CN113391471B - 空间光调制器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种空间光调制器,包括:调制层单元,包括依次设置的不同折射率的第一调制层、第二调制层和第三调制层;所述第二调制层的折射率与所述第一调制层和第三调制层不同,所述第一调制层、第二调制层和第三调制层中至少一个调制层设置有至少一个图形单元;电极单元,包括正电极和负电极,位于所述图形单元的间隙之中,所述电极单元能够调节所述电极单元所接触的调制层所述第二调制层的光学性质。同时本公开还提供一种空间光调制器的制备方法。
Description
技术领域
本公开涉及光学技术领域,尤其涉及一种空间光调制器及其制备方法。
背景技术
空间光调制器是一种能够调节光波的波长、振幅和相位等光学参量的光学器件。空间光调制器在空间光通信、生化传感器、光学计算机和数字全息成像等领域具有重要作用。随着信息时代的快速发展,空间光调制器有望促进光学宽带网络等产品的性能提升。
传统的空间光调制器包含稳定性较低的有机材料和复杂的结构。由于材料和结构的性能限制,空间光调制器存在插入损耗高和调制速度低的缺点。目前空间光调制器的种类主要是液晶空间光调制器。液晶空间光调制器的主要功能材料是液晶,还包括导向层和封框胶。封框胶等连接结构容易移动,存在固定稳定性弱的问题。液晶的使用温度通常不超过50℃。液晶、导向层和封框胶都是温度稳定性较低的有机物,在光照和较高温度下使用容易老化,存在使用温度低、使用寿命短的问题。液晶空间光调制器的调制机理通常采用液晶的电致双折射效应,由于液晶材料、液晶层的厚度的最小均匀性和液晶层最小厚度的限制,液晶空间光调制器存在插入损耗高和调制速度低的缺点,插入损耗为1.5dB(反射率72%),调制速度通常在百赫兹量级。
因为液晶空间光调制器包含的结构零件较多,液晶空间光调制器的制备方法存在加工步骤多、加工难度高、生产成本高和成品率低的缺点。液晶空间光调制器的制备步骤通常包括硅基互补金属氧化物半导体集成电路的制备步骤和液晶面板贴合封装的步骤。硅基互补金属氧化物半导体集成电路的制备步骤通常包括第一次沉积氧化硅、第一次图形化、离子注入、去除剩余氧化硅、第二次沉积氧化硅、沉积氮化硅、第二次图形化、第三次沉积氧化硅、沉积氮化硅、第三次图形化以及制备接触孔、栅极和电极等,共包括9次沉积、3次离子注入和7次图形化等19个步骤,成品率为90%。液晶面板贴合封装的步骤包括制备导向层、曝光导向层、涂布封框胶、液晶灌注和涂布封口胶等5个步骤,成品率为30%。因此,液晶空间光调制器的制备步骤共24个,成品率为27%,成品率较低,生产成本高。其中,图形化的次数较多、对准偏差较大,接触孔的制备难度大,涂布封框胶对准偏差较大,因此液晶空间光调制器的加工难度高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
基于上述问题,本公开提供了一种空间光调制器及其制备方法,以缓解现有技术中空间光调制器插入损耗高、调制速度低、稳定性低、使用寿命短、加工步骤多、加工难度高、成品率低、生产成本高等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面,提供一种空间光调制器,包括:调制层单元,包括依次设置的不同折射率的第一调制层、第二调制层和第三调制层;所述第二调制层的折射率与所述第一调制层和第三调制层不同,所述第一调制层、第二调制层和第三调制层中至少一个调制层设置有至少一个图形单元;电极单元,包括正电极和负电极,位于所述图形单元的间隙之中,所述电极单元能够调节所述电极单元所接触的调制层所述第二调制层的光学性质。
根据本公开实施例,所述电极单元位于所述第一调制层、所述第二调制层和所述第三调制层的任意一层的上方并与对应的调制层接触。
根据本公开实施例,所述电极单元位于所述第一调制层、所述第二调制层或所述第三调制层每一层的上方并与对应的调制层接触。
根据本公开实施例,所述调制层单元包括至少三层调制层,任意相邻的两层调制层之间的折射率差的绝对值至少具有两种。
根据本公开实施例,所述电极单元位于所述调制层单元的任意一层调制层或每一层调制层的上方并与该层调制层接触。
根据本公开实施例,所述调制层单元的制备材料选自热光材料、电光材料、声光材料或磁光材料;所述调制层单元的材料类型为单晶材料、多晶材料或非晶材料;所述调制层单元材料为导体、半导体或绝缘体。
根据本公开实施例,其中:所述调制层单元的结构类型包括薄膜结构、纳米结构、超晶格结构或光子晶体结构中任意一种;所述图形单元的形状选自立方体、长方体、圆柱、梯形锥体;所述电极单元的制备材料选自金属单质、合金、透明导电氧化物。
根据本公开实施例,所述图形单元的间隙宽度为0.1nm到1mm;所述电极单元和所述图形单元的间隙为0.05nm到5000nm,所述正电极和负电极的间距为0.2nm到1mm。
本公开的另一方面,提供一种空间光调制器的制备方法,用于制备上述任一项所述的空间光调制器,包括:在衬底上方依次制备多层调制层得到调制层单元;对需要图形化的调制层进行图形化得到图形单元;在所述图形单元的间隙制备电极单元;以及对电极单元进行图形化,完成空间光调制器的制备。
根据本公开实施例,所述的制备方法,还包括,将电极单元接触的调制层的下表面进行减薄和抛光,将所述电极接触的调制层的下表面和所述电极单元接触的调制层下方的调制层的上表面进行键合。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出,本公开空间光调制器及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分:
(1)插入损耗低;
(2)调制速度高;
(3)稳定性高,使用寿命长的特点;
(4)加工步骤少、加工难度低、成品率高,生产成本低。
附图说明
图1示意性示出了本公开实施例的空间光调制器的结构示意图;
图2示意性示出了本公开实施例的空间光调制器的俯视结构示意图;
图3示意性示出了本公开实施例的空间光调制器的另一种结构示意图;
图4示意性示出了本公开实施例的空间光调制器的制备方法的流程图;
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-衬底层;200-电极单元;300-调制层单元;301-第一单元层;302-第二单元层;303-第三单元层;304-第四单元层;305-第五单元层;306-第六单元层;307-第七单元层;308-第八单元层;309-第九单元层;310-第十单元层;311-第十一单元层;312-第十二单元层;313-第十三单元层;314-第十四单元层;315-第十五单元层;316-第十六单元层;317-第十七单元层。
具体实施方式
本公开提供了一种空间光调制器及其制备方法,通过采用调制电极改变调制层的光学性质,进而实现对光波的调制,相较于液晶空间光调制器,因为采用了使用无机物作为固体状态的调制层和电极单元,具有插入损耗低、调制速度高、稳定性高和使用寿命长的特点。制备时可以实现加工步骤少、加工难度低、成品率高,所以生产成本低的有益效果。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中,提供一种空间光调制器,结合图1和图2所示,所述空间光调制器,包括:
调制层单元300,包括依次设置的不同折射率的第一调制层301、第二调制层302和第三调制层303;所述第二调制层302的折射率与所述第一调制层301和第三调制层303不同,所述第一调制层301、第二调制层302和第三调制层303中至少一个调制层设置有至少一个图形单元;
电极单元200,包括正电极和负电极,位于所述图形单元的间隙之中,所述电极单元能够调节所述电极单元所接触的调制层所述第二调制层的光学性质。
如图1所示,调制层单元300包括第一调制层301、第二调制层302和第三调制层303,第二调制层302位于第一调制层301和第三调制层303之间。第二调制层302的折射率与第一调制层301和第三调制层303不同。第三调制层303包括至少一个图形单元。
电极单元200位于第二调制层302的上方并与之接触。电极单元200位于第三调制层303的图形单元的间隙之中。电极单元200包括正电极和负电极。
具体地,调制层单元300为热光材料、电光材料、声光材料或磁光材料。具体地,调制层单元300为单晶材料、多晶材料或非晶材料。具体地,调制层单元300为导体、半导体或绝缘体。具体地,调制层单元300包括但不限于Si、Ge、ITO、AZO、ZnO、GaN、AlN、ZnS、SiC、AlP、GaP、Au、Ag、Pt、Ta2O5、SiO2、Si3N4和Al2O3材料。具体地,调制层单元300的厚度为10nm到1mm。
较佳地,第一调制层301为SiO2材料,厚度为0.5mm,折射率为1.5。第一调制层301同时起到衬底的作用。较佳地,第二调制层302为多晶Si材料,较佳地,第二调制层302的厚度为100nm,折射率为3.5。较佳地,第三调制层303为Ge材料,厚度为200nm,折射率为4.2。第一调制层301和第二调制层302的折射率差的绝对值为2,第二调制层302和第三调制层303的折射率差的绝对值为0.7,两种折射率差的绝对值不相等。
可以理解的是,入射光波在第二调制层内进行传播时,通过对第二调制层施加电场或热场,可以改变第二调制层的折射率和吸收系数,改变第一调制层301和第二调制层302的折射率差的绝对值、第二调制层302和第三调制层303的折射率差的绝对值,从而改变反射光光束之间的相位差、改变反射光光束之间的干涉条件,进而实现反射光信号强度的调制。
具体地,所述图形单元具有不同的折射率;第三调制层303的图形单元包括但不限于立方体、长方体、圆柱和梯形锥体。较佳地,第三调制层303的图形单元为长方体。具体地,第三调制层303的图形单元的间隙为0.1nm到1mm。较佳地,长方体的间隙为5000nm。
具体地,电极单元200为金属、合金和透明导电氧化物中的任意一种或任意多种。电极单元包括但不限于Ag、Cu、Au、Al、Pt、Ni、Cr、Ti和ITO材料,电极单元的厚度为10nm到2000nm。电极单元200为电阻率不大于5×10-7Ω·m且与第二调制层302的接触势垒不大于1.5eV的具有低电阻率和低接触势垒的材料。较佳地,电极单元为Au/Al材料,Al的厚度为50nm,Au的厚度为150nm。Al材料的电阻率为2.7×10-8Ω·m,Au材料的电阻率为2.4×10-8Ω·m。电极单元200包括正电极和负电极,具体地,正电极和负电极的间距为0.2nm到1mm。较佳地,正电极和负电极的间距为100μm。
该电极单元的作用是连接电源与第二调制层,对第二调制层产生热场或电场,从而对在第二调制层中传输的光进行调制。可以理解的是,低电阻率的材料具有高的导电性能,低的接触势垒有利于电流的传导。并且,金属材料的热导率高,有利于传热。
具体地,正电极和第三调制层303的图形单元的间隙为0.05nm到5000nm,负电极和第三调制层303的图形单元的间隙为0.05nm到5000nm。较佳地,正电极和第三调制层303的图形单元的间隙为1000nm,负电极和第三调制层303的图形单元的间隙为1000nm。可以理解的是,电极单元位于图形单元的间隙,不是位于调制层之间,可以减少电极单元对于光的吸收损耗。
作为本公开实施例的一种可选的实施方式,第三调制层303的图形单元具有不同的折射率。第三调制层303的图形单元的材料包括Ge材料和Ta2O5材料。Ge材料的厚度为90nm的正整数倍,折射率为4.2。Ta2O5材料的厚度为180nm的正整数倍,折射率为2.1。可以理解的是,在不同区域设置不同折射率的图形单元可以实现对入射光波不同的调制效果,可以增加空间光调制器的灵活性。
作为本公开实施例的一种可选的实施方式,电极单元200位于第一调制层301、第二调制层302和第三调制层303的任意一层或每一层的上方并与之接触。通过对每一层调制层施加电场或热场,都能够对光波进行调制,可以增加空间光调制器的灵活性和应用的便捷性。
作为本公开实施例的一种可选的实施方式,具体地,调制层单元300包括至少三层调制层,任意相邻的两层调制层的折射率差的绝对值至少具有两种。电极单元200位于调制层的任意一层或每一层的上方并与之接触。通过调整调制层的数量,可以实现空间光调制器的插入损耗较低的性能。通过对每一层调制层施加电场或热场,都能够对光波进行调制,可以增加空间光调制器的灵活性和应用的便捷性。
图3示意性示出了本公开另一实施例的空间光调制器结构示意图。
根据本公开实施例的一种可选的实施方式,包括衬底层100、调制层单元300和电极单元200。
调制层单元300包括17层,其中,任意相邻的两层调制层的折射率差的绝对值具有两种。第一调制层301位于衬底层100的上方,第二调制层302位于第一调制层301和第三调制层303之间,其他调制层按编号从小到大的顺序依次从下向上排列。第十调制层310到第十七调制层317包括至少一个图形单元。
电极单元200位于第九调制层309的上方并与之接触。电极单元200位于第十调制层310到第十七调制层317的图形单元的间隙之中。电极单元200包括正电极和负电极。
具体地,衬底层100为导体、半导体或绝缘体,衬底层包括但不限于Al、Si、SiO2和Al2O3材料。较佳地,衬底层100为单晶Si材料。具体地,衬底层的厚度为0.1mm到10mm。较佳地,该衬底层的厚度为0.5mm。该衬底层的主要作用是承载和便于集成。
较佳地,第九调制层309为多晶Si材料,较佳地,第九调制层309的厚度为100nm,折射率为3.5。较佳地,除第九调制层309之外的每一层偶数调制层为SiO2材料,厚度为270nm的正整数倍,折射率为1.4。较佳地,除第九调制层309之外的每一层奇数调制层为TiO2材料,厚度为200nm的正整数倍,折射率为1.9,任意相邻偶数调制层和奇数调制层的折射率差的绝对值为0.5。第九调制层和相邻的调制层的折射率差的绝对值为的2.1。第九调制层309的作用是对光波进行调制,除第九调制层309之外的其它调制层的作用是对波长1550nm的光波进行高度反射。较佳地,第一调制层301到第八调制层308对1550nm波长光波的反射率为85%,第十调制层310到第十七调制层317对1550nm波长光波的反射率为85%。可以理解的是,在第九调制层下方增加其它调制层,其它调制层采用致密的绝缘体材料,能起到降低光的散射损耗的作用,从而降低空间光调制器的插入损耗。
根据本公开的一些实施例,空间光调制器对1550nm波长光波的反射率为90%,对1550nm波长光波的插入损耗为0.5dB,低于现有技术中液晶空间光调制器的插入损耗(1.5dB),比现有技术中液晶空间光调制器的插入损耗降低了三分之二。本公开的空间光调制器的调制速度在兆赫兹量级,比现有技术中液晶空间光调制器的调制速度(百赫兹量级)高4个量级。因此,本公开公开的空间光调制器相较于现有技术中的液晶空间光调制器,具有插入损耗低和调制速度高的特点。
根据本公开的一些实施例,衬底层100、调制层单元300和电极单元200都是固体,且衬底层100、调制层单元300和电极单元200都是无机物。无机物固体的使用温度通常高于液晶等有机物,具有使用温度高的优点。同时,无机物固体的抗老化性通常高于有机物,具有使用寿命长的优点,并且,衬底层100、调制层单元300和电极单元200的位置及相对位置均为固定不可变的,因此,本公开公开的空间光调制器相较于现有技术中的液晶空间光调制器,具有稳定性高和使用寿命长的特点。
图4示意性示出了本公开实施例的空间光调制器的制备方法的流程图。
如图4所述,本公开还公开了一种空间光调制器的制备方法,包括:
操作S1:在衬底100上方依次制备多层调制层得到调制层单元300;如图3所示,在衬底层100上方制备调制层单元300,依次制备第一调制层301到第十七调制层317;
操作S2:对需要图形化的调制层进行图形化得到图形单元;
如图3所示,对调制层单元300进行图形化,对需要图形化的第十调制层310到第十七调制层317进行图形化得到图形单元;
操作S3:在所述图形单元的间隙制备电极单元;
如图3所示,在图形化单元的间隙中制备电极单元200,电极单元200位于第九调制层309上。
操作S4:对电极单元200进行图形化,完成空间光调制器的制备。
根据本公开的一些实施例,将调制层单元300进行图形化之前还包括,将电极接触的第九调制层309的下表面进行减薄和抛光,将第九调制层309的下表面和第八调制层308的上表面进行键合。
根据本公开的一些实施例,制备调制层单元300和制备电极单元200时采用物理法或化学法;物理法包括以下之一:磁控溅射法、离子束溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法或分子束外延法;化学法包括以下之一:化学气相沉积法、电化学法、溶胶凝胶法或水热法。制备所述调制层和制备所述电极单元包括沉积法或键合法;图形化的工艺方法包括光刻和刻蚀。
根据本公开的一些实施例,本公开公开的空间光调制器的制备方法包括2次沉积和2次图形化,共4个小步骤,远远地少于现有技术中液晶空间光调制器的加工步骤(24个),因此,本公开公开的空间光调制器的制备方法简化了加工工艺,提高了生产效率,降低了生产成本。
另外,本公开公开的空间光调制器的制备方法只包括沉积和图形化等加工难度较低的工艺,图形化的次数较少、对准偏差较小,不存在接触孔和封框胶的制备,具有加工难度低的优点,进一步降低了成产成本和提高了生产效率。
通过本公开公开的空间光调制器的制备方法生产空间光调制器的成品率可以高达90%,相较于现有技术中液晶空间光调制器的成品率27%,提高了产率,降低了损耗与成本。
本公开公开的空间光调制器的调制机理为:利用第九调制层309的光学性质的变化调制经过空间光调制器的光波的光学参量。采用入射光照射空间光调制器,通过电极单元200对第九调制层309施加某种能量(例如:电和热等)改变第九调制层309的光学性质(例如:折射率和吸收系数等),从而改变空间光调制器的反射光的光学参量(例如:相位和振幅等)。除第九调制层309之外的其它调制层的作用是对波长1550nm的光波进行高度反射,其它调制层采用致密的绝缘体材料,能起到降低光的散射损耗的作用,从而降低空间光调制器的插入损耗。
通过上述技术方案,通过采用调制电极改变调制层的光学性质,进而实现对光波的调制,相较于液晶空间光调制器,同时,因为采用了使用无机物作为固体状态的调制层和电极单元,本公开提供的空间光调制器具有插入损耗低、调制速度高、稳定性高和使用寿命长的特点。利用所述空间光调制器的所述制备方法可以实现加工步骤少、加工难度低、成品率高,所以生产成本低的有益效果。
至此,已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是,在附图或说明书正文中,未绘示或描述的实现方式,均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式,并未进行详细说明。此外,上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式,本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述,本领域技术人员应当对本公开空间光调制器及其制备方法有了清楚的认识。
综上所述,本公开提供了一种空间光调制器及其制备方法,在衬底上方依次制备各层调制层、对需要接触电极的每层调制层的上方的所有调制层进行图形化、在调制层的上方制备电极层和对电极层进行图形化,得到的空间光调制器具有插入损耗低和调制速度高的特点。上述制备方法相较于制备液晶空间光调制器,具有加工步骤少、加工难度低、成品率高,所以生产成本低的有益效果。
还需要说明的是,实施例中提到的方向用语,例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等,仅是参考附图的方向,并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图,相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时,将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例,而仅示意本公开实施例的内容。另外,在权利要求中,不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者,单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词,以修饰相应的元件,其本身并不意味着该元件有任何的序数,也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序,该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外,除非特别描述或必须依序发生的步骤,上述步骤的顺序并无限制于以上所列,且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑,彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用,即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解,可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件,以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外,可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述,本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且,在列举了若干装置的单元权利要求中,这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
以上所述的具体实施例,对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本公开的具体实施例而已,并不用于限制本公开,凡在本公开的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种空间光调制器,包括:
调制层单元,包括依次设置的不同折射率的第一调制层、第二调制层和第三调制层;所述第二调制层的折射率与所述第一调制层和第三调制层不同,所述第一调制层、第二调制层和第三调制层均设置有至少一个图形单元;
电极单元,包括正电极和负电极,位于所述图形单元的间隙之中并与对应的调制层接触,所述电极单元能够调节所述电极单元所接触的调制层的光学性质。
2.根据权利要求1所述的空间光调制器,所述电极单元位于每一层调制层的上方并与该层调制层接触。
3.根据权利要求1所述的空间光调制器,任意相邻的两层调制层之间的折射率差的绝对值至少具有两种。
4.根据权利要求3所述的空间光调制器,所述电极单元位于每一层调制层的上方并与该层调制层接触。
5.根据权利要求1至4中任一所述的空间光调制器,所述调制层单元的制备材料选自热光材料、电光材料、声光材料或磁光材料;所述调制层单元的材料类型为单晶材料、多晶材料或非晶材料;所述调制层单元材料为导体、半导体或绝缘体。
6.根据权利要求1-4中任一所述的空间光调制器,其中:
所述调制层单元的结构类型包括薄膜结构、纳米结构、超晶格结构或光子晶体结构中任意一种;
所述图形单元的形状选自立方体、长方体、圆柱、梯形锥体;
所述电极单元的制备材料选自金属单质、合金、透明导电氧化物。
7.根据权利要求1-4中任一所述的空间光调制器,所述图形单元的间隙宽度为5000nm到1mm;所述电极单元和所述图形单元的间隙为1000nm到5000nm,所述正电极和负电极的间距为100μm到1mm。
8.一种空间光调制器的制备方法,用于制备上述权利要求1至7任一项所述的空间光调制器,包括:
在衬底上方依次制备多层调制层得到调制层单元;
对需要图形化的调制层进行图形化得到图形单元;
在所述图形单元的间隙制备电极单元;以及
对电极单元进行图形化,完成空间光调制器的制备。
9.根据权利要求8所述的制备方法,还包括,将电极单元接触的调制层的下表面进行减薄和抛光,将所述电极单元接触的调制层的下表面和所述电极单元接触的调制层下方的调制层的上表面进行键合。
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