
在于此優(yōu)選的實施例中，在入射波長時元件的最小反射率是5％或更小。在于此更優(yōu)選的實施例中，在入射波長時元件的最小反射率是2％或更小。在最優(yōu)選的實施例中，在入射波長時的最小反射率是0％。
通過本元件的相角狀態(tài)提供的相角間隔是感興趣的另一參數。通過裝置的設計(包括層成分和厚度)并且也通過被包括在與每一相角狀態(tài)相關的結構狀態(tài)的子集中的結晶和非晶狀態(tài)的比例范圍，可以控制相角間隔。在優(yōu)選實施例中，通過一個或兩個相角狀態(tài)提供的相角間隔跨越60°或更小的范圍。在更優(yōu)選的實施例中，通過一個或兩個相角狀態(tài)提供的相角間隔跨越45°或更小的范圍。在還要更優(yōu)選的實施例中，通過一個或兩個相角狀態(tài)提供的相角間隔跨越20°或更小的范圍。
前面的例子已經描述了利用具有結晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)的相變材料的本發(fā)明的操作特征和原理，其中可以連續(xù)改變結晶和非晶狀態(tài)的相對比例，以便提供可被進一步分組為結構狀態(tài)的子集的一系列結構狀態(tài)，所述結構狀態(tài)的子集限定本元件的有源相變層內相變區(qū)域的第一相角狀態(tài)和第二相角狀態(tài)。這兩個相角狀態(tài)的結構狀態(tài)的子集在相變層的結晶體積分數的比例的不重疊范圍上延伸，并提供不重疊的相角間隔。
通過有源層內這種相變材料區(qū)域的布置在本裝置中實現二元束操控能力，其中相鄰區(qū)域具有合適的尺寸，并處于在上文所描述的兩個相角狀態(tài)中的不同相角狀態(tài)中。一般原理和一些一般的尺寸要求在‘944公開物中針對PACSE元件(其基于在上文所描述的比例設計)進行了描述，并且此外與本發(fā)明相關。這些原理中的一些原理及其對本二元元件的具體應用的選擇性回顧在進一步理解本發(fā)明時有價值的。
如在PACSE元件的情況下，本二元元件是非衍射元件。為了確保非衍射條件，被周期性地定位的目標之間的間隔必須小于入射到元件上的電磁輻射的波長。該考慮在‘944公開物中被進一步描述，其中示出與束操控效應相關的特征是被周期性地定位的標記之間的間隔低于入射電磁輻射的波長。PACSE元件中的束操控基于如在上文針對比例設計所述的相角的連續(xù)變化，并包括通過在一系列相變區(qū)域(數據單元)上結晶體積分數的梯度的形成的、相位逐漸減小的產生，該一系列相變區(qū)域中的每一個都具有低于入射電磁輻射的波長的尺寸，以便防止衍射。通過控制PACSE元件的每一單位長度的結晶體積分數的變化，產生橫跨元件的相角的連續(xù)變化，并且因此實現連續(xù)的束操控能力。
在本元件中，束操控實際上是二元的，因為該元件提供相變區(qū)域的基本上兩個相角狀態(tài)，而不是相角狀態(tài)的連續(xù)區(qū)，其中該相變區(qū)域被布置在有源相變層內。盡管在本元件中可以產生與在PACSE元件中發(fā)現的那些結晶體積梯度類似的結晶體積梯度，但由于元件的二元特性，這些梯度并不提供如出現在PACSE元件中的、橫跨元件的相角的相應的連續(xù)變化。不管分數結晶度如何(以及暫時忽略兩個相角狀態(tài)之間的轉換區(qū)域)，相變材料區(qū)域必定處于兩個相變狀態(tài)之一中。因此束操控能力在本元件中比在PACSE元件中更有限，因為可用于相變層內的不同相變區(qū)域的相角狀態(tài)的數量在本二元元件中更有限。
在本元件中，束操控能力由在兩個相角狀態(tài)上延伸的相位逐漸減小產生，其中通過元件中的相鄰區(qū)域的并列來形成相位逐漸減小，所述相鄰區(qū)域中的每一個都包括處于兩個可用相角狀態(tài)中的不同相角狀態(tài)的相變材料。元件上并列區(qū)域的周期性布置提供束操控，其中束操控的方向取決于具有兩個相角狀態(tài)的區(qū)域的相對位置。如在下文更全面地描述的，在本元件中實現在離散的(例如左-右或上-下操控)、而不是連續(xù)的方向上的束操控。
二元束操控需要相變區(qū)域的兩個并列區(qū)域的效應的表現，所述并列區(qū)域中的每一個處于兩個可用相角狀態(tài)中的不同相角狀態(tài)。為了在并列區(qū)域中實現二元相位逐漸減小以便影響入射束，入射束必須察覺該逐漸減小。這需要二元相位逐漸減小被包含在可通過入射束的波長被采樣的尺寸的范圍內。當將束引導到元件上時，通過束的波長結合被提供給束的任何聚焦來確定通過入射束所采樣的長度標度。在足夠用于說明性目的的簡單近似中，通過下面的公式可以估計通過入射束所采樣的長度標度(Δx)Δx~λ2NA]]>其中λ是入射束的波長，并且NA是將束引導至元件的表面的光學器件的數值孔徑。在感興趣的典型應用中，入射電磁束是具有大約1550nm的波長的電信信號，并且通過具有大約0.25的數值孔徑的光學器件來引導。通過入射束所采樣的所得到的長度標度因此是大約3100nm，其相當于大約2λ。為了使入射束察覺二元相位逐漸減小，形成相位逐漸減小的兩個并列的相變區(qū)域中的每一個必須具有不大于大約λ的線性尺寸。根據本發(fā)明的二元相位逐漸減小的例子因此包括由相變材料構成的并列區(qū)域的周期性布置，其中所述并列區(qū)域中的每一個都處于在上文所描述的兩個可用相角狀態(tài)中的不同相角狀態(tài)，其中每一個區(qū)域具有大約λ的線性長度標度。作為例子，有代表性的實施例是包括具有λ×λ的尺寸的正方形相變區(qū)域的實施例。根據本發(fā)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，聚焦光學器件的數值孔徑的變化進一步提供控制限定二元相位逐漸減小的并列區(qū)域的尺寸的自由度。
在通過如上文所述的元件的相變區(qū)域布置的相角狀態(tài)所指示的方向上反射入射到元件上的電磁束。兩個相角狀態(tài)的適當的模式在相互專有的方向上反映入射束。每一個相角狀態(tài)在由其相關相角間隔所決定的程度上影響束的反射方向。由于相角間隔是不重疊的，從特定方向接近的入射束的反射方向根據在元件內相變區(qū)域的布置上兩個相角狀態(tài)的分布而不同。通過縮小與一個或兩個相角狀態(tài)相關的相角間隔，可以精確地控制反射方向。
可以通過能量的提供在第一和第二相角狀態(tài)之間可逆地轉換本元件的相變區(qū)域。能量的優(yōu)選形式包括電、光和熱。通過提供能量，可以通過改變相變層內相變區(qū)域的結晶和非晶區(qū)域的相對比例來改變元件的結構狀態(tài)。
非晶和結晶相位之間在兩個方向上的轉換在大量轉換周期上容易被實現、是可逆的并且可高度再現的。相變材料的轉換特性的進一步的細節(jié)在‘944公開物中可得到。
通過控制相變區(qū)域的相角狀態(tài)，可將入射電磁輻射束引導到兩個一般方向之一上。通過元件內的相變區(qū)域的相角狀態(tài)的調制能夠實現切換效應。適用于在相變區(qū)域的布置上從與第一相角狀態(tài)相關的范圍內的結構狀態(tài)至與第二相角狀態(tài)相關的范圍內的結構狀態(tài)(或反之亦然)的、相變層的相變區(qū)域的轉換的能量的調制施加提供從一個一般方向至另一個方向的切換。
圖6-9示出本元件的相變層的一部分的例子。圖6包括相變層的一部分200，該部分包括根據本發(fā)明的相變區(qū)域210、220、230和240。圖7包括相變層的一部分300，該部分包括根據本發(fā)明的相變區(qū)域310、320、330和340。圖8包括相變層的一部分400，該部分包括根據本發(fā)明的相變區(qū)域410、420、430和440。圖9包括相變層的一部分500，該部分包括根據本發(fā)明的相變區(qū)域510、520、530和540。圖6-9中的每一個相變區(qū)域都處于第一(被標記為“1”)或第二(被標記為“2”)相角狀態(tài)中，并且相變區(qū)域的布置表示提供束操控的相變層內的相角狀態(tài)的模式或分布。圖6和7表示實現左-右束操控或切換的實施例，而圖8和9表示實現上-下束操控或切換的實施例。
本發(fā)明的前述說明性實施例的相變材料具有結晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)，并且可以通過能量的提供在這些狀態(tài)之間可逆地轉換。相變材料的許多特性和成分在本領域中是公知的，并且以前例如在屬于本受讓人的專利號為3271591、3530441、4653024、4710899、4737934、4820394、5128099、5166758、5296716、5534711、5536947、5596522、5825046、5687112、5912104、5912839、5935672、6011757的美國專利以及屬于本受讓人的公開號為2002-0114256-A1和2003-0048744-A1的美國專利申請中已進行了論述，因此將這些專利和專利申請的公開內容引入作為參考。
將能夠施加到相變材料上引起該相變材料的結構狀態(tài)之間的轉換。相變材料具有特征熔化和結晶溫度，并且可以相對于這些溫度通過能量的受控施加來影響該結構狀態(tài)。在施加足以將相變材料加熱到它的熔化溫度之上的能量之后快速淬火，這促進非晶相位的形成。另一方面，緩慢的淬火可以允許相變材料內的結晶和結晶區(qū)域的形成，以便提供部分結晶或結晶材料。在量上足以將相變材料加熱到它的結晶和熔化溫度之間的能量的施加可以引起非晶區(qū)域向結晶相位的部分或完全轉換。
是否由非晶區(qū)域形成結晶區(qū)域并且在何種程度上它們形成取決于施加到相變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)。引起結晶區(qū)域的形成或通過生長或損耗修改相變材料中的現有結晶區(qū)域所需的能量和/或功率的量取決于例如相變材料的化學成分、相變材料的初始狀態(tài)、以及晶核化的動力學和熱力學以及生長過程之類的因素。也可以由結晶區(qū)域形成非晶區(qū)域。非晶區(qū)域的形成需要足以引起熔化或其它高流動性狀態(tài)的數量的能量的施加以及足以抑制結晶相位的形成的淬火速率。
可將能量施加到相變材料的體積的所選擇的部分上，以便引起局部的結構轉換，而不干擾相變材料的周圍部分。這種局部的結構轉換也可以被用于改變例如周圍結晶相位中非晶相位的體積分數。相位穩(wěn)定性和結構狀態(tài)之間的轉換受多個因素影響，這些因素包括結晶過程的動力學和熱力學、相變材料內能量的分布和流動(例如消耗，擴散，傳導)以及所施加的能量的強度、持續(xù)時間和空間分布。局部的結構轉換也可以被用于控制另一相位的周圍矩陣中的一個相位的尺寸、形狀或體積。例如以前在上文被引入作為參考的公開號為2002-0114256-A1的美國專利申請中已經描述了利用低熱預算策略的結晶矩陣內非晶相位區(qū)域(例如標記)的成形。
在以合適的量以合適的速率將能量施加到相變材料或其一部分上時實現結構狀態(tài)之間的轉換。各種形式的能量可以被用于實現結構狀態(tài)之間的轉換。該能量可以是利用單個能量源或多個能量源的電磁輻射(包括紅外線、光、激光和微波源)、電能、熱能、化學能、磁能、機械能、粒子束能、聲能或其組合的形式。電能的輸送例如可以是電流或電壓的形式，并且可以是連續(xù)的，或者是高度和寬度能夠被控制的脈沖的形式。光量可以是具有受控的波長、譜線形狀、能量和/或功率的脈沖調制的或連續(xù)的激光束的形式。二極管激光是適合用于本發(fā)明中的光能源的一個例子。
在上文被引入的專利號為4653024、4710899、4737934、4820394、5128099、5912104、5935672、6011757的美國專利以及公開號為2002-0114256-A1和2003-0048744-A1的美國專利申請描述了當被用作光學記錄介質時相變材料的結構狀態(tài)的例子。這些參考文獻通常描述利用例如具有合適的波長、強度、功率和譜線形狀的光激勵源在基本上結晶狀態(tài)和基本上非晶狀態(tài)之間可逆地轉換相變材料的能力。在典型的光學記錄應用中，包括相變材料的數據單元被用于存儲、寫入或擦除數據。擦除數據典型地是基本上結晶狀態(tài)，并且通過提供在量上足以產生對應于數據單元的相變材料的體積內的非晶標記的能量而發(fā)生寫入。通過對速率、所施加的能量的量和空間分布以及熱預算的明智控制，可以精確地控制形成于數據單元內的非晶標記的形狀和體積。因此，可以容易地并且連續(xù)地改變數據單元內相變材料的結晶和非晶狀態(tài)的相對比例，以便提供上文所述的結構狀態(tài)。
根據本發(fā)明適合使用的說明性的相變材料是包括元素In、Ag、Te、Se、Ge、Sb、Bi、Pb、Sn、As、S、Si、P、O中的一種或多種以及其混合物或合金(有時優(yōu)選地以共晶成分形式)的那些材料。在優(yōu)選實施例中，相變材料包括硫族元素。在最優(yōu)選的實施例中，相變材料包括作為硫族元素的Te。也優(yōu)選的是包括與Ge和/或Sb結合的硫族元素的相變材料、例如Ge2Sb2Te5、Ge4SbTe5、Sb2Te3和相關材料。僅GeTe或在具有CdTe的固溶體中的GeTe構成另一優(yōu)選實施例。在另一優(yōu)選實施例中，相變材料包括尤其與Sb和/或Te結合的Ag和/或In。AgInSbTe族中的共晶成分、例如AIST是另一最優(yōu)選的實施例。在另一優(yōu)選實施例中，相變材料包括硫族元素和過渡金屬、例如Cr、Fe、Ni、Nb、Pd、Pt或其混合物和合金。在上文被引入作為參考的美國專利中提供了根據本發(fā)明適合使用的相變材料的一些例子。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例包括夾在兩個介電層之間的相變層。圍繞相變層的介電層可以包括相同或不同的介電材料，并且可以相對于彼此以及相變層是相同或不同厚度的。本發(fā)明的介電層通常是氧化物材料或為絕緣體或當暴露于入射電磁束時顯示出低電導率的大帶隙半導體材料。優(yōu)選的介電材料包括SiO2、ZnS、Al2O3、GeO2和TiO2以及這些的合金和組合。其它實施例進一步包括金屬層，如在前述例子中那樣，在該金屬層上支承介電層-相變層-介電層堆棧。金屬層提供附加的機械支承，并進一步提供入射電磁束的背反射。優(yōu)選的金屬層是反射材料，并且包括Al、Au、Ag、Pt、Cu、Ti、不銹鋼中的一種或多種，包括這些的合金和組合。
有源層包括具有結晶和非晶狀態(tài)的相變材料的實施例的、在上文所提供的操作原理類似地應用于具有兩個或多個結晶形式的任意相變材料，其中不同的結晶形式擁有不同的光學常數。結晶和非晶狀態(tài)是相變材料的結晶形式的例子，并且另外的例子包括具有兩個或多個結晶學上不同的結晶狀態(tài)的那些相變材料。相變材料例如具有兩個結晶狀態(tài)，其中的每一個結晶狀態(tài)都是具有不同結晶標記的不同相位。例如對應于根據晶胞形狀或尺寸而不同的結晶狀態(tài)的結晶形式是可能的。例如在具有fcc、bcc、hcp、斜方晶、單斜晶、三角晶系、正方晶系等等晶胞的兩個或多個結晶相位之間的轉換提供本元件所需的功能。不同結晶形式也可以包括化學鍵接、分層和配位數方面的差異。可以根據兩個結晶形式中的每一個的不同比例(例如第一結晶狀態(tài)和第二結晶狀態(tài)的相對比例)來定義結構狀態(tài)，并且可以根據在結構狀態(tài)的子集上延伸的范圍來定義相角狀態(tài)，該結構狀態(tài)在不同結晶形式的不重疊的比例上延伸。
于此所闡述的公開內容和討論是說明性的，并不試圖限制本發(fā)明的實踐。雖然已經描述了被認為是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的實施例，但本領域的技術人員應認識到，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下可以進行其他和進一步的改變和修改，并且意圖要求落入本發(fā)明的完整范圍內的所有這種改變和修改。包括所有等價物的隨后的權利要求
結合前述公開內容以及本領域的技術人員可得到的公知常識限定本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.用于引導入射電磁束的元件，包括第一介電層；形成在所述第一介電層上的有源層，所述有源層包括多個相變區(qū)域，所述相變區(qū)域包括相變材料，所述相變材料具有第一結晶形式和第二結晶形式，所述相變區(qū)域具有多個結構狀態(tài)，所述結構狀態(tài)中的每一個都包括所述第一結晶形式的第一比例和所述第二結晶形式的第二比例；以及形成在所述有源層上的第二介電層；所述相變區(qū)域具有第一相角狀態(tài)和第二相角狀態(tài)，所述相變區(qū)域在處于所述第一相角狀態(tài)中時提供第一相角間隔，并且在處于所述第二相角狀態(tài)中時提供第二相角間隔，所述第一相角狀態(tài)包括跨越所述第一結晶形式的比例的第一范圍的所述結構狀態(tài)的第一子集，所述第二相角狀態(tài)包括跨越所述第一結晶形式的比例的第二范圍的所述結構狀態(tài)的第二子集，所述第一結晶形式的所述比例的所述第一和第二范圍是不重疊的；其中具有所述第一結晶形式的最大比例的所述第一相角狀態(tài)的結構狀態(tài)與具有所述第一結晶形式的最小比例的所述第二相角狀態(tài)的結構狀態(tài)在所述第一結晶形式的比例方面相差小于或等于20％，并且所述第一相角狀態(tài)的所述第一結晶形式狀態(tài)的所述最大比例的相角和所述第二相角狀態(tài)的所述第一結晶形式狀態(tài)的所述最小比例的相角相差至少45°。
2.權利要求
1的元件，其中所述第一結晶形式是結晶狀態(tài)。
3.權利要求
2的元件，其中所述第二結晶形式是非晶狀態(tài)。
4.權利要求
1的元件，其中所述相變材料包括S、Se或Te。
5.權利要求
4的元件，其中所述相變材料進一步包括Ge或Sb。
6.權利要求
1的元件，其中所述相變區(qū)域具有小于5％的最小反射率。
7.權利要求
1的元件，其中具有所述第一結晶形式的最大比例的所述第一相角狀態(tài)的結構狀態(tài)與具有所述第一結晶形式的最小比例的所述第二相角狀態(tài)的結構狀態(tài)在所述第一結晶形式的比例方面相差小于或等于15％，并且所述第一相角狀態(tài)的所述第一結晶形式狀態(tài)的所述最大比例的相角和所述第二相角狀態(tài)的所述第一結晶形式狀態(tài)的所述最小比例的相角相差至少90°。
8.權利要求
1的元件，其中具有所述第一結晶形式的最大比例的所述第一相角狀態(tài)的結構狀態(tài)與具有所述第一結晶形式的最小比例的所述第二相角狀態(tài)的結構狀態(tài)在所述第一結晶形式的比例方面相差小于或等于5％，并且所述第一相角狀態(tài)的所述第一結晶形式狀態(tài)的所述最大比例的相角和所述第二相角狀態(tài)的所述第一結晶形式狀態(tài)的所述最小比例的相角相差至少135°。
9.權利要求
1的元件，其中所述第一相角間隔的跨度不大于60°，并且所述比例的第一范圍跨越所述第一結晶形式的至少20％的比例范圍。
10.權利要求
9的元件，其中所述第二相角間隔的跨度不大于60°，并且所述比例的第二范圍跨越所述第二結晶形式的至少20％的比例范圍。
11.權利要求
9的元件，其中所述比例的第一范圍跨越所述第一結晶形式的至少40％的比例范圍。
12.權利要求
9的元件，其中所述第一相角間隔的跨度不大于20°。
13.權利要求
12的元件，其中所述第二相角間隔的跨度不大于20°，并且所述比例的第二范圍跨越所述第二結晶形式的至少20％的比例范圍。
14.權利要求
12的元件，其中所述比例的第一范圍跨越所述第一結晶形式的至少35％的比例范圍。
專利摘要
用于操控電磁束的元件。該元件包括與多層光學堆棧中的介電層和其它層結合的相變材料。該相變材料可以在兩個或多個結構狀態(tài)之間可逆地轉換，其中不同的結構狀態(tài)根據折射率和/或消光系數而不同。相變材料的結構狀態(tài)建立元件的相角狀態(tài)，該相角狀態(tài)指示由入射電磁束產生的輸出束的傳播方向。根據該結構狀態(tài)，該元件采用兩個主要相角狀態(tài)之一，并且實現二元束操控能力，其中可以在兩個方向中的任一方向上重定向入射電磁束。在優(yōu)選實施例中，輸出束是反射束，并且該元件包括夾在兩個介電材料之間的并由金屬層支承的相變材料。
文檔編號G02B6/42GK1993649SQ20058002572
公開日2007年7月4日 申請日期2005年7月26日
發(fā)明者D·V·朱 申請人:能源變換設備有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan