CN114127624A

CN114127624A - 用于调制入射光的光学器件

Info

Publication number: CN114127624A
Application number: CN202080051468.7A
Authority: CN
Inventors: A·德普罗弗特; X·罗滕伯格; K·洛德威克斯
Original assignee: Katholieke Universiteit Leuven; Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Svef Co.
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2020-07-09
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2040-07-09
Also published as: EP3770672B1; CN114127624B; EP3770672A1; WO2021013572A1; US20220252909A1

Abstract

根据本发明构思的一方面，提供了一种用于调制入射光(L)的光学器件(1)，其包括包含光学状态变化材料(112)的谐振限定层结构(110)以及包含至少两个间隔开的电极元件(121，122，123)的电极层(120)。电极元件是可单独寻址的并且被布置成引起光学状态变化材料的一部分在第一状态和第二状态之间的光学状态变化，其中该部分形成由所述至少两个间隔开的电极元件的布置来限定的几何结构(131，132，133，134，135，136)。光学状态变化材料被配置成在第一状态和第二状态之间的光学状态变化时更改光学器件的光学响应，从而确定入射光的调制。

Description

用于调制入射光的光学器件

技术领域

本发明构思涉及一种用于调制入射光的光学器件。本发明构思还涉及调制入射到光学器件的光的方法。

背景技术

全息图像是通过控制三维光场而形成的。这通常由光学器件的阵列来完成，每一光学器件都具有光学响应，即更改入射光的特定方式，以提供至少一部分光场。为了形成光学响应，光学器件可以具有由亚波长特征的阵列组成的元表面(metasurface)。

当全息图像要随时间变化(例如以创建一系列全息图像或生成全息视频)时，可能需要更改光学器件阵列的光学响应。就此，已知提供一种光学器件阵列，其每一者具有单独的寻址端口并且可以通过激光等进行电气改变。

为了获得足够高的效率，即就调制光与入射光的比率而言，相位调制通常优于幅度调制。在元表面领域，已知使用诸如Pancharatnam Berry(PB)相位调制方案之类的调制，其中光的相位由光在其上传播的几何体而不是距离来确定。然而，在这种元表面的不同状态之间更改光学属性是一项具有挑战性的任务，尤其是对于要求部件尺寸小于一微米的可见光应用。

发明内容

因此，本发明构思的目的是提供一种光学器件，其光学响应可被单独且可逆地改变，以改变入射光的调制，同时保持整体效率。

本发明的这一目标和其他目的至少部分地由独立权利要求中限定的本发明来满足。优选实施例在从属权利要求中陈述。

根据本发明构思的第一方面，提供了一种用于调制入射光的光学器件，包括：

包括光学状态变化材料的谐振限定层结构；

包括至少两个间隔开的电极元件的电极层；

其中所述电极元件是可单独地寻址的并且被布置成引起光学状态变化材料的一部分在第一状态和第二状态之间的光学状态变化；

其中所述部分形成由所述至少两个间隔开的电极元件的布置来限定的几何结构，

其中光学状态变化材料被配置成在第一状态和第二状态之间的光学状态变化时更改光学器件的光学响应，所述光学响应确定入射光的调制。

因此，可以通过向至少两个电极施加电压差来改变光学器件的光学响应，从而改变光学状态变化材料的一部分。由至少两个间隔开的电极元件的布置所限定的几何结构允许生成光学状态变化材料在两种不同状态下的图案。给定的几何结构(即给定的图案)可对应于给定的光学响应，并且光学器件的光学响应因此可被更改。因此，在制造期间无需生产几何结构，从而实现简单且更具成本效益的制造。

通过可单独寻址的电极元件，可在至少两个电极元件之间施加电压差。因此，可以在谐振限定层结构和/或光学状态变化材料中感生电流、电流场、磁场、电场等，以将光学状态变化材料的一部分从第一状态改变为第二状态。相应地，光学状态变化材料的沿电流、电流场和/或磁场的该部分可改变状态，从而生成提供所需光学响应所需的几何结构。通过使用本文所述的电极元件，形成具有仅几百纳米的尺寸的几何结构是可能的。在本文中，“电压差”和“电位差”可以互换使用，但两者仍指在两个或多个元件之间施加电位差的概念。

此外，当跨至少两个电极元件施加另一电压差(诸如更低或更高的电压差)时，该部分可以再次从第二状态改变为第一状态。这反过来允许光学器件获得第一几何结构，被“复位”，即没有几何结构，并且随后获得另一或相同的几何结构。因此，光学器件可以使用光学器件的结构以简单的方式获得各种光学响应。

在一些实施例中，光学状态变化材料的第一和第二状态是稳定状态。光学状态变化材料可以具有两个以上的稳定状态。光学状态变化可通过例如由影响光学状态变化材料的电流、电流场、电磁场等引起的焦耳加热来实现。在一些实施例中，光学状态变化材料布置在层结构中。

根据一实施例，光学状态变化材料可以是相变材料PCM，优选地由包含过渡金属氧化物或硫系玻璃(诸如锗锑碲GST)的化合物形成，其中光学状态变化是相变材料的相变。

因此，可以借助于PCM的状态变化来实现光学状态变化。通过使用PCM，可以实现第一和第二状态之间的光学属性的实质性差异，从而允许更好地控制光学响应以及因此控制散射光。光学属性的差异可例如是PCM的复折射率或复介电常数。

根据一实施例，电极元件还可以被配置成重复地引起光学状态变化材料的一部分在第一状态和第二状态之间的光学状态变化。

这再次允许使用光学器件来获得更多种的不同光学响应。在光学状态变化材料是PCM的情况下，可通过向至少两个电极元件中的两者施加给定电压差来实现该部分从第一状态到第二状态的相变。

根据一实施例，谐振限定层结构还可包括导电层和/或电绝缘层。

因此，电流可流过电绝缘层的绝缘和/或导电层，但不流过光学状态变化层。在一些实施例中，电绝缘层或导电层可被插入在光学状态变化材料和电极层之间。在其他实施例中，由至少两个电极元件感生的电流可流过光学状态变化材料以改变其状态。在其他实施例中，光学器件可包括布置在谐振限定层结构的每侧上的两个电极层，使得当在每一层的电极之间施加电压差时，可跨谐振限定层结构生成电场。优选地，可在谐振限定层结构和相应电极层之间提供电绝缘层。

根据又一实施例，电极元件可被配置成将电流诱导到谐振限定层结构的至少一层中，以便引起光学状态变化材料的一部分的光学状态变化。

通过将电流诱导到至少一个层中，可沿电流路径发生局部加热，这可引起相位光学状态变化材料的该部分改变其光学状态。由此，可以实现所需部分的简单且相对容易控制的光学状态变化。由于电流路径可以是明确定义的，并且热可以由电流强度控制，因此可以引起光学状态变化材料的明确定义的部分从第一状态转移到第二状态，或者反之亦然。这进而使得可以在光学状态变化材料中(优选地在谐振限定层的主延伸平面中)形成几何结构，其中每一几何结构可以具有特定的光学属性，以便按所需方式调制入射光。

作为替换或与之组合，光学状态变化材料的光学状态变化可以借助于由电流或电位差感生的磁场来引起或至少触发。在一些实施例中，电流将流经光学状态变化材料，而在其他实施例中，电流可在器件的一个或多个其他层中行进。

根据一个实施例，光学器件可包括被布置成在谐振限定层的主延伸平面中限定至少两个不同几何结构的至少三个电极元件。该至少两个不同几何结构可例如符合V形或L形或其他较不复杂的各向异性形状，其可在谐振限定层的平面内相对彼此旋转。这允许根据入射光的Pancharatnam-Berry(PB)调制方案进行相位调制。由于几何图案是进一步可重写和可重构的，因此可以按明确定义和可控的方式改变光学器件的光学响应。

入射光优选地基本上垂直于谐振限定层的表面来入射，使得至少两个不同几何结构的取向对相位调制的影响可以增加。

根据一实施例，光散射器件可被配置为调制波长在100nm到2000nm范围内、优选在300nm到750nm范围内的入射光。

因此，光学器件可被用于调制人眼可见光范围内的光。这同样允许光学器件被用于创建3D全息图像和/或视频。

根据又一实施例，处于第一状态和第二状态中的至少一者的光学状态变化材料可具有针对波长范围为100nm至2000nm、优选300nm至750nm的入射光的等离子体属性。

这进而允许光学状态变化材料的光学属性高度依赖于在光学状态变化材料中形成的几何结构。等离子体属性可以允许与光的增强型电磁相互作用，并且从而在更小的体积中提高调制能力。此外，可见波长范围允许光学器件被用于调制人类可见光谱中的光，以例如提供全息图等。

根据一实施例，相位光学状态变化材料可以被布置在厚度小于要调制的入射光的最小波长的层中。

因此，在光透射过该器件的实施例中，可以减少光学状态变化材料的光吸收。这进而允许较大部分入射光被光学器件调制和散射。

根据一实施例，光学状态变化材料的第一状态可以是主晶态，而光学状态变化材料的第二状态可以是主非晶态。

因此，可基于主晶态和主非晶态之间的材料差异提供强响应。

光学状态变化材料的主晶态是指光学状态变化材料的至少一半处于结晶状态的状态。材料的至少一半可解释为光学状态变化材料的质量的至少50％。类似地，主非晶态应理解为光学状态变化材料的一半以上(例如质量的50％以上)处于非晶状态。在此应明白，本领域技术人员将知道关于光学状态变化材料(优选地相变材料)的术语“晶态”和“非晶态”。因此，这些术语的细节在本公开中将不再进一步讨论。在一些实施例中，光学状态变化材料可具有一个以上的主晶态和/或一个以上的主非晶态。在一些实施例中，主晶态和/或主非晶态可展示出光学状态变化材料的不同属性，例如光学属性。

根据又一实施例，谐振限定层结构和电极层可被布置在堆叠结构中，并且其中当在垂直于谐振限定层结构的表面的方向上看时，电极层可被布置在谐振限定层结构的上方和/或下方。

因此，电极层的电极元件可能够以最小的损耗在谐振限定层之中感生电流和/或在其之中或周围生成场，从而提高光学器件的效率。在一些实施例中，电流可以从电极层的一个电极，通过谐振限定层的至少一部分(例如光学状态变化材料的一部分)流向电极层的第二电极。作为替换或者与之组合，可通过电极层的电极发送变化的电流或交流电以生成磁场，例如通过更改谐振限定层的该部分的状态，至少部分地影响谐振限定层的一部分。

此外，可在谐振限定层的相对侧上提供第一和第二电极层。在这一情形中，可以在第一层的电极和第二层的(与第一层的电极相对)的对应电极之间施加偏置(诸如电位差)，以生成通过谐振限定层的至少一部分的局部化电场。

在一些实施例中，电极层包括布置在横跨矩形和/或六边形的位置处的至少四个电极元件。这进而允许在谐振限定层的光学状态变化材料中形成多个不同的几何结构，例如V形、L形、X形和I形。因此，入射光的各种相位调制可以通过改变光学状态变化材料的光学属性来被实现。跨矩形和/或六边形的位置可以使得当在基本上垂直于谐振限定层的方向上看时，每一电极可以形成矩形和/或六边形中的一个角。

在一些实施例中，提供了一种用于形成三维光场的分布的阵列，其包括多个根据上述任何实施例的光学器件，其中每一所述光学器件的至少三个电极元件中的每一者是可单独寻址的，使得每一光学器件的光学响应可独立于该阵列的其他光学器件而被更改。

这进而允许通过调制(诸如相位调制)入射光来呈现例如全息图等的阵列，同时保持使用光学器件的高效率，其光学响应可以容易地被复位和/或更改。根据一实施例，光学器件可被配置成调制偏振光。具体而言，光学器件可以被配置成形成各向异性的几何形状，以便允许在第一状态和第二状态之间的光学状态变化时增加光学响应的差异。本实施例基于以下认识：光可以由具有垂直于传播方向的电场的行波来表示，其中光波的偏振描述电场的精确取向。偏振可以通过垂直于传播方向的平面中正交向量的线性组合来描述，并且取决于这些正交向量的权重，可以说光是线性偏振、圆偏振或椭圆偏振的。

当光行进时，它的磁场和电场可能与周围环境发生不同的相互作用。因此，当光通过磁场和电场看到各向异性周围环境的任何结构、介质或界面(如椭圆形几何结构或纳米颗粒)时，偏振成为重要参数。偏振正交基的权重可决定光将如何与这一各向异性相互作用。

因此，在本公开的上下文中，偏振可以是影响光的所得调制的重要因素。对于特定(各向异性)几何结构，不同的偏振可导致显著不同的光学响应。因此，在设计几何结构的形状时，可以考虑这些影响。有利地，可使用包含固定(或至少受控)偏振的光。

根据本发明构思的第二方面，提供了一种调制入射到光学器件的光的方法，该光学器件可以与上文参考第一方面和相关实施例描述的器件相似地配置。该方法可包括以下步骤：

向光学器件的至少两个电极元件的一对施加第一电压差，以引起相位光学状态变化材料的一部分的从第一状态到第二状态的光学状态变化，以及

向该对电极元件施加第二电压差，第二电压差低于第一电压差，以引起相位光学状态变化材料的从第二状态到第一状态的光学相位状态变化。

类似于参考根据第一方面的器件所描述的，光学状态变化可以是可逆的，并且取决于施加到该对电极元件的电压差。这进而允许光学状态变化材料的各部分的可控光学状态变化。由于可逆性，在生产过程中无需在谐振限定层中制作图案，从而允许更简单和更具成本效益的生产。此外，由于至少部分光学状态变化材料的状态由电极层的电极来限定，因此可不需要外部源来使材料的相变复位。这进而又允许可容易地配置的光学器件。

根据一实施例，与第一电压差相比，施加第二电压差达更长的时间段。

根据一实施例，所述电极层包括至少三个电极元件，该方法还包括以下步骤：

将第一电压差施加到第二对电极元件，以引起相位光学状态变化材料的另一部分的从第一状态到第二状态的光学状态变化，以及

将第二电压差施加到第二对电极元件，以引起相位光学状态变化材料的该另一部分的从第二状态到第一状态的光学状态变化。

根据本发明构思的第三方面，提供了一种光学器件的阵列，其中该阵列中的每一光学器件是根据第一方面的光学器件，并且其中每一光学器件形成晶胞，其中该阵列中的每一光学器件是可通过控制相应光学器件的电极元件来单独控制的。因此，第一方面的光学器件可被用在单独可控的光学器件的阵列中，以用于限定光学器件阵列的光学响应，其可被用于例如生成全息图像。

根据一实施例，每一光学器件包括一组电极元件。

因此，可以通过控制该组电极元件来单独地控制每一光学器件。该组可包括至少三个电极元件，其被布置成在谐振限定层的主延伸平面中限定至少两个不同的几何结构，使得该组电极元件的布置可被用于限定由每一光学器件的一部分形成的至少两个不同的几何结构。

根据一实施例，第一光学器件的一组电极元件不同于第二光学器件的一组电极元件。因此，第一和第二光学器件中的每一者由其自身的一组电极元件来控制。

根据一实施例，该阵列包括对该阵列中的所有晶胞而言共用的单个谐振限定层。

这意味着谐振限定层可很容易地生产。

本发明的不同方面可以按不同的方式实现，包括光学器件、调制入射到光学器件的光的方法以及如上文和下文所述的光学器件阵列，每一者都产生结合上述至少一个方面描述的一个或多个益处和优点，并且每一者都具有与结合上述至少一个方面描述的优选实施例相对应的一个或多个优选实施例。

此外，将理解，结合本文描述的一个方面描述的实施例可以同样地应用于另一方面。

附图说明

通过参考附图的说明性和非限制性的以下详细描述，将更好地理解本发明构思的以上以及其他目的、特征和优点。在附图中，除非另有说明，否则相似的附图标记将用于相似的元件。

图1是根据一实施例的光学器件的透视图。

图2是根据一实施例的多个光学器件的阵列的俯视图。

图3a-d是在光学状态变化材料中形成不同几何结构的光学器件的透视图。

图4a-b、5a-b和6a-b示意性地示出了根据本发明的一些实施例的光学器件。

图7是解说根据一实施例的方法的流程图。

具体实施方式

现在参考图1，将概括地描述光学器件1。光学器件1可包括谐振限定层结构110，该谐振限定层结构110包括光学状态变化材料112和可选的电绝缘或导电层114。此外，器件1可包括电极层，该电极层包括至少两个间隔开的电极元件，诸如第一电极元件121、第二电极元件122和第三电极元件123。在本示例中，谐振限定层结构110和电极元件121、122、123可被布置在基板140上，使得电极元件121、122、123被布置在基板140和谐振限定层结构110之间并在基板140的导电结构(未示出)和谐振限定层110之间提供电连接。如本附图所示，谐振限定层结构110的光学状态变化材料112和电绝缘或导电层114可被布置在堆叠结构中，其中电绝缘或导电层114布置在电极层和光学状态变化材料112之间。

电极元件121、122、123是可经由例如基板140单独地寻址的，其中可提供导电路径以向电极元件121、122、123供电。因此，电极层可被布置成使得能够对光学状态变化材料112进行电气控制，光学状态变化材料112可被配置成在暴露于例如由电极层提供的电流、电流场、磁场或热时在至少第一和第二光学状态之间切换。将结合以下附图讨论这些机制的示例。

电极层可例如由导电层(例如金属)形成，导电层可被图案化成至少两个电极元件121、122、123，这些电极元件在基板140的主延伸平面中被彼此横向分隔开。换言之，电极元件可以在谐振限定层结构110上形成电可寻址点或电接触区。至少两个电极元件121、122、123和谐振限定层结构110之间的接触点的分隔和/或延伸可限定几何结构(未示出)，该几何结构可在光学状态变化材料112的一部分发生光学状态变化时被形成在光学状态变化材料112中。此类几何结构的示例将结合例如图6进行讨论。由光学状态变化材料112的该部分的光学状态变化所形成的几何结构可以被配置成更改光学器件1的光学响应，从而确定入射到器件1上的光L的调制。

光学状态变化材料112可以被提供为基本上均匀的层，该层形成可使待调制的光入射到其上的表面。因此，可被用于影响入射光L的调制的几何结构可通过电极层120的图案(或电极层的至少两个电元件的布置)而不是通过光学状态材料112本身的直接图案化来被定义。

光学状态变化材料112例如可以是相变材料PCM，诸如举例而言过渡金属氧化物或硫系玻璃。过渡金属氧化物的示例包括VO₂、V₂O₃、EuO、MnO、CoO、CoO₂、LiCoO₂、Ca₂RuO₄、SrLrO₄、Ti₂O₃、LaCoO₃、PrNiO₃、Cd₂OsO₇、NdNiO₃、Tl₂Ru₂O₇、Ca_1-ySr_yVO₃、Fe3O₄、La_1-yCa_yMnO₃、La_2-2ySr_1+2uMn₂O₇、Ti₄O₇以及La₂NiO₄。硫系玻璃和其他相变材料的示例包括NiS_2-ySe_y、NiS、BaCo_1-yNi_yS₂、PrRu₄P₁₂、BaVS₃、EuB₆、CuCl和包含GeSbTe(也称为GST)的化合物。PCM可被配置成当暴露于高功率电脉冲时从晶体状态切换到非晶状态，并且当暴露于一系列低功率电脉冲时返回到晶体状态。取决于电极元件121、122、123的布置，PCM中产生的几何结构可影响光学响应，并从而影响入射光L的调制。

状态变化材料从一种状态到另一种状态的变化可由电脉冲的电压幅度和持续时间这两者来确定。这可以通过PCM来举例说明，其中不同的相可对应于不同的结晶度百分比。电流和所生成的焦耳热可被用于将PCM的原子从有序填充(晶相)转换成随机填充(非晶相)，反之亦然。

如果注入到PCM的电流高到足以熔化材料，则原子可进入液相。如果电流并且因而热量被迅速带走，则原子没有剩余的能量行进回到它们首选的晶格位置。因此，它们可被锁定在非晶态。然而，当电流并且因而热量只被逐渐地带走时，则原子可具有充分能量来行进到它们首选的晶格位置。所得的状态则可以是晶态。

如果注入的电流不足够高而不能熔化PCM材料，则它仍然可为原子提供足够的热量和能量以使原子能够移动到更接近其所需的晶格位置。所提供的能量越多，处于晶体状态的原子的百分比就越高。

因此，将明白，状态变化可仅由所施加电压脉冲的幅度、仅由脉冲的持续时间或或由这两者的组合来影响。电极元件121、122、123可以被布置成引起在谐振限定层110的平面中形成亚波长规模的几何结构的部分的光学状态变化，并且参考要调制的入射光的波长。如本附图所示的光学器件1可以形成多个晶胞(unit cell)的阵列的一晶胞，其中每一晶胞可以在光学响应方面被单独地控制，以通过向传入波施加局部相移来控制入射电磁波的波前。

光学器件1例如可以在加性工艺中被形成，其中电极层120被沉积并被图案化以形成电极元件121、122、123。在以后步骤中，可通过首先在电极层120上方沉积诸如导电层114之类的中间层114，并然后在中间层114上方沉积光学状态变化材料112，来提供谐振限定层110。

图2a-d示意性地示出了根据一实施例的光学器件，其可以与图1所示的器件类似地配置。在本实施例中，谐振限定层110包括光学状态变化材料112(诸如举例而言上文讨论的GST相变材料)以及第一电极元件121、第二电极元件122和第三电极元件123。电极元件121、122、123在横向上分隔开的接触点处电连接到GST层112，从而限定通过相变材料112的电流路径。图2a-d示出了布置在四种不同调制状态下的该器件。

在图2a中，电流I1在第一电极元件121和第三电极元件123之间通过，使得在沿该电流路径延伸的相变材料112的一部分中触发相变。相变部分例如可以采取沿电流路径的非晶状态，从而形成在第一电极元件121和第三电极元件123之间延伸的第一几何结构131。

在图2b中，电流I₂在第一电极元件121和第二电极元件122之间通过，从而造成在第一和第二电极元件121、122之间延伸的第二几何结构132。

在图2c中，电流I₃在第二电极元件122和第三电极元件123之间通过，从而在第二和第三电极元件122、123之间生成第三几何结构133。

将明白，光学器件1的上述操作方案是示出本发明构思的实施例的示例。因此，可以使用不同数量的电极元件及其布置来实现相变材料122中相变区域的所需几何结构。此外，电流也可在三个或更多电极元件之间通过。图2d中示出了一个示例，其中从第一电极元件121到第二和第三电极元件122、123这两者形成了电流路径。所得几何形状由图2b的第二几何形状132和图2c的第三几何形状133的组合形成。在图2a-d所示的实施例中，光学状态变化材料112被配置成响应于电流通过该材料来改变光学器件的光学响应。通过光学状态变化材料的电流路径可借助于材料本身的焦耳加热来引起光学状态变化。然而，其他配置也是可能的。

图3a和b示出了可以与图1和图2的器件相似地配置的光学器件，不同之处在于谐振限定层结构110包括布置在光学状态变化材料112和电极层120之间的中间层114。中间层114也可以被称为刺激限定层，可以被配置成例如通过中间层114本身的焦耳加热来间接改变光学状态变化材料112的光学状态。通过将中间层114布置成靠近光学状态变化材料112，中间层114可以充当例如诱导光学状态变化材料112中的相变的加热层。中间层可以是例如绝缘层，或如图3a所示的电流I₁、I₂可以在例如第一电气元件121和第三电气元件123之间流过的导电层，以及如图3b所示的电流I₁、I₂可以在第一电气元件121和第二电气元件122之间流过的导电层，以在光学状态变化材料112中形成所需几何结构131、132。

图4a和b示出了布置在光学器件中的电气元件的另一配置，该光学器件本来可以与先前附图的实施例相似地配置。在本示例中，光学状态变化材料112可被配置成响应于由电极元件121、122、123、124中的至少两者上的电压偏置所生成的电场而改变光学状态。因此，光学状态变化材料112可以是在存在外部电场的情况下表现出吸收或折射率变化的电光材料。

在本示例中，第一电极元件121可布置在光学状态变化材料122的层上方(从基板表面的堆叠方向看，图4a和b中未示出)，而第二电极元件122可布置在光学状态变化材料112下方。因此，第一和第二电极元件121、122可以形成电极对，其中光学状态变化材料112的一部分位于两者之间。当在第一和第二电极元件121、122上施加电位差时，电场E可被产生在电极之间，并穿过光学状态变化材料112的布置在电气元件121、122之间的部分。电场E可被用于引起光学状态变化材料112的该部分的光学状态变化，从而造成在谐振限定层结构110的主延伸平面中沿着电极元件121、122中的至少一者延伸的几何结构。可以提供一个或若干个电极元件对，以允许形成其他几何结构。在图4b中，在光学状态变化材料112的另一部分处的相对侧上布置的第二电极元件对123、124被用于产生形成另一几何结构的电场E。

图5a和b中公开了光学状态变化机制的另一示例，其中使用来自电导体的磁场来引起沿电流路径的磁光状态变化。此类光学器件可以与图1至图4的实施例相似地配置，不同之处在于第一电极元件121和第二电极元件122可以被布置成允许电流I₁、I₂沿着谐振限定层结构110的主延伸平面通过相应的电极元件121、122。通过电流I₁、I₂流过电极元件121、122形成的导体而产生的磁场B可被用于诱导光学状态变化材料112中的光学状态变化。

如以上附图的所解说的示例所示，可采用若干机制来在光学状态变化材料中形成几何结构，其中状态改变机制以及所得的几何结构的延伸和形式由电极元件的布置和电气操作来确定。取决于几何结构的形状和取向，可以提供不同的光学响应以实现对入射到光学器件上的光的调制。

图6是布置在二维阵列中的多个光学器件1的示意性俯视图，其可以与上述实施例中的任一者相似地配置。光学器件1中的每一者可以被单独地控制以虑及其光学响应可以被相应地调谐的晶胞。在本示例中，光学器件1中的每一者包括一组电极元件，其被布置成限定光学状态变化材料中的六个不同部分，每一部分对应于谐振限定层结构的延伸平面中的相应几何结构。应当注意，由阵列的光学器件1形成的晶胞可以由电极元件的布置而不是谐振限定结构的延伸来限定。因此，阵列可以包括对该阵列的所有晶胞而言公共的单个谐振限定层，以及由电极层的图案限定的多个晶胞。

仅出于说明目的，每一晶胞可被视为具有谐振限定层，该谐振限定层带有符合四边形形状且电极元件布置在每个角部(或者，在与图4和图5中的配置类似的情况下，沿每侧延伸)。图6示出了可在光学状态变化时形成的所得几何结构131-136。在本解说性示例中，可以实现六种不同的几何结构131-136——四种沿着四边形的侧面延伸，两种沿着其对角线延伸。取决于阵列的操作，即提供给电极元件的电压，所生成的几何结构可在不同的晶胞之间并且随时间而变化。几何结构131-136例如可以成对组合以形成用于调制光的V形和L形。但是，其他形状和配置也是可能的。

图7是示出根据一实施例的用于调制光的方法的流程图，其中光入射到根据先前附图中的任一者的光学器件上。该方法包括向光学器件的至少两个电极元件中的一对施加10第一电压差以引起光学状态变化材料的一部分从第一状态到第二状态的光学状态变化，以及向该对电极元件施加20第二电压差以引起光学状态变化材料从第二状态到第一状态的光学状态变化。在一实施例中，第二电压差可以低于第一电压差，并且优选地以多个脉冲提供，以便使光学状态变化材料返回到第一状态。例如，第一状态可以是主晶态，而第二状态可以是主非晶态。此外，电极层可包括至少三个电极元件，从而允许所述方法包括向第二对电极元件施加30第一电压差的步骤，以引起光学状态变化材料的另一部分从第一状态到第二状态的光学状态变化，以及向该第二对电极元件上施加40第二电压差，以引起光学状态变化材料的该另一部分从第二状态到第一状态的光学状态变化。

在上文中，主要参考有限数量的示例描述了本发明构思。然而，如本领域技术人员容易理解的，在由所附权利要求书限定的本发明构思的范围内，除了上面公开的示例以外的其他示例同样是可能的。

Claims

1.一种用于调制入射光(L)的光学器件(1)，包括：

包括光学状态变化材料(112)的谐振限定层结构(110)；

包括至少两个间隔开的电极元件(121，122，123)的电极层(120)；

其中所述电极元件是能单独地寻址的，并且被布置成引起所述光学状态变化材料的一部分在第一状态和第二状态之间的光学状态变化；

其中所述部分形成由所述至少两个间隔开的电极元件的布置来限定的几何结构(131，132，133，134，135，136)，

其中所述光学状态变化材料被配置成在所述第一状态和所述第二状态之间的光学状态变化时更改所述光学器件的光学响应，所述光学响应确定所述入射光的调制。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述光学状态变化材料是相变材料，所述相变材料优选地由包含锗锑碲GST的化合物形成，并且其中光学状态变化是所述相变材料的相变。

3.根据权利要求1或2所述的光学器件，其特征在于，所述电极元件还被配置成重复地引起所述光学状态改变材料的所述部分在所述第一状态和所述第二状态之间的光学状态变化。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述谐振限定层结构还包括导电层和/或电绝缘层(114)。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述电极元件被配置成将电流(I₁、I₂、I₃)诱导到所述谐振限定层结构的至少一层中，以引起所述光学状态变化材料的所述部分的光学状态变化。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，包括至少三个电极元件，所述电极元件被布置成在所述光学状态变化材料中限定至少两个不同的几何结构。

7.根据权利要求6所述的光学器件，其特征在于，当在垂直于所述谐振限定层结构的表面的方向上查看时，所述至少两个不同的几何结构一起形成V形和/或L形。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述光学器件被配置成调制波长在100nm到2000nm范围内、优选地在300nm到750nm范围内的入射光。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学器件，其特征在于，所述器件被配置成调制偏振光。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述光学状态变化材料被布置在厚度小于待调制的入射光的最小波长的层中。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述光学状态变化材料的所述第一状态是主晶态，并且其中所述光学状态改变材料的所述第二状态是主非晶态。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件，其特征在于，所述谐振限定层结构和所述电极层被布置在堆叠结构中，并且其中当在垂直于所述谐振限定层结构的表面的方向上查看时，所述电极层被布置在所述谐振限定层结构的上方和/或下方。

13.一种调制入射到根据前述权利要求中的任一项所述的光学器件的光的方法，包括以下步骤：

向所述光学器件的至少两个电极元件的一对施加(10)第一电压差，以引起所述相位光学状态变化材料的所述部分的从第一状态到第二状态的光学状态改变，以及

向所述一对电极元件施加(20)第二电压差，以引起所述相位光学状态变化材料的从所述第二状态到所述第一状态的光学状态改变。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二电压差低于所述第一电压差，和/或与所述第一电压差相比，施加所述第二电压差达更长的时间段。

15.根据权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述电极层包括至少三个电极元件，所述方法还包括以下步骤：

将所述第一电压差施加(30)到第二对电极元件，以引起所述相位光学状态变化材料的另一部分的从所述第一状态到所述第二状态的光学状态改变，以及

将所述第二电压差施加(40)到所述第二对电极元件，以引起所述相位光学状态变化材料的所述另一部分的从所述第二状态到所述第一状态的光学状态改变。

16.一种光学器件阵列，其中所述阵列中的每一光学器件是根据前述权利要求1-12中的任一项所述的光学器件，并且其中每一光学器件形成一晶胞，其中所述阵列中的每一光学器件是能通过控制相应光学器件的电极元件来单独控制的。

17.根据权利要求16所述的阵列，其特征在于，每一光学器件包括一组电极元件。

18.根据权利要求17所述的阵列，其特征在于，第一光学器件的一组电极元件不同于第二光学器件的一组电极元件。

19.根据权利要求16-18中的任一项所述的阵列，其特征在于，所述阵列包括所述阵列中的所有晶胞共用的单个谐振限定层。