專(zhuān)利名稱(chēng)：二元束操控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)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(xué)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(gè)方向可逆地轉(zhuǎn)換到另一方向的可重新配置的光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
用于路由、重定向和控制電磁輻射流的能力在許多技術(shù)應(yīng)用中是重要的。由于對(duì)數(shù)據(jù)的高速和高密度傳輸和存儲(chǔ)的需要逐步升級(jí)，例如光學(xué)信息系統(tǒng)預(yù)期變得日益重要。為了優(yōu)化光學(xué)裝置的功能，有必要對(duì)光的傳播方向進(jìn)行精確的控制。例如光學(xué)數(shù)據(jù)的讀和寫(xiě)典型地需要將一個(gè)或多個(gè)光束精確定位在光學(xué)記錄介質(zhì)中的邊界明確的位置處。在許多應(yīng)用中，也期望利用日益緊湊的裝置對(duì)光傳播進(jìn)行精確控制。光學(xué)元件的小型化和增強(qiáng)的功能對(duì)于將來(lái)的技術(shù)來(lái)說(shuō)是基本的。類(lèi)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(dāng)然已經(jīng)證明這些裝置在以預(yù)定的方式引導(dǎo)光方面是非?？煽亢陀行У模幸韵氯毕菀坏┲圃旌煤捅欢ㄎ?，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(dòng)，并且可能涉及麻煩和/或緩慢的對(duì)準(zhǔn)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(lái)集中于MEMS(微電機(jī)系統(tǒng))技術(shù)。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(shù)包括以陣列配置的小型反射鏡，該陣列可以包括幾百個(gè)被精確定位和/或相對(duì)于彼此傾斜的反射鏡。MEMS是潛在有利的技術(shù)，因?yàn)樵|(zhì)量非常小，并因此幾乎不需要用于對(duì)于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)執(zhí)行能力來(lái)說(shuō)所需的重新定位的力。在發(fā)展MEMS技術(shù)方面的大部分努力已經(jīng)集中于光交換和光交叉連接。MEMS技術(shù)例如可以被用于將光信號(hào)引導(dǎo)到纖維束中的特定光纖以及基于重新定位將信號(hào)重定向到其它光纖。
盡管MEMS技術(shù)提供幾個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn)，但它的實(shí)施方式提出幾個(gè)問(wèn)題。首先，盡管MEMS元件是可重新定位的，但重新定位是通過(guò)機(jī)械過(guò)程進(jìn)行的，并在毫秒時(shí)間標(biāo)度上出現(xiàn)。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，希望更快速的動(dòng)態(tài)能力。第二，MEMS系統(tǒng)是精密的，并且易受由例如振動(dòng)之類(lèi)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(fù)雜的反饋系統(tǒng)來(lái)確保在典型的應(yīng)用環(huán)境中的操作的穩(wěn)健性。第三，MEMS系統(tǒng)當(dāng)前是非常昂貴的。高成本與制造應(yīng)用典型地所需的小型元件、大量元件的錯(cuò)綜復(fù)雜、以及元件連同致動(dòng)裝置一起成為許多應(yīng)用所需的三維陣列的精確裝配相關(guān)。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中需要用于控制電磁輻射的傳播的改進(jìn)的裝置。理想地，這些裝置應(yīng)是固定的、能夠動(dòng)態(tài)地重新配置的，并在跨越大的角度范圍的用戶(hù)確定的方向上以有效、可再現(xiàn)的方式提供電磁輻射的反射和重定向。

發(fā)明內(nèi)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(gè)不同的相角狀態(tài)。本元件的操作基于對(duì)入射電磁輻射的相角的精確控制，以便在通過(guò)元件的相角狀態(tài)所規(guī)定的方向上產(chǎn)生反射的輸出輻射。每一相角狀態(tài)在特征方向上引導(dǎo)入射電磁輻射束。根據(jù)元件的相角狀態(tài)，因此將入射電磁輻射重定向到兩個(gè)方向之一中，并且因此實(shí)現(xiàn)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(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換的材料，其中可以通過(guò)光或電能的施加引起結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換。兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)區(qū)分兩個(gè)相角狀態(tài)，所述相角狀態(tài)中的每一個(gè)以不同方式影響入射電磁束的相角，以便由元件產(chǎn)生在通過(guò)相角狀態(tài)所指示的方向上傳播的反射的輸出信號(hào)。兩個(gè)相角狀態(tài)之間的可逆轉(zhuǎn)換可以在快速的時(shí)間標(biāo)度上實(shí)現(xiàn)，以便提供動(dòng)態(tài)束操控能力。
在優(yōu)選實(shí)施例中，該有源區(qū)域包括具有結(jié)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(jié)晶部分和非晶部分，以便提供具有在結(jié)晶和非晶極限之間連續(xù)可變的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的有源相變區(qū)域。結(jié)晶和非晶極限之間的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的相互專(zhuān)有的范圍限定兩個(gè)相角狀態(tài)，其中從一個(gè)相角狀態(tài)至另一相角狀態(tài)的轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在小的分?jǐn)?shù)結(jié)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(guò)渡元素中選擇的一個(gè)或多個(gè)改良劑結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)硫族元素(S，Se，Te)。優(yōu)選的主族元素是來(lái)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(guò)渡金屬包括Zn和Cd。
在優(yōu)選實(shí)施例中，本元件包括光學(xué)堆棧，該光學(xué)堆棧包括夾在兩個(gè)介電層之間的相變層，其中通過(guò)金屬層來(lái)支承三層組合(介電材料-相變材料-介電材料)。通過(guò)適當(dāng)?shù)卮_定層厚度，本發(fā)明的該實(shí)施例提供二元操控能力。


圖1示出多層光學(xué)堆棧；圖2示出具有比例設(shè)計(jì)的元件的、所計(jì)算的反射率和相角特性。該計(jì)算包括在從0.0延伸至1.0的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的范圍上的20個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。
圖3示出具有過(guò)渡設(shè)計(jì)的元件的、所計(jì)算的反射率和相角特性。該計(jì)算包括在從0.0延伸至1.0的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的范圍上的20個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。
圖4示出具有二元設(shè)計(jì)的元件的、所計(jì)算的反射率和相角特性。該計(jì)算包括在從0.0延伸至1.0的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的范圍上的20個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。
圖5示出具有二元設(shè)計(jì)的元件的反射率和相角特性的高分辨率計(jì)算。該計(jì)算包括在從0.55延伸至0.75的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的范圍上的20個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。
圖6示出包括四個(gè)相變區(qū)域和分布在其中的兩個(gè)相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
圖7示出包括四個(gè)相變區(qū)域和分布在其中的兩個(gè)相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
圖8示出包括四個(gè)相變區(qū)域和分布在其中的兩個(gè)相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
圖9示出包括四個(gè)相變區(qū)域和分布在其中的兩個(gè)相角狀態(tài)的模式的相變層的一部分。
具體實(shí)施例方式
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(gè)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(nèi)部相互作用，并被反射，以便產(chǎn)生在兩個(gè)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(gè)有源層的多層光學(xué)堆棧，該至少一個(gè)有源層包括相變材料與例如電介質(zhì)和金屬的輔助層。相變材料是具有兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)、并具有通過(guò)與能量場(chǎng)相互作用來(lái)在這些狀態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換的能力的材料。通過(guò)相變材料的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的相對(duì)比例的變化，能夠在兩個(gè)或多個(gè)不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換有源層。兩個(gè)或多個(gè)不同的有源層狀態(tài)可被分為遍布相變材料的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的相對(duì)比例的相互專(zhuān)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(gè)不同的相角狀態(tài)。
以前已經(jīng)在被轉(zhuǎn)讓給本受讓人的公開(kāi)號(hào)為US-2004-0036944A1(‘944公開(kāi)物)美國(guó)專(zhuān)利中描述了通過(guò)相變區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化來(lái)進(jìn)行相角控制的概念，因此將該美國(guó)專(zhuān)利的公開(kāi)內(nèi)容引入作為參考。該‘944公開(kāi)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?fàn)顟B(tài)、束橫截面的對(duì)稱(chēng)性和波前特性的相角控制固定元件(PACSE元件)。該‘944公開(kāi)物的PACSE元件是被再分成子波長(zhǎng)標(biāo)度數(shù)據(jù)單元的多層結(jié)構(gòu)。這些層內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)是有源相變材料。有源相變材料具有結(jié)晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)，并且每一數(shù)據(jù)單元具有特征在于由數(shù)據(jù)單元限定的體積內(nèi)的結(jié)晶和非晶部分的相對(duì)比例的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)狀態(tài)以在非晶極限(0％分?jǐn)?shù)結(jié)晶度)和結(jié)晶極限(100％分?jǐn)?shù)結(jié)晶度)之間的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度連續(xù)地變化。在PACSE元件中，數(shù)據(jù)單元的所得到的相變特性隨著分?jǐn)?shù)結(jié)晶度平滑地并且連續(xù)地變化。通過(guò)沿著PACSE元件的表面在一個(gè)或多個(gè)方向上和/或以各種模式控制不同數(shù)據(jù)單元的相對(duì)分?jǐn)?shù)結(jié)晶度，根據(jù)‘944的PACSE元件可以被用于控制傳播方向和/或截面對(duì)稱(chēng)性和/或反射或透射電磁束的聚焦?fàn)顟B(tài)。
‘944公開(kāi)物的元件中的一個(gè)或多個(gè)方向上分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的受控變化被用于通過(guò)局部控制輸出束的光相位來(lái)控制輸出束(例如反射或透射束或信號(hào))的特性(例如傳播方向、截面束形狀、聚焦?fàn)顟B(tài))。由于相變材料的非晶和結(jié)晶狀態(tài)具有不同的光學(xué)常數(shù)(例如折射率(n)，消光系數(shù)(k))，這些狀態(tài)對(duì)入射電磁束施加不同的相位延遲。在具有介于非晶和結(jié)晶極限之間的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的數(shù)據(jù)單元中，根據(jù)有效介質(zhì)近似的相位延遲是由數(shù)據(jù)單元中的非晶和結(jié)晶區(qū)域的相對(duì)部分決定的平均值。通過(guò)沿著一個(gè)方向改變一系列數(shù)據(jù)單元的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度，產(chǎn)生相位逐漸減小，其中從數(shù)據(jù)單元至數(shù)據(jù)單元的相位延遲差是非零的。分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的梯度實(shí)際上在內(nèi)部存儲(chǔ)PACSE元件的有源材料的不同相角響應(yīng)，并且是PACSE元件的操作的基本特征。當(dāng)入射束與元件相互作用時(shí)，相位逐漸減小實(shí)際上通過(guò)改變?nèi)肷涫庥龅墓獬涕L(zhǎng)度來(lái)控制輸出束的相位。在‘944公開(kāi)物中提供進(jìn)一步的討論。
在操作特性方面，通過(guò)數(shù)據(jù)單元的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度和沿著一系列數(shù)據(jù)單元的結(jié)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(yīng)。在本發(fā)明的上下文中，可以說(shuō)數(shù)據(jù)單元中的分?jǐn)?shù)結(jié)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(guò)該相角狀態(tài)指示反射或透射的輸出束的特性。通過(guò)改變分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的模式，能夠?qū)⒉煌南嘟菭顟B(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(kāi)物中所討論的，通過(guò)改變PACSE元件的相角狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)輸出束的傳播方向、截面束形狀和聚焦?fàn)顟B(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?jǐn)?shù)結(jié)晶度的變化提供兩個(gè)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(chēng)作PACSE-Lite元件。每一個(gè)相角狀態(tài)對(duì)晶體分?jǐn)?shù)的甚至大的變化相當(dāng)不敏感，并且在狹窄的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度范圍上出現(xiàn)從一個(gè)相角狀態(tài)至另一個(gè)相角狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。
本二元元件是多層光學(xué)堆棧，為了控制從固定光學(xué)元件發(fā)出的輸出束的相位特性，該多層光學(xué)堆棧進(jìn)一步擴(kuò)展自由度。由本發(fā)明提供的附加控制由光學(xué)堆棧中的層的厚度的變化產(chǎn)生。在下面的討論中，由相同的材料構(gòu)成的、但具有不同的層厚度的說(shuō)明性多層堆棧結(jié)構(gòu)被比較，并被用于相對(duì)于‘944公開(kāi)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(shuō)明性實(shí)施例的特征。該實(shí)施例是具有在圖1中示意性地所描繪的結(jié)構(gòu)的四層光學(xué)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(biāo)記為D1)和第二介電層130(在表1中被標(biāo)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(biāo)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(shè)計(jì)比例設(shè)計(jì)、過(guò)渡設(shè)計(jì)和二元設(shè)計(jì)。二元和過(guò)渡設(shè)計(jì)是根據(jù)本發(fā)明的元件的實(shí)施例。比例設(shè)計(jì)類(lèi)似于根據(jù)‘944公開(kāi)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(jié)晶體積分?jǐn)?shù)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(jié)晶體積分?jǐn)?shù)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(guò)渡設(shè)計(jì)具有介于比例和二元設(shè)計(jì)的那些相角特性之間的相角特性。
三種設(shè)計(jì)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(duì)于三種設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有相同的厚度(100nm)，并被用于為其它層提供機(jī)械支承，并進(jìn)一步起作用以提供背反射。有源相變層120對(duì)于三種設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也具有相同的厚度(20nm)。介電層D2對(duì)于三種設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有類(lèi)似的厚度(55nm對(duì)55nm對(duì)47nm)。三種設(shè)計(jì)的主要差異是上介電層D1的厚度(60nm對(duì)10nm對(duì)10.1nm)。表1的底端行針對(duì)每一種多層設(shè)計(jì)示出光相角(OPA)的總差Δ(度數(shù)方面)以及示出用于實(shí)現(xiàn)OPA的總差Δ的90％所需的相變層120的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的變化Δf。
表1

參照?qǐng)D2-4中所示出的數(shù)據(jù)最方便理解表1的底端行中的項(xiàng)。圖2、3和4示出為分別具有表1中所概括的比例、過(guò)渡和二元設(shè)計(jì)的元件中的相變層內(nèi)的相變區(qū)域所計(jì)算的反射率(上面板)和相角(下面板)數(shù)據(jù)。圖2-4中所描繪的特性分別對(duì)應(yīng)于比例、過(guò)渡和二元設(shè)計(jì)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(yīng)由相變材料的不同區(qū)域的相變層內(nèi)的布置產(chǎn)生，其中不同區(qū)域根據(jù)分?jǐn)?shù)結(jié)晶度而變化。相變層內(nèi)的相變區(qū)域的適當(dāng)模式或布置的形成提供束操控。圖2-4中所示出的數(shù)據(jù)涉及被用于根據(jù)本發(fā)明提供束操控的區(qū)域布置內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的特性。
反射率圖示出所計(jì)算的、作為堆棧的有源相變層120中結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的、相變材料區(qū)域的反射率。在從非晶相位(等于0的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù))延伸至結(jié)晶相位(等于1的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù))的整個(gè)范圍上提供數(shù)據(jù)。沿著結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)軸的不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)于具有相變材料的結(jié)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(diǎn)于此可被稱(chēng)作相變材料的不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)。針對(duì)具有1550nm和650nm的波長(zhǎng)的入射電磁輻射示出反射率數(shù)據(jù)。相角圖針對(duì)1550nm計(jì)算示出所計(jì)算的、作為相變材料的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)的、相變材料區(qū)域的相角。在從非晶相位(等于0的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù))延伸至結(jié)晶相位(等于1的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù))的整個(gè)范圍上提供數(shù)據(jù)。相角圖包括絕對(duì)相角結(jié)果和相對(duì)相角結(jié)果。絕對(duì)相角是針對(duì)相變區(qū)域所計(jì)算的實(shí)際相角，而相對(duì)相角是通過(guò)絕對(duì)相角數(shù)據(jù)的偏移而獲得的，其中為了改變尺度的目的而將最小絕對(duì)相角設(shè)置為等于零，以便更清楚地觀察在結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的范圍上的相角差。
圖2示出具有比例設(shè)計(jì)的元件的有源相變層內(nèi)的相變材料區(qū)域的反射率和相角數(shù)據(jù)。反射率和相角數(shù)據(jù)示出對(duì)相變區(qū)域的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的平滑依賴(lài)性。就束操控能力而言，相角數(shù)據(jù)具有最大的相關(guān)性。比例元件的總相角差是160°，并對(duì)應(yīng)于結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍的結(jié)晶和非晶端點(diǎn)之間的差。相角數(shù)據(jù)的有關(guān)方面是在結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的范圍上相角的連續(xù)變化。每一結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)與不同的相角相關(guān)，并因此為相變區(qū)域限定不同的相角狀態(tài)。比例設(shè)計(jì)具有在‘944公開(kāi)物中所描述的PACSE元件的功能。相變材料的每一結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)應(yīng)于不同的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)，該不同的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)又對(duì)應(yīng)于不同的相角，并且因此對(duì)應(yīng)于相變區(qū)域的不同的相角狀態(tài)。與有源相變層內(nèi)的相變區(qū)域相關(guān)的分?jǐn)?shù)結(jié)晶度的模式唯一地決定由元件根據(jù)入射束所產(chǎn)生的輸出束的特性。比例元件提供在通過(guò)總相角差所施加的總極限內(nèi)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(nèi)的相變區(qū)域的相角和結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)之間基本上成比例的關(guān)系。如在表1中所看到的，并且需要90％的Δf的變化以實(shí)現(xiàn)光相角的90％的變化。
圖3示出具有過(guò)渡設(shè)計(jì)的元件的相變層內(nèi)的相變區(qū)域的反射率和相角數(shù)據(jù)。在650nm時(shí)的反射率數(shù)據(jù)示出隨著結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增大反射率逐步增大。在1550nm時(shí)的反射率數(shù)據(jù)示出非晶端點(diǎn)和大約0.55的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)之間的減小以及大約0.55的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和結(jié)晶端點(diǎn)之間的增大。在它的最小值處，過(guò)渡元件的相變區(qū)域的反射率緊密接近零、但沒(méi)有完全達(dá)到零。過(guò)渡元件的相變區(qū)域的相角數(shù)據(jù)示出非晶和結(jié)晶端點(diǎn)之間的平滑變化。在相對(duì)相角數(shù)據(jù)中這最容易被看到。絕對(duì)相角數(shù)據(jù)示出當(dāng)結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)增大至大約0.45時(shí)從非晶端點(diǎn)處的大約80°至接近0°的值的減小。超過(guò)大約0.45，為了定標(biāo)目的而將絕對(duì)相角數(shù)據(jù)任意移動(dòng)360°，以便針對(duì)超過(guò)大約0.45的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)顯示絕對(duì)相角的變化。由于相角是周期函數(shù)，該定標(biāo)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(guò)渡元件和比例元件之間的主要差異在于前者示出在結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的中間值處相對(duì)相角的更急劇的變化(也就是相角圖中的彎曲發(fā)展)。
針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)所述的趨勢(shì)在二元元件中變得甚至更顯著。在圖4中示出了為二元設(shè)計(jì)的相變層內(nèi)的相變區(qū)域所計(jì)算的反射率和相角數(shù)據(jù)。在650nm時(shí)的反射率數(shù)據(jù)示出隨著增大二元設(shè)計(jì)中的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的逐步增大。在1550nm時(shí)，反射率數(shù)據(jù)類(lèi)似于針對(duì)過(guò)渡設(shè)計(jì)所觀察到的數(shù)據(jù)，其中它們顯示出最小值。然而相對(duì)于過(guò)渡設(shè)計(jì)，最小值被移動(dòng)至更高的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)(大約0.64)，并且在最小值處的反射率的值是零。絕對(duì)相角數(shù)據(jù)在反射率的最小值附近示出出現(xiàn)絕對(duì)相角的急劇的、幾乎不連續(xù)的變化。在圖5中進(jìn)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(jì)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(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上出現(xiàn)相角的急劇變化。該窄的范圍于此可被稱(chēng)作結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換范圍。該轉(zhuǎn)換范圍將結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的整個(gè)范圍描繪成三個(gè)不同區(qū)域1、從非晶端點(diǎn)延伸直到正好低于不連續(xù)的開(kāi)始的值的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)(該結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍于此可被稱(chēng)作前轉(zhuǎn)換范圍)；2、相角急劇變化的窄的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換范圍；以及3、從正好超過(guò)不連續(xù)延伸直到結(jié)晶端點(diǎn)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)(該結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍于此可被稱(chēng)作后轉(zhuǎn)換范圍)。
在前轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)和在后轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，二元元件中的相變區(qū)域的相角僅僅示出隨著結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)、隨著存在于前轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的狀態(tài)和后轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的狀態(tài)之間的大的相角差的輕微變化。前轉(zhuǎn)換狀態(tài)和后轉(zhuǎn)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(chǔ)。前轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的狀態(tài)的相角的相似性指示該范圍內(nèi)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(zhuǎn)換范圍內(nèi)的狀態(tài)的相角的相似性指示該范圍內(nèi)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(zhuǎn)換狀態(tài)的大的相角差指示在那兩個(gè)范圍內(nèi)的處于多個(gè)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(shí)際上是二元的，其中可以至少近似地將前轉(zhuǎn)換和后轉(zhuǎn)換狀態(tài)看作兩個(gè)不同的相角狀態(tài)并且可以將具有多個(gè)相變區(qū)域的布置看作包括具有兩個(gè)不同的相角狀態(tài)的模式。通過(guò)類(lèi)推，具有二元設(shè)計(jì)的元件的相變層內(nèi)相變區(qū)域的前轉(zhuǎn)換和后轉(zhuǎn)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(dāng)根據(jù)本發(fā)明的二元元件的相變區(qū)域處于前轉(zhuǎn)換相角狀態(tài)時(shí)，它具有對(duì)入射電磁輻射的特性影響，該特性影響顯著不同于由后轉(zhuǎn)換相角狀態(tài)產(chǎn)生的對(duì)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(kāi)并產(chǎn)生對(duì)電子信號(hào)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(zhuǎn)換相角狀態(tài)容易與前轉(zhuǎn)換相角狀態(tài)區(qū)分開(kāi)并產(chǎn)生對(duì)電磁信號(hào)的能夠容易地區(qū)分的影響。
根據(jù)本發(fā)明的二元元件的相變區(qū)域的前轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或其子集可被統(tǒng)稱(chēng)為相變區(qū)域的不同相角狀態(tài)。在理想化的實(shí)施例中，前轉(zhuǎn)換相角狀態(tài)中的所有結(jié)構(gòu)狀態(tài)都具有相同的相角，并且不出現(xiàn)在與前轉(zhuǎn)換相角狀態(tài)相關(guān)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上的相角的變化。其次，在理想化的實(shí)施例中，后轉(zhuǎn)換范圍中的所有結(jié)構(gòu)狀態(tài)都具有相同的相角，并且不出現(xiàn)在與后轉(zhuǎn)換相角狀態(tài)相關(guān)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上的相角的變化。第三，在理想化的實(shí)施例中，結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的轉(zhuǎn)換范圍是任意窄的，并且不連續(xù)地出現(xiàn)。
由于例如元件的相變層和周?chē)鷮觾?nèi)的處理?xiàng)l件、成分或厚度均勻性之類(lèi)的因素的統(tǒng)計(jì)變化，可能出現(xiàn)或期望缺陷、雜質(zhì)等等以及設(shè)計(jì)偏愛(ài)、與二元元件的理想化條件的小的偏差。本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)一步包括二元元件，其中在相變區(qū)域的兩個(gè)主要相角狀態(tài)中的每一個(gè)中出現(xiàn)小的相角變化。在這些實(shí)施例中，兩個(gè)相角狀態(tài)中的每一個(gè)都包括多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其中每一個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的特征在于結(jié)晶和非晶區(qū)域的特定比例。每一個(gè)相角狀態(tài)在結(jié)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(jié)晶和非晶相位的比例范圍和兩個(gè)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(shí)施例而言，例如，存在跨越從非晶端點(diǎn)(0.0或0％)延伸直到大約0.60(60％)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍的第一相角狀態(tài)和跨越從大約0.65(或65％)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)延伸直到結(jié)晶端點(diǎn)(1.0或100％)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)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(shí)施例中，兩個(gè)相角狀態(tài)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍是不重疊的，并且相角間隔是不重疊的。這兩個(gè)相角狀態(tài)通過(guò)出現(xiàn)相角的急劇變化的、在大約0.60和0.65的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)之間的窄的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換范圍而分離，其中在0.04的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)變化范圍內(nèi)出現(xiàn)大約90％的陡度。
在窄的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上相角的急劇變化是區(qū)別本元件與‘944公開(kāi)物的PACSE元件的一個(gè)特征?？梢愿鶕?jù)出現(xiàn)的相角變化和出現(xiàn)相角變化的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍來(lái)描述陡度。如在圖2-4中所看到的，元件的設(shè)計(jì)提供對(duì)相角變化的陡度的控制。在具有圖2的特征的比例設(shè)計(jì)中，僅存在相角的逐步變化，并且需要大的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)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(guò)渡設(shè)計(jì)中，相角變化變得更陡峭，并且在0.50-0.60附近的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)變得更急劇。在該范圍內(nèi)，根據(jù)結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)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(shè)計(jì)中，相角變化甚至更急劇。
在具有圖4的特征的實(shí)施例中，通過(guò)考慮存在于具有結(jié)晶區(qū)域的最大比例的第一相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和具有結(jié)晶區(qū)域的最小比例的第二相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的相角和結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)差，我們能夠簡(jiǎn)單地描述兩個(gè)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(jié)晶比例結(jié)構(gòu)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(jié)晶比例結(jié)構(gòu)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(shí)施例中，我們觀察到在0.05(5％)的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上171°的相角變化。
在于此優(yōu)選的實(shí)施例中，在小于或等于20％的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上出現(xiàn)至少45°的相角變化。在于此更優(yōu)選的實(shí)施例中，在小于或等于15％的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上出現(xiàn)至少90°的相角變化。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，在小于或等于5％的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)范圍上出現(xiàn)至少135°的相角變化。
如在圖2-4中進(jìn)一步示出的，相角變化的陡度涉及元件對(duì)入射電磁輻射的波長(zhǎng)的最小反射率。由于圖2-4針對(duì)具有1550nm的波長(zhǎng)的入射電磁束呈現(xiàn)相角數(shù)據(jù)，我們?cè)谠撚懻撝锌紤]在該波長(zhǎng)時(shí)的反射率值。在比例設(shè)計(jì)中，在1550nm時(shí)的最小反射率是大約0.16(16％)(圖2)。在過(guò)渡設(shè)計(jì)中，在1550nm時(shí)的最小反射率是大約0.02(2％)(圖3)。在二元設(shè)計(jì)中，在1550nm時(shí)的最小反射率是大約0(0％)(圖4)。因此在優(yōu)選實(shí)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(jìn)一步注意到，在遠(yuǎn)離非晶和結(jié)晶端點(diǎn)的中間結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)處出現(xiàn)該最小反射率。
在于此優(yōu)選的實(shí)施例中，在入射波長(zhǎng)時(shí)元件的最小反射率是5％或更小。在于此更優(yōu)選的實(shí)施例中，在入射波長(zhǎng)時(shí)元件的最小反射率是2％或更小。在最優(yōu)選的實(shí)施例中，在入射波長(zhǎng)時(shí)的最小反射率是0％。
通過(guò)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(shù)。通過(guò)裝置的設(shè)計(jì)(包括層成分和厚度)并且也通過(guò)被包括在與每一相角狀態(tài)相關(guān)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的子集中的結(jié)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(shí)施例中，通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)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(shí)施例中，通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)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(shí)施例中，通過(guò)一個(gè)或兩個(gè)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(jīng)描述了利用具有結(jié)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(jié)晶和非晶狀態(tài)的相對(duì)比例，以便提供可被進(jìn)一步分組為結(jié)構(gòu)狀態(tài)的子集的一系列結(jié)構(gòu)狀態(tài)，所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)的子集限定本元件的有源相變層內(nèi)相變區(qū)域的第一相角狀態(tài)和第二相角狀態(tài)。這兩個(gè)相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的子集在相變層的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)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(guò)有源層內(nèi)這種相變材料區(qū)域的布置在本裝置中實(shí)現(xiàn)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(gè)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(kāi)物中針對(duì)PACSE元件(其基于在上文所描述的比例設(shè)計(jì))進(jìn)行了描述，并且此外與本發(fā)明相關(guān)。這些原理中的一些原理及其對(duì)本二元元件的具體應(yīng)用的選擇性回顧在進(jìn)一步理解本發(fā)明時(shí)有價(jià)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(biāo)之間的間隔必須小于入射到元件上的電磁輻射的波長(zhǎng)。該考慮在‘944公開(kāi)物中被進(jìn)一步描述，其中示出與束操控效應(yīng)相關(guān)的特征是被周期性地定位的標(biāo)記之間的間隔低于入射電磁輻射的波長(zhǎng)。PACSE元件中的束操控基于如在上文針對(duì)比例設(shè)計(jì)所述的相角的連續(xù)變化，并包括通過(guò)在一系列相變區(qū)域(數(shù)據(jù)單元)上結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的梯度的形成的、相位逐漸減小的產(chǎn)生，該一系列相變區(qū)域中的每一個(gè)都具有低于入射電磁輻射的波長(zhǎng)的尺寸，以便防止衍射。通過(guò)控制PACSE元件的每一單位長(zhǎng)度的結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)的變化，產(chǎn)生橫跨元件的相角的連續(xù)變化，并且因此實(shí)現(xiàn)連續(xù)的束操控能力。
在本元件中，束操控實(shí)際上是二元的，因?yàn)樵撛峁┫嘧儏^(qū)域的基本上兩個(gè)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(nèi)。盡管在本元件中可以產(chǎn)生與在PACSE元件中發(fā)現(xiàn)的那些結(jié)晶體積梯度類(lèi)似的結(jié)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(xiàn)在PACSE元件中的、橫跨元件的相角的相應(yīng)的連續(xù)變化。不管分?jǐn)?shù)結(jié)晶度如何(以及暫時(shí)忽略?xún)蓚€(gè)相角狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換區(qū)域)，相變材料區(qū)域必定處于兩個(gè)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?yàn)榭捎糜谙嘧儗觾?nèi)的不同相變區(qū)域的相角狀態(tài)的數(shù)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(gè)相角狀態(tài)上延伸的相位逐漸減小產(chǎn)生，其中通過(guò)元件中的相鄰區(qū)域的并列來(lái)形成相位逐漸減小，所述相鄰區(qū)域中的每一個(gè)都包括處于兩個(gè)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(gè)相角狀態(tài)的區(qū)域的相對(duì)位置。如在下文更全面地描述的，在本元件中實(shí)現(xiàn)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(gè)并列區(qū)域的效應(yīng)的表現(xiàn)，所述并列區(qū)域中的每一個(gè)處于兩個(gè)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(shí)現(xiàn)二元相位逐漸減小以便影響入射束，入射束必須察覺(jué)該逐漸減小。這需要二元相位逐漸減小被包含在可通過(guò)入射束的波長(zhǎng)被采樣的尺寸的范圍內(nèi)。當(dāng)將束引導(dǎo)到元件上時(shí)，通過(guò)束的波長(zhǎng)結(jié)合被提供給束的任何聚焦來(lái)確定通過(guò)入射束所采樣的長(zhǎng)度標(biāo)度。在足夠用于說(shuō)明性目的的簡(jiǎn)單近似中，通過(guò)下面的公式可以估計(jì)通過(guò)入射束所采樣的長(zhǎng)度標(biāo)度(Δx)Δx~λ2NA]]>其中λ是入射束的波長(zhǎng)，并且NA是將束引導(dǎo)至元件的表面的光學(xué)器件的數(shù)值孔徑。在感興趣的典型應(yīng)用中，入射電磁束是具有大約1550nm的波長(zhǎng)的電信信號(hào)，并且通過(guò)具有大約0.25的數(shù)值孔徑的光學(xué)器件來(lái)引導(dǎo)。通過(guò)入射束所采樣的所得到的長(zhǎng)度標(biāo)度因此是大約3100nm，其相當(dāng)于大約2λ。為了使入射束察覺(jué)二元相位逐漸減小，形成相位逐漸減小的兩個(gè)并列的相變區(qū)域中的每一個(gè)必須具有不大于大約λ的線性尺寸。根據(jù)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(gòu)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(gè)都處于在上文所描述的兩個(gè)可用相角狀態(tài)中的不同相角狀態(tài)，其中每一個(gè)區(qū)域具有大約λ的線性長(zhǎng)度標(biāo)度。作為例子，有代表性的實(shí)施例是包括具有λ×λ的尺寸的正方形相變區(qū)域的實(shí)施例。根據(jù)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(xué)器件的數(shù)值孔徑的變化進(jìn)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(guò)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(gè)相角狀態(tài)的適當(dāng)?shù)哪Ｊ皆谙嗷?zhuān)有的方向上反映入射束。每一個(gè)相角狀態(tài)在由其相關(guān)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(jù)在元件內(nèi)相變區(qū)域的布置上兩個(gè)相角狀態(tài)的分布而不同。通過(guò)縮小與一個(gè)或兩個(gè)相角狀態(tài)相關(guān)的相角間隔，可以精確地控制反射方向。
可以通過(guò)能量的提供在第一和第二相角狀態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)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(guò)提供能量，可以通過(guò)改變相變層內(nèi)相變區(qū)域的結(jié)晶和非晶區(qū)域的相對(duì)比例來(lái)改變?cè)慕Y(jié)構(gòu)狀態(tài)。
非晶和結(jié)晶相位之間在兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)換在大量轉(zhuǎn)換周期上容易被實(shí)現(xiàn)、是可逆的并且可高度再現(xiàn)的。相變材料的轉(zhuǎn)換特性的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)在‘944公開(kāi)物中可得到。
通過(guò)控制相變區(qū)域的相角狀態(tài)，可將入射電磁輻射束引導(dǎo)到兩個(gè)一般方向之一上。通過(guò)元件內(nèi)的相變區(qū)域的相角狀態(tài)的調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)切換效應(yīng)。適用于在相變區(qū)域的布置上從與第一相角狀態(tài)相關(guān)的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)至與第二相角狀態(tài)相關(guān)的范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)(或反之亦然)的、相變層的相變區(qū)域的轉(zhuǎn)換的能量的調(diào)制施加提供從一個(gè)一般方向至另一個(gè)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(jù)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(jù)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(jù)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(jù)本發(fā)明的相變區(qū)域510、520、530和540。圖6-9中的每一個(gè)相變區(qū)域都處于第一(被標(biāo)記為“1”)或第二(被標(biāo)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(nèi)的相角狀態(tài)的模式或分布。圖6和7表示實(shí)現(xiàn)左-右束操控或切換的實(shí)施例，而圖8和9表示實(shí)現(xiàn)上-下束操控或切換的實(shí)施例。
本發(fā)明的前述說(shuō)明性實(shí)施例的相變材料具有結(jié)晶狀態(tài)和非晶狀態(tài)，并且可以通過(guò)能量的提供在這些狀態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換。相變材料的許多特性和成分在本領(lǐng)域中是公知的，并且以前例如在屬于本受讓人的專(zhuān)利號(hào)為3271591、3530441、4653024、4710899、4737934、4820394、5128099、5166758、5296716、5534711、5536947、5596522、5825046、5687112、5912104、5912839、5935672、6011757的美國(guó)專(zhuān)利以及屬于本受讓人的公開(kāi)號(hào)為2002-0114256-A1和2003-0048744-A1的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中已進(jìn)行了論述，因此將這些專(zhuān)利和專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)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(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。相變材料具有特征熔化和結(jié)晶溫度，并且可以相對(duì)于這些溫度通過(guò)能量的受控施加來(lái)影響該結(jié)構(gòu)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(jìn)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(nèi)的結(jié)晶和結(jié)晶區(qū)域的形成，以便提供部分結(jié)晶或結(jié)晶材料。在量上足以將相變材料加熱到它的結(jié)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(jié)晶相位的部分或完全轉(zhuǎn)換。
是否由非晶區(qū)域形成結(jié)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(jié)晶區(qū)域的形成或通過(guò)生長(zhǎng)或損耗修改相變材料中的現(xiàn)有結(jié)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(xué)成分、相變材料的初始狀態(tài)、以及晶核化的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)以及生長(zhǎng)過(guò)程之類(lèi)的因素。也可以由結(jié)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(dòng)性狀態(tài)的數(shù)量的能量的施加以及足以抑制結(jié)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，而不干擾相變材料的周?chē)糠?。這種局部的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換也可以被用于改變例如周?chē)Y(jié)晶相位中非晶相位的體積分?jǐn)?shù)。相位穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換受多個(gè)因素影響，這些因素包括結(jié)晶過(guò)程的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)、相變材料內(nèi)能量的分布和流動(dòng)(例如消耗，擴(kuò)散，傳導(dǎo))以及所施加的能量的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和空間分布。局部的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換也可以被用于控制另一相位的周?chē)仃囍械囊粋€(gè)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(kāi)號(hào)為2002-0114256-A1的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)中已經(jīng)描述了利用低熱預(yù)算策略的結(jié)晶矩陣內(nèi)非晶相位區(qū)域(例如標(biāo)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(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。各種形式的能量可以被用于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。該能量可以是利用單個(gè)能量源或多個(gè)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(xué)能、磁能、機(jī)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(zhǎng)、譜線形狀、能量和/或功率的脈沖調(diào)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(gè)例子。
在上文被引入的專(zhuān)利號(hào)為4653024、4710899、4737934、4820394、5128099、5912104、5935672、6011757的美國(guó)專(zhuān)利以及公開(kāi)號(hào)為2002-0114256-A1和2003-0048744-A1的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)描述了當(dāng)被用作光學(xué)記錄介質(zhì)時(shí)相變材料的結(jié)構(gòu)狀態(tài)的例子。這些參考文獻(xiàn)通常描述利用例如具有合適的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、功率和譜線形狀的光激勵(lì)源在基本上結(jié)晶狀態(tài)和基本上非晶狀態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換相變材料的能力。在典型的光學(xué)記錄應(yīng)用中，包括相變材料的數(shù)據(jù)單元被用于存儲(chǔ)、寫(xiě)入或擦除數(shù)據(jù)。擦除數(shù)據(jù)典型地是基本上結(jié)晶狀態(tài)，并且通過(guò)提供在量上足以產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)單元的相變材料的體積內(nèi)的非晶標(biāo)記的能量而發(fā)生寫(xiě)入。通過(guò)對(duì)速率、所施加的能量的量和空間分布以及熱預(yù)算的明智控制，可以精確地控制形成于數(shù)據(jù)單元內(nèi)的非晶標(biāo)記的形狀和體積。因此，可以容易地并且連續(xù)地改變數(shù)據(jù)單元內(nèi)相變材料的結(jié)晶和非晶狀態(tài)的相對(duì)比例，以便提供上文所述的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明適合使用的說(shuō)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(shí)優(yōu)選地以共晶成分形式)的那些材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，相變材料包括硫族元素。在最優(yōu)選的實(shí)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(jié)合的硫族元素的相變材料、例如Ge2Sb2Te5、Ge4SbTe5、Sb2Te3和相關(guān)材料。僅GeTe或在具有CdTe的固溶體中的GeTe構(gòu)成另一優(yōu)選實(shí)施例。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，相變材料包括尤其與Sb和/或Te結(jié)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(shí)施例。在另一優(yōu)選實(shí)施例中，相變材料包括硫族元素和過(guò)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(guó)專(zhuān)利中提供了根據(jù)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(shí)施例包括夾在兩個(gè)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(duì)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?yàn)榻^緣體或當(dāng)暴露于入射電磁束時(shí)顯示出低電導(dǎo)率的大帶隙半導(dǎo)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(shí)施例進(jìn)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(jī)械支承，并進(jìn)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(jié)晶和非晶狀態(tài)的相變材料的實(shí)施例的、在上文所提供的操作原理類(lèi)似地應(yīng)用于具有兩個(gè)或多個(gè)結(jié)晶形式的任意相變材料，其中不同的結(jié)晶形式擁有不同的光學(xué)常數(shù)。結(jié)晶和非晶狀態(tài)是相變材料的結(jié)晶形式的例子，并且另外的例子包括具有兩個(gè)或多個(gè)結(jié)晶學(xué)上不同的結(jié)晶狀態(tài)的那些相變材料。相變材料例如具有兩個(gè)結(jié)晶狀態(tài)，其中的每一個(gè)結(jié)晶狀態(tài)都是具有不同結(jié)晶標(biāo)記的不同相位。例如對(duì)應(yīng)于根據(jù)晶胞形狀或尺寸而不同的結(jié)晶狀態(tài)的結(jié)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(gè)或多個(gè)結(jié)晶相位之間的轉(zhuǎn)換提供本元件所需的功能。不同結(jié)晶形式也可以包括化學(xué)鍵接、分層和配位數(shù)方面的差異?？梢愿鶕?jù)兩個(gè)結(jié)晶形式中的每一個(gè)的不同比例(例如第一結(jié)晶狀態(tài)和第二結(jié)晶狀態(tài)的相對(duì)比例)來(lái)定義結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并且可以根據(jù)在結(jié)構(gòu)狀態(tài)的子集上延伸的范圍來(lái)定義相角狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)狀態(tài)在不同結(jié)晶形式的不重疊的比例上延伸。
于此所闡述的公開(kāi)內(nèi)容和討論是說(shuō)明性的，并不試圖限制本發(fā)明的實(shí)踐。雖然已經(jīng)描述了被認(rèn)為是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的實(shí)施例，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下可以進(jìn)行其他和進(jìn)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(nèi)的所有這種改變和修改。包括所有等價(jià)物的隨后的權(quán)利要求結(jié)合前述公開(kāi)內(nèi)容以及本領(lǐng)域的技術(shù)人員可得到的公知常識(shí)限定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.用于引導(dǎo)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(gè)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(jié)晶形式和第二結(jié)晶形式，所述相變區(qū)域具有多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)，所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)中的每一個(gè)都包括所述第一結(jié)晶形式的第一比例和所述第二結(jié)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(shí)提供第一相角間隔，并且在處于所述第二相角狀態(tài)中時(shí)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(jié)晶形式的比例的第一范圍的所述結(jié)構(gòu)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(jié)晶形式的比例的第二范圍的所述結(jié)構(gòu)狀態(tài)的第二子集，所述第一結(jié)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(jié)晶形式的最大比例的所述第一相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與具有所述第一結(jié)晶形式的最小比例的所述第二相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)在所述第一結(jié)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(jié)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(jié)晶形式狀態(tài)的所述最小比例的相角相差至少45°。
2.權(quán)利要求1的元件，其中所述第一結(jié)晶形式是結(jié)晶狀態(tài)。
3.權(quán)利要求2的元件，其中所述第二結(jié)晶形式是非晶狀態(tài)。
4.權(quán)利要求1的元件，其中所述相變材料包括S、Se或Te。
5.權(quán)利要求4的元件，其中所述相變材料進(jìn)一步包括Ge或Sb。
6.權(quán)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(quán)利要求1的元件，其中具有所述第一結(jié)晶形式的最大比例的所述第一相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與具有所述第一結(jié)晶形式的最小比例的所述第二相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)在所述第一結(jié)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(jié)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(jié)晶形式狀態(tài)的所述最小比例的相角相差至少90°。
8.權(quán)利要求1的元件，其中具有所述第一結(jié)晶形式的最大比例的所述第一相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)與具有所述第一結(jié)晶形式的最小比例的所述第二相角狀態(tài)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)在所述第一結(jié)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(jié)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(jié)晶形式狀態(tài)的所述最小比例的相角相差至少135°。
9.權(quán)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(jié)晶形式的至少20％的比例范圍。
10.權(quán)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(jié)晶形式的至少20％的比例范圍。
11.權(quán)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(jié)晶形式的至少40％的比例范圍。
12.權(quán)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(quán)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(jié)晶形式的至少20％的比例范圍。
14.權(quán)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(jié)晶形式的至少35％的比例范圍。
全文摘要
用于操控電磁束的元件。該元件包括與多層光學(xué)堆棧中的介電層和其它層結(jié)合的相變材料。該相變材料可以在兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間可逆地轉(zhuǎn)換，其中不同的結(jié)構(gòu)狀態(tài)根據(jù)折射率和/或消光系數(shù)而不同。相變材料的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的輸出束的傳播方向。根據(jù)該結(jié)構(gòu)狀態(tài)，該元件采用兩個(gè)主要相角狀態(tài)之一，并且實(shí)現(xiàn)二元束操控能力，其中可以在兩個(gè)方向中的任一方向上重定向入射電磁束。在優(yōu)選實(shí)施例中，輸出束是反射束，并且該元件包括夾在兩個(gè)介電材料之間的并由金屬層支承的相變材料。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1993649SQ200580025724
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月27日
發(fā)明者D·V·朱 申請(qǐng)人:能源變換設(shè)備有限公司