CN101498837A - 基于柔性支撑结构的光栅光调制器及阵列 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性支撑结构的光栅光调制器及线阵，光调制器包括基底，电极层和绝缘层构成的下层反射镜，上层可动光栅和用于支撑上层可动光栅的柔性支撑结构。上层可动光栅与下层反射镜之间的间隙为空气间隙。通过给光调制器施加不同的电压，当上层可动光栅与下层反射镜间的距离为四分之一波长的奇数倍时，光栅光调制器处于衍射态，即把入射光的能量转移到衍射光的正负一级等高阶级次上；当上层可动光栅与下层反射镜的距离为半波长的整数倍时，光栅光调制器处于反射态，即把入射光的能量转移到零级反射光上，通过施加交替电压实现对出射光的明暗调制。本调制器增加了能够被调制器光的波长范围，降低了驱动电压，增加了有效光学面积。

Description

基于柔性支撑结构的光栅光调制器及阵列

技术领域

本发明涉及一种光线调制装置；更具体的说，本发明涉及一种基于柔性支撑结构的光栅光调制器及阵列。

背景技术

现有技术已经公开了多种可以单独使用或与其他调制器一起使用的基于MEMS工艺的光调制器，这些调制器包括数字式微反射镜器件(DMD)及光栅光阀(GLV)等。

德州仪器公司的微反射镜器件是由MEMS技术制造的上百万个可偏转的反射微镜构成的调制器。DMD微镜的紧密间隙令投射的影像产生更细致的无缝画面，分析力高。但是DMD的缺陷在于，其复杂的多层结构导致制作过程复杂，良品率低下。该调制器目前仅工作在用于显示的可见光波段。

光栅光阀(GLV)是一种典型的微光机械系统，用于光开关或光衰减器等。GLV器件是通过衍射效应对光束起开关和衰减的作用。当为该器件提供一个电压时，可动带状物将向基底移动，从而形成很好的衍射光栅。当偏移量为λ/4时，经由不同带状物反射的入射光束产生π/2的相位差，因此在衍射图象的一级得到最大光强；偏移量为零时，一级得到的光强也几乎为零，这样就达到光束调制的目的。较DMD而言GLV响应速度更高，电路简单，制造工艺简单，良品率高。该调制器主要工作在用于显示的可见光波段和用于光谱探测的近红外波段。

重庆大学黄尚廉等人提出了蟹形腿型光栅光调制器及阵列，该调制器克服DMD工艺复杂的缺点以及GLV的有效衍射面积低，难以集成面阵等缺点，该调制器及阵列可以工作在面向高清晰显示的可见光波段。

美国Polychromix公司的可编程光栅，采用三层结构，保证了器件在工作状态时的有很高的表面平整，但三层MEMS结构导致了器件工艺复杂，而且驱动电压较高。该光调制器主要工作在用于近红外光谱探测的近红外波段。

针对以上光调制器目前仅适合工作在可见光和近红外的局限性，本发明的光栅光调制器采用柔性支撑结构，可以将工作波段扩展到中远红外波段。具有工作波长范围更广泛，驱动电压更低，加工工艺更简单等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性支撑结构的光栅光调制器，该调制器基于可调谐位相光栅衍射原理，通过柔性支撑结构的应用提高器件的平坦度，扩大器件的有效衍射面积，降低器件的驱动电压，适用于MEMS可动部件大量程的情况，如：红外光谱仪，光通信等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的光调制器采用类似于GLV的衍射原理，对入射光进行相位调制，用MOEMS技术制造微型器件，它是基于现有的IC工艺，在硅片上分层构造器件。包括以下结构：

一硅基底；

在硅基底之上沉积刻蚀形成的电极层和绝缘层，构成下层反射镜；

利用牺牲层技术在下层反射镜之上制成的柔性支撑结构和上层可动光栅，下层反射镜和上层可动光栅之间留有合适的空气间隙；支撑上层可动光栅的柔性支撑结构一端支撑在基底上的四个固定支撑立柱上，另一端连接在上层可动光栅的四个角上；所述柔性支撑结构采用弹性系数比上层可动光栅所用材料大的材料制成，或采用减薄型支撑结构，即使支撑结构在垂直方向的厚度要远小于上层可动光栅在垂直方向的厚度来达到柔性支撑作用；

上层可动光栅是在一反射面均匀刻蚀出镂空矩形槽而形成，上层可动光栅上下两面均镀有金属层，上金属层用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层，与下层反射镜形成可动的电容极板；

一驱动电路，通过电极引出线连接上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层，产生不同电平，不同频率的驱动电压。

本光栅光调制器的上层可动光栅和下层反射镜之间的间距可变，在两者之间施加电压V₁，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为nλ/2，调制器反射光强取最大值；施加电压V₂时，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为(2n-1)λ/4，调制器反射光强几乎为零。通过施加交替电压，就可以实现对光线的明暗调制。

使用多个这样的光调制器形成阵列，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，上层反射光栅作垂直平动，形成线阵光调制器。

本光调制器及阵列的光线调制原理与光栅光阀类似，但其主要工作在波长较长的红外波段。在施加电压V₁时，即在”ON”态，可动平板同固定光栅的高度差为nλ/2，满足入射光束光栅和平板反射得到的两束光线在相位上相差2nπ，相遇干涉后光强集中在衍射的零级；在施加偏压V₂后，即在”OFF”态，平板垂直向下的位移量为(2n-1)λ/4，满足经入射光经上层可动光栅及下层反射镜得到的反射光束的相位差为(2n-1)π/2，衍射光强在零级处几乎为零。通过施加交替电压，从而实现对红外入射光的能量调制。

本发明由于其简单的双层结构，完全可以用通用的IC表面加工工艺实现，具有工艺简单的特点。由于本发明中的支撑结构为柔性结构(柔性材料或是减薄型结构)，使可动光栅在下移过程中平坦度增大，提高了器件的光学衍射效率。柔性材料和减薄型结构的使用，有效地降低了器件的驱动电压，使器件能够用于便携仪器中如：投影仪、红外光谱仪等。器件的封装采用的是红外透射材料封装，因此特别有利于红外光的应用如红外光谱仪、红外探测仪等。这种光调制器可广泛用于光谱仪，投影显示，光通信等上。

本发明的优点：

1，柔性支撑结构的应用，使得驱动光栅光调制器上层可动光栅下拉相同高度所需要的电压变小，从而降低了驱动电路的复杂性，非常适合在微小型化的红外光谱分析系统中使用。

2、柔性支撑结构的应用，增加了能够被调制的入射光波长范围，降低了驱动电压，增加了有效光学面积。

2，柔性支撑结构的应用，使得上层可动光栅处于下拉状态时的平坦度增加，从而增加了器件的光学效率及开关系数，提高了器件的光学调制效果。

3，柔性支撑结构的应用，在施加相同驱动电压的情况下，增加了器件的有效工作行程，使得器件可以对波长更长的红外波段进行调制。

4，由静电力带动做垂直上下运动，而不是微镜结构的左右偏转，其加工工艺简单，机械稳定性高。

该调制器可用于光谱分析，光通信，自适应光学等领域。

附图说明

图1：未施加电压时的基于柔性支撑结构的光栅光调制器单个像素的正视图

图2：施加电压时的基于柔性支撑结构的光栅光调制器的单个像素正视图

图3：基于柔性支撑结构的光栅光调制器的单个像素俯视图

图4：基于柔性支撑结构的光栅光调制器线阵示意图

图5：采用红外透射材料封装的光栅光调制器线阵示意图

图6：光调制器衍射能量分布示意图

其中1为上层可动光栅，2为柔性支撑结构，3为下层反射镜，4为固定支撑柱，5为基底，6为光栅光调制器线阵，7为红外透射封装材料，11为上金属层，12为上层可动光栅主体，13为电极层，31为绝缘层，32为下反射镜电极层。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，本基于柔性支撑结构的光栅光调制器的单个像素的结构组成包括上层可动光栅1，下层反射镜3，柔性支撑结构2，固定支撑柱4，基底5等。其制作方式如下：

利用过氧化技术先在硅基底5上淀积一金属层，形成下反射镜电极层32，然后在上面沉积一层二氧化硅起到绝缘作用；

再利用牺牲层技术，制成柔性支撑结构2及上层可动光栅1。下层反射镜3和上层可动光栅1之间留有合适的空气间隙。支撑上层可动光栅1的柔性支撑结构2一端支撑在基底上的四个固定支撑立柱4上，另一端连接在上层可动光栅1的四个角上。上层可动光栅1是在一反射面上均匀刻蚀出镂空矩形槽而形成，上层可动光栅1上下两面均镀有金属层，上金属层11用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层13，与下反射镜电极层32之间形成可动的电容式极板。柔性支撑结构2可选用弹性系数比上层可动光栅大得多的材料来制作，也可以在使用相同材料的条件下，采用厚度比上层可动光栅小很多的减薄型支撑结构。

上述光栅光调制器是通过上层可动光栅的上下运动，使得入射光经光栅衍射后在不同的得到不同的光强分布。调制器为开态，即上层可动光栅与下层反射镜的高度差为λ/2时，满足入射光经光栅和下层反射镜反射得到的两束光在相位上相差π，相遇干涉后的光强集中在零级；施加一定的电压使得调制器为关态，上层可动光栅与下层反射镜的距离为λ/4时，经两者反射得到的相位差为π/2，这样得到的衍射光强，在零级处几乎为零。这两种状态的衍射效率分布参见图6。

使用多个这样的光调制器即可形成图4所示的阵列，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，上层反射光栅作垂直平动，形成线阵光调制器。这种按阵列布置的光栅光调制器线阵6可采用红外透射材料7封装，如图5所示。

那些只要在本领域的技术人员阅读了本公开文件后才变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims (3)

1、一种基于柔性支撑结构的光栅光调制器，其特征在于它包括：

a.硅基底；

b.在硅基底之上沉积刻蚀形成的电极层和绝缘层，构成下层反射镜；

c.利用牺牲层技术在下层反射镜之上制成的柔性支撑结构和上层可动光栅，下层反射镜和上层可动光栅之间留有合适的空气间隙；支撑上层可动光栅的柔性支撑结构一端支撑在硅基底上的四个固定支撑立柱上，另一端连接在上层可动光栅的四个角上；所述柔性支撑结构采用弹性系数比上层可动光栅所用材料大的材料制成，或采用减薄型支撑结构，即使支撑结构在垂直方向的厚度要远小于上层可动光栅在垂直方向的厚度来达到柔性支撑作用；

d.上层可动光栅上下两面均镀有金属层，上金属层用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层，与下层反射镜形成可动的电容极板；

e.驱动电路，通过电极引出线连接上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层，产生不同电平、不同频率的驱动电压；在上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层之间施加电压V₁，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为nλ/2，调制器反射光强取最大值；施加电压V₂时，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为(2n-1)λ/4，调制器反射光强几乎为零；其中λ表示入射光的波长。

2、采用权利要求1所述的基于柔性支撑结构的光栅光调制器形成的光栅光调制器线阵，其特征在于：使用多个权利要求1所述的光调制器形成阵列，每个光调制器独立施加偏置电压，上层反射光栅作垂直平动，形成光栅光调制器线阵。

3、根据权利要求2所述的光栅光调制器线阵，其特征在于：所述按阵列布置的光栅光调制器采用红外透射材料封装。

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