CN101373282A - 一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光通讯和光学多路成像技术领域中一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法。技术方案是，在掺镁铌酸锂晶体基片上，利用成熟的半导体光刻技术工艺，并采用背向反转短脉冲极化电场技术，制作六角二维光子微结构位相阵列。由于掺镁铌酸锂晶体电光性能较佳，因此通过在带有二维光子微结构基片的±Z面上外加电场的调控，可以实现在0~2π之间位相的连续改变，而且可以使掺镁铌酸锂晶体透光范围(5μm~320nm)内的任意光波实现位相周期分布场，最终使近场衍射的光强均匀分布。本发明通过使用掺镁铌酸锂晶体，直接加工制作微光学阵列元件，实现了晶体透光范围内任意波长的阵列发光，同时也简化了加工过程。

Description

一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法

技术领域

本发明属于光通讯和光学多路成像技术领域，尤其涉及一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法。

背景技术

随着科学技术和现代国防的迅猛发展，越来越要求发展具有微型化、阵列化及多功能化的光学器件与系统。例如，在光通讯，光学与电子学计算技术及图象处理等领域中，需要利用各种微光学器件以实现信息的并行传输与处理，从而提高速度。在光计算、光学神经网络及光学多路成像等系统中，常常要求将一束入射光在输出平面上形成一组光的阵列，且阵列中光强均匀分布，能够实现这种功能的装置称为光阵列发生器，光阵列发生器是非常重要的一个光学元件。自1990年Lohmann和Thomas提出通过Talbot效应产生亮暗有序的光学照明阵列后，近些年来，人们利用Talbot效应研制开发了多种光阵列发生器，目前光阵列发生器主要有傅立叶全息图、全息光学元件、自聚焦平面微透镜阵列和位相光栅，迄今常用的光阵列发生器是基于周期函数的分数Talbot效应的位相光栅器件。这一新型微光学器件的发展在过去短短十几年中对于科学和技术的发展发挥了不可替代的巨大作用。

目前，制作微光学阵列元件主要采用集成电路的微电子加工技术，在基片表面实现三维浮雕结构，这就需要同时控制平面图形的精细尺寸和纵向深度，因此与微电子加工技术相比，位相光栅阵列元件的制作难度更大，通常的制作过程如下：首先按实际要求(包括波长范围、孔径、焦距、分辨率等)理论设计位相光栅微结构，通过计算机设计确定器件表面的相位分布，然后按照位相的表面台阶数，通过半导体集成电路制版等方法研制多个振幅型掩膜，将掩膜覆盖在涂有感光层材料的基片上，通过计算机控制的电子束、离子束或激光蚀刻机，在基片上产生符合要求的表面台阶起伏，将所有掩膜曝光一遍，每次曝光位置都要严格地定位与对准，最终方可产生符合要求的位相光栅光阵列发生器。从上述制备工艺技术方案中，可以看到微光学位相阵列元件主要是采用表面三维浮雕结构，需同时控制平面尺寸及纵向深度，其加工难度很大。另外，一个最大的缺陷是一个位相光栅只能对应一个特定的波长，难以实现基片透光范围内任意波长的阵列发光。如果我们能找到一个优良的基片材料，并能应用该基片的光学及电光性质直接加工制作微光学阵列元件，将是一个具有划时代开拓创新和实际意义价值的研究。

周期极化光子微结构晶体是一种具有周期变化的电极化率结构的人工微结构晶体。这种特有的周期性光子微结构在许多领域都具有广泛的应用，特别是1998年Berger提出二维周期极化光子微结构晶体的概念，这一结构的提出将一维周期极化光子微结构扩展到了二维尺度，使晶体结构大为复杂化。利用二维光子微结构晶体实现光振幅纯位相周期分布场是一项具有挑战性新近出现的课题。大量研究表明，在铌酸锂晶体中掺入≥5mol％的MgO(氧化镁)可以增大材料的抗光损伤能力甚至消除抗光损伤，且最近我们研究发现，在铌酸锂晶体中掺入6.5mol％的MgO不仅能极大的提高抗光损伤能力而且能降低晶体铁电畴极化反转开关电场，制备出结构均匀的光子微结构晶体。

鉴于此，我们提出在掺镁铌酸锂晶体基片上，利用成熟的半导体光刻技术工艺，并采用背向反转短脉冲极化电场技术，制作六角二维光子微结构位相阵列。目前，六角阵列在多包层光纤、探测器阵列和光通讯中的光子延迟线等光电子器件中广泛应用。由于掺镁铌酸锂晶体电光性能较佳，因此通过在带有二维光子微结构基片的±Z面上外加电场的调控，可以实现在0～2π之间位相的连续改变，而且可以使掺镁铌酸锂晶体透光范围(5μm～320nm)内的任意光波实现位相周期分布场，同时并能根据实验环境实时精细调控位相分布，进而获得均匀的光阵列强度分布。

发明内容

本发明的目的在于提出一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法，该方法应用周期极化光子微结构晶体，直接加工制作微光学阵列元件。本发明克服目前使用常用的微光学阵列元件制作的位相阵列器，只能对应一个特定的波长，难以实现基片透光范围内任意波长的阵列发光，以及制作工艺难度大的缺陷。

本发明的技术方案是，一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法，所述制作方法包括下列顺序执行的步骤：

步骤1：分析并数值模拟在不同Talbot距离的平面上，光波复振幅分布与六角二维光子微结构光阵列的复振幅分布，从理论上数值求解该六角二维光子微结构位相阵列结构的参数比dx/dy；

步骤2：基于步骤1对六角二维光子微结构位相阵列结构的参数比的求解，设计六角二维光子微结构位相掩模板；

步骤3：选择介电体，该介电体是一种在生长过程中，长成沿Z方向自发极化的铁电单畴晶体，并且是掺杂摩尔比为6.5％的掺镁铌酸锂，沿该介电体Z方向切割，其厚度为0.5mm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向是沿晶体的自发极化方向；

步骤4：按照步骤2设计的掩模板结构图形参数值，利用电子束曝光技术，制作出二维光子微结构掩模板；

步骤5：采用光刻技术，在步骤3的双面抛光晶体+Z表面旋转涂覆一层厚1μm的光刻胶，经曝光、显影后得到二维微结构图；

步骤6：再在光刻胶上溅射一层厚为0.1μm的导电铝层，在晶体上形成了二维微结构电极图形；

步骤7：在室温电场下，对晶片进行短脉冲背向反转电场极化；

步骤8：利用溅射技术将透明的氧化锡铟溅射到带有二维光子微结构晶体的±Z面；

步骤9：针对掺镁铌酸锂晶体透光范围内的任意光波，通过外加电场的调控，实现衍射光束在0~2π之间位相的连续改变，达到近场衍射的光强均匀分布。

所述步骤2中，设计六角二维光子微结构位相掩模板，通过对阵列结构的优化实现；方法是寻找一组参数最佳的{dx，dy}和六角边长1，使阵列光斑点阵像的光强、对比度和光场的均匀度均匀，衍射谱在-N到N级次内，且衍射效率要大于等于80％。

所述步骤7中，对晶片进行短脉冲背向反转电场极化，其方法是，在有电极的畴区域，利用高压脉冲电场克服晶体内部的矫顽场，从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴极化方向保持不变；在此过程，所加高压脉冲电场峰值电压，要大于对应于晶体厚度的矫顽场。

所述高压脉冲电场的脉冲参数既要保证晶体电极表面有足够的极化电荷；又要保证晶体不会发生漏电现象。

本发明的效果是，通过使用掺镁铌酸锂晶体，直接加工制作微光学阵列元件，实现了晶体透光范围内任意波长的阵列发光，同时也使加工过程得到简化。

附图说明

图1是可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法流程图。

图2是近场位相光学阵列照明实验光路简图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法流程图。图1中，步骤101分析并数值模拟在不同Talbot距离的平面上，光波复振幅分布与六角二维光子微结构光阵列的复振幅分布，从理论上数值求解该六角二维光子微结构位相阵列结构的参数比dx/dy。根据光波可逆性原理，若按其位相的周期分布制作成位相阵列，那么在光波的照明下，则将产生一个光振幅的阵列像，这就为产生均匀的阵列光斑提供了一种新方法。因此，可以利用菲涅耳衍射理论和二次位相因子的傅里叶变换理论，分析在平面波入射时二维光子微结构位相阵列产生高效均匀阵列光斑的Talbot效应，针对微结构阵列不同调制电场的电光效应，理论分析并数值模拟在不同Talbot距离的平面上光波复振幅分布与六角二维光子微结构光阵列的复振幅分布。因为，六角阵列在多包层光纤、探测器阵列和光通讯中的光子延迟线等光电子器件中被广泛应用，所以六角结构具有广泛的应用价值。另外，从理论上数值求解该二维光子微结构位相阵列结构的参数比dx/dy。

图1中，步骤102在步骤101的基础上，对六角二维光子微结构位相阵列结构的参数比的求解，设计六角二维光子微结构位相掩模板。基于理论分析模拟的光振幅分布和六角二维光子微结构参数比，设计六角二维光子微结构位相阵列。考虑该位相阵列是一个二维周期结构，显然，阵列器结构由六角图形坐标{dx，dy}和六角边长l所决定，即阵列结构的优化设计实质上是要寻找一组最佳的{dx，dy}和六角边长l，使阵列光斑点阵像的光强、对比度和光场的均匀度均匀，衍射谱在-N到N级次内，且衍射效率要大于等于80％，从而获得二维光子微结构位相阵列分布图。

图1中，步骤103选择介电体，该介电体要求是一种具有周期变化的电极化率结构的人工微结构晶体。根据介电体的性质，选择一种在生长过程中，长成沿Z方向自发极化的铁电单畴晶体，并且是掺杂摩尔比为6.5％的掺镁铌酸锂，沿该介电体Z方向切割，其厚度为0.5mm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向是沿晶体的自发极化方向。

图1中，步骤104按照步骤102设计的掩模板结构图形参数值，利用电子束曝光技术，制作出二维光子微结构掩模板。

图1中，步骤105采用光刻技术，在步骤103选择的双面抛光晶体+Z表面旋转涂覆一层厚1μm的光刻胶，经曝光、显影后得到二维微结构图。

图1中，步骤106再在光刻胶上溅射一层厚为0.1μm的导电铝层，在晶体上形成了二维微结构电极图形。其他部分金属在光刻胶上，因而与铌酸锂+Z表面绝缘。

图1中，步骤107在室温电场下，对晶片进行短脉冲背向反转电场极化。其方法是，在有电极的畴区域，利用高压脉冲电场克服晶体内部的矫顽场，从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴极化方向保持不变；在此过程，所加高压脉冲电场峰值电压，要大于对应于晶体厚度的矫顽场(4kV/mm)。所选脉冲参数与晶体电极表面积有关，表面积越大，由Q＝∫S·dt，积累的极化电荷就越多。当然电容就会增大，充电时间相应的会增加。为了保证能有足够的极化电荷，但又不致于造成晶体漏电现象，所以要在实验中把握好脉冲参数。

图1中，步骤108利用成熟的溅射技术将透明的氧化锡铟溅射到带有二维光子微结构晶体的±Z面。

图1中，步骤109针对掺镁铌酸锂晶体透光范围内的任意光波，通过外加电场的调控，实现衍射光束在0~2π之间位相的连续改变，达到近场衍射的光强均匀分布。掺镁铌酸锂晶体的透光范围是5μm~320nm，而且选取这个材料是因为它不仅透光范围大，而且抗光损伤能力强，同时具有较低的极化开关电场。只要输入晶体透射范围(5μm~320nm)内的任意光波，通过外加电场的调控，就可以实现衍射光束在0~2π之间位相的连续改变，最终使近场衍射的光强均匀分布。其效果如图2所示。图2是近场位相光学阵列照明实验光路简图。图2中，光源201通过透镜，发射5μm~320nm内的任意光波，光波输入本方法制作的晶体203，晶体203通过外加电场202调控，输出到显微物镜204，之后通过CCD级的照相机205捕获，捕获的光束实现在0~2π之间位相的连续改变，最终达到近场衍射的光强均匀分布。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法，所述制作方法包括下列顺序执行的步骤：

步骤1：分析并数值模拟在不同Talbot距离的平面上，光波复振幅分布与六角二维光子微结构光阵列的复振幅分布，从理论上数值求解该六角二维光子微结构位相阵列结构的参数比dx/dy；

步骤2：基于步骤1对六角二维光子微结构位相阵列结构的参数比的求解，设计六角二维光子微结构位相掩模板；

步骤3：选择介电体，该介电体是一种在生长过程中，长成沿Z方向自发极化的铁电单畴晶体，并且是掺杂摩尔比为6.5％的掺镁铌酸锂，沿该介电体Z方向切割，其厚度为0.5mm，上下表面平行且均被抛光，上下表面的法线方向是沿晶体的自发极化方向；

步骤4：按照步骤2设计的掩模板结构图形参数值，利用电子束曝光技术，制作出二维光子微结构掩模板；

步骤5：采用光刻技术，在步骤3的双面抛光晶体+Z表面旋转涂覆一层厚1μm的光刻胶，经曝光、显影后得到二维微结构图；

步骤6：再在光刻胶上溅射一层厚为0.1μm的导电铝层，在晶体上形成了二维微结构电极图形；

步骤7：在室温电场下，对晶片进行短脉冲背向反转电场极化；

步骤8：利用溅射技术将透明的氧化锡铟溅射到带有二维光子微结构晶体的±Z面；

步骤9：针对掺镁铌酸锂晶体透光范围内的任意光波，通过外加电场的调控，实现衍射光束在0~2π之间位相的连续改变，达到近场衍射的光强均匀分布。

2.根据权利要求1所述的一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法，其特征是所述步骤2中，设计六角二维光子微结构位相掩模板，通过对阵列结构的优化实现；方法是寻找一组参数最佳的{dx，dy}和六角边长1，使阵列光斑点阵像的光强、对比度和光场的均匀度均匀，衍射谱在-N到N级次内，且衍射效率要大于等于80％。

3.根据权利要求1所述的一种可调二维光子微结构位相阵列器的制作方法，其特征是所述步骤7中，对晶片进行短脉冲背向反转电场极化，其方法是，在有电极的畴区域，利用高压脉冲电场克服晶体内部的矫顽场，从而使该电畴的自发极化方向反向；无电极的畴区域，其电畴极化方向保持不变；在此过程，所加高压脉冲电场峰值电压，要大于对应于晶体厚度的矫顽场。

4.根据权利要求3所述对晶片进行短脉冲背向反转电场极化，其特征是所述高压脉冲电场的脉冲参数既要保证晶体电极表面有足够的极化电荷；又要保证晶体不会发生漏电现象。

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