目前许多公司正在开发10nm级精度的纳米加工工艺,其核心是利用衍射光栅制作金属铸模,从而实现DVD激光拾取头等光学器件的大批量生产。本文将对这一技术作详细介绍,并提供一些衍射光栅实例供(中国)工程师参考。
今天许多人对“纳米技术”已耳熟能详,据说这一术语来自于一位日本大学教授在1974年某国际大会上的预测,未来的精确加工可达到纳米级。纳米是一米的十亿分之一,与原子和分子的大小相当,比生化领域的细菌和病毒还要小。利用纳米技术可以在纳米级操作原子和分子从而生成新的材料,是对传统技术限制的重大突破。ALPS公司从2002年3月就开始了纳米级衍射光栅的研发工作,随后还启动了金属铸模用纳米工艺技术的开发,希望用树脂或玻璃铸模工艺完成纳米精度光学器件的批量生产。
纳米加工方法
纳米级加工工艺通常简称为纳米工艺,其实现方式有多种,其中广为人知的是采用光蚀刻技术的半导体工艺方法,实现这种方法需要沉积或去除一些特殊材料。目前ALPS在制造硬盘驱动器(HDD)GMR薄膜头时采用的就是这一工艺。
1. 用于金属铸模的纳米工艺
我们首先对金属铸模材料应用纳米加工工艺,换句话说就是除了基于传统蚀刻技术的工艺外,还能对金属材料应用纳米精度的机械切割。
2. 利用纳米工艺可实现分子切割
“纳米精度”是指分子级别的精度,这一精度的切割达到了将一个分子与另一个分子隔离开的目的。由于切割量非常少,这种采用“钻石车刀”的纳米级切割工艺会产生传统工艺中从未见到的现象。在纳米加工领域,要将实际加工工艺升华为理论,并进一步指导工艺的发展。
纳米级光学器件
1. 衍射光栅
衍射光栅采用数十微米至深亚微米的环状结构并以波形的方式控制激光,同时提供多种功能。然而批量生产这种高精度的环状结构非常困难,因为设备受传统测量仪器如分光镜的限制。近年来,蚀刻和切割技术的发展一定程度上提高了加工精度,合理的成本设置也成为可能,从而极大地促进了用作DVD播放器光学拾取头和光学通信器件的衍射光栅的发展。
换句话说,纳米级工艺的开发扩充了人们对衍射光栅光学器件的需求。ALPS正在利用注入铸模和经纳米加工的金属模具开发制造具有微型结构的衍射光栅光学器件。即使金属模具的精度误差为零,但如果不进一步提高铸模工艺精度的话,树脂铸模就不能生产出特定精度和功能要求的光学器件。因此金属模具和铸模技术都必须达到纳米级精度。在铸模方面要达到纳米精度需要满足下面4个技术条件:
(1) 设备必须包含能够将树脂准确注入纳米级金属模具的铸模机；
(2) 铸模条件不受光学失真度和器件形式的影响；
(3) 能做到与金属模具的平滑分离；
(4) 铸模设备和材料能够防止细微外部物质或灰尘的混入。
图1列出了能够被衍射光栅执行的各种不同光学功能。
2. 衍射光栅的一些应用
ALPS公司一直在努力开发纳米级铸模技术和大批量生产技术。2002年12月公司开始商用化生产DVD播放器激光拾取头用的衍射光栅,该拾取头安装有CD和DVD用的两波长激光器,其衍射光栅要求达到纳米级精度。
(1) 用于DVD激光拾取头的光束分离器,如图2所示。具有选波功能的3束光栅。这种光束分离器能够独自将CD激光速分割成三个光束。假如三个光束的光强比会因深度精度不同而变化,铸模后的产品就必须具有±20纳米以下的高精度。微结构是矩形形状,光学深度(n-1)d与DVD波长相等。
(2) 适合DVD激光拾取器的两波同轴型光栅,如图3所示。像6级楼梯形状和1步光学深度的微结构与DVD波长是相等的。光栅周期大约是34um,光栅深度约为6.2um。当有激光经过时,DVD波长可以直接通过,只有CD波长会被改变方向。当使用两波长激光二极管时,DVD和CD光束通常会经过不同路径返回到光电二极管。因此可以在光电二极管位置用这种光栅将2个光束集中到一起。
(3) 菲涅尔透镜,如图4所示。菲涅尔透镜的表面具有集中式锯齿状光栅,因此可以提供聚焦和散射等透镜功能。
(4) 火焰光栅
。被称为“火焰”的线性锯齿状光栅可以根据波长折射光轴,如图5所示。
3. 纳米光学器件的其它应用
(1) 光纤视准仪透镜阵列。这是一种等距透镜阵列,在光纤通信中经常会用到,其形状是非球面的,材料可以是树脂,也可以是玻璃,如图6所示。
(2) 多光纤连接器用夹套。用于光纤通信领域。这种树脂夹套用于多光纤光学连接器(用于多光纤的批量连接)的光纤导入,具有8个等距的光纤导入孔和2个导入引脚孔。
本文小结
在过去两年中,ALPS一直在致力于开发采用纳米加工工艺的微结构处理技术,以及基于这一技术的衍射光栅的商用化。公司将一如继往地推进高精度超微工艺技术的开发,扩大光盘拾取头器件和光纤通信器件市场。针对光纤通信市场中阵列产品的广泛应用,公司将开发用于阵列的铸模平台产品,除了衍射光栅光学器件外还包括透镜阵列和波导产品。更明确地说,已有开发计划的产品中包括兼容WDM中并行传输的阵列器件、高可靠性的玻璃器件以及采用金属铸模或铸模工艺技术的高精度连接器件。ALPS将继续开发新的技术和高性能高附加值的产品来满足用户不断增长的需求。公司欢迎读者提供纳米级器件的最新应用,并会对读者的建议及时作出反馈。欲了解更多信息,请访问
作者:Shoichi Kyoya
光工程部
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