用于近场集成光学头的面阵平面微透镜

　　1　引　言

　　诞生于20世纪70年代并得到迅速发展的光存储技术,在20世纪90年代已被发展成为一项工业技术。目前,其产品广泛应用于国民经济的各个领域和人们的日常生活中。随着整个社会信息化进程的加快,迫切需要有别于传统商品的大容量、高数传率、结构紧凑、重量轻和价格低廉的光存储技术及产品。为了开发出每平方英寸100 GB量级甚至更高记录密度的光存储技术,并进一步提高存取速度,降低成本,实现光学头结构的微型化、多功能化和集成化,人们提出了多种多样的技术方案,如典型的固态浸没物镜(SIL)方案,近场Super-Rens光存储介质技术,采用微孔激光器直接写入的VSAL技术和近场光学存储方案等,而现代微细加工及装配技术和微光学技术等是上述这些技术选择的核心支柱之一。现代微光学是继微电子技术之后近些年来得到迅速发展的一个新兴学科,运用现代微光学的理论和实验技术所制成的光学元器件具有微型化、阵列化、集成化和高可靠性等特点[1~3]。为了研究适用于所发展的近场集成光学头的平面微透镜技术,开发了有别于梯度折射率型微透镜的平面折射及衍射微透镜的制备技术。该技术的核心工艺环节就是首先在衬底基片上制作凹型结构的微透镜掩模,然后通过诸如离子束溅射和光学介质生长等手段将所选定的光学材料覆盖到衬底基片的凹形掩模结构上,再经减薄最终得到平面端面的微透镜器件。利用这一技术所制成的平面折射微透镜可以方便地与半导体光源等器件匹配耦合及集成固联。本文主要讨论了用于近场集成光学头的平面微透镜的制备技术。

　　2　面阵平面微透镜

　　2.1　常规制备工艺

　　图1为在衬底基片表面利用常规方法制作典型的面阵平面微透镜的简要工艺流程图。图1(a)为制作非梯度折射率型面阵平面折射微透镜的工艺流程图。其主要步骤有:(1)采用光刻热融成形工艺制作光致抗蚀剂凹形掩模浮雕结构;(2)离子束蚀刻与溅射;(3)端面减薄。图1(b)为采用重复掩模图形转印、离子束蚀刻与溅射及端面减薄等手段得到面阵平面衍射微透镜的工艺流程图。通常情况下,采用图1所示的常规方法在衬底基片表面制作平面微透镜陈列的最大填充因子、平面微透镜的最小特征尺寸,它的轮廓特征以及光学特性等均取决于设备条件、工艺流程及相关原材料的情况和相互之间的匹配特性等。

　　在按图1所示工艺制作平面微透镜器件的过程中,由于对光线偏析起主要作用的微透镜及衬底所用光学材料相对而言可以任意选择,因此按图1(a)所示制作的起折射作用的平面微透镜既可以是光汇聚型的,也可以是光发散式的,即可与传统意义上的凸折射或凹折射透镜对应,或者可以根据衬底基片上弧形轮廓的弯曲程度而分别制成与薄透镜或厚透镜类似的微结构。对图1(a)所示工艺流程来说,通过调整工艺参数,可使所得到的衬底基片上的弧形轮廓为球面(圆形)或柱面、抛物面(抛物线形)及椭圆面(椭圆形)或其它复杂曲面(曲线)等。在图1(b)所示工艺流程中,如果针对每种光致抗蚀剂掩模浮雕结构重复转印后施加离子束蚀刻及特定光学材料的离子束溅射操作,或者其它一些光学介质或光学膜层的生长或填充工艺,则可以得到不同光学膜系阶梯式分布的平面衍射微透镜,见图1(b)★。在制作平面微透镜的过程中应注意的问题是,聚焦氩离子束轰击靶材后所得到的出射束流应具有足够的能量和密度,以便得到致密和均匀的光学介质层;通过重复掩模图形转印和氩离子束蚀刻及溅射制作(阶梯状截面结构光致抗蚀剂掩模浮雕图形)的过程中套刻参数应合理搭配。对图1(a)和图1(b)的制作工艺而言,通常情况下,氩离子束应垂直入射到凹形掩模浮雕结构上。