CN115485589B - 操控电磁辐射 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于操控电磁辐射的光电设备。传统系统的缺点如材料限制、系统复杂性和调谐速度通过包括基板(2)的光电设备(1)克服，所述基板(2)具有设置在基板(2)上的至少一个调谐结构(4)，其中，调谐结构(4)包括电光材料。所述调谐结构(4)包括第一电接触件和第二电接触件(7、8)。覆盖层(10)覆盖至少一个调谐结构(4)。所述覆盖层(10)上设置有光学结构(12)。电压源(15)电连接到第一电接触件和第二电接触件(7、8)并且设置用于在至少一个调谐结构(4)中产生电场。

Description

操控电磁辐射
技术领域
本公开涉及一种用于操控电磁辐射的光电设备以及一种包括光电设备的电子系统。
背景技术
工程师们一直在以多种方式实现光学元件的可调谐性。技术大致能够分为两大组：机械驱动和电力驱动。机械驱动组包括MEMS设备。这些方法试图在微观尺度上复制已知的宏观解决方案，例如，通过改变透镜的相对位置和/或相位板来调整透镜系统的焦距。这种方法的优点是已经证明了概念立即可用并且嵌入在光学元件中的复杂性较低，但这种设备的不利之处在于速度慢(在kHz范围内)并且致动器以及制造工艺相当复杂。
电驱动解决方案能够进一步分为两个子组，即电门控，其中，光学元件由自身控制；以及介质调制，其中，控制嵌入在光学元件中的介质。液晶是后一组的具体示例。如果透镜浸入液晶中，能够通过以预定的方式在介质上施加电势来调整透镜的焦距。降低工艺复杂性是策略的最强方面。然而，策略缺乏速度(液晶在Hz范围内响应)和运行灵活性，即一些液晶无法在高于60℃的温度下运行。
在电门控方法中，施加电场以局部地改变材料的光学特性(例如折射率)，并且通过适当的设计能够实施光学元件。电门控经常与超表面结合实施，其方式是使用电光材料设计超表面并通过以适当的方式设置在超表面上的电连接对电光材料进行电激励。这种方法的优点是集成度高、工艺复杂性降低、速度快且可靠性高。然而，这种现行方法的缺点是光学功能与调谐功能结合在单个元件中，创建超表面有更高的光学复杂性和材料限制。这种设计复杂性不仅增加了成本，而且即使不是完全防止了这种技术的实施，也会阻碍这种技术的实施。
本发明的目的是提供一种能够有效地运行的用于操控电磁辐射的光电设备。
该目的通过根据独立权利要求所述的光电设备得以实现。实施例源于从属权利要求。
发明内容
在实施例中，光电设备包括具有主延伸平面的基板。基板具有主表面和后表面。后表面背离主表面。基板对于目标的电磁辐射是透明的。在此以及在下文中，“透明”指的是至少80％或至少90％的透明度。在一个实施例中，基板包括半导体材料，例如硅(Si)、二氧化硅(SiO2)或砷化镓(GaAs)。在另一实施例中，基板包括玻璃。
至少一个调谐结构设置于基板的主表面上。这意味着调谐结构的后表面面向基板的主表面。调谐结构包括电光材料。在一些实施例中，调谐结构包括固态无机材料。例如，调谐结构包括铁电材料。有利地，不需要使用液晶、聚合物或类似材料。固态无机材料(例如铁电材料)能够随时被制造并被集成到CMOS技术中，并且比例如液晶更可靠。
调谐结构对于目标的电磁辐射是透明的。调谐结构是电绝缘的。例如，调谐结构包括钛酸钡(BaTiO3)、铌酸锂(LiNbO3)、锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1-x]O3)或钽酸锂(LiTaO3)。至少一个调谐结构沿平行于基板的主延伸平面延伸的侧向方向延伸。在垂直于基板的主延伸平面延伸的横向方向上，调谐结构具有厚度。例如，调谐结构的厚度至少为200nm，且至多为2μm。在另一实施例中，调谐结构的厚度为至少为300nm且至多为1μm。
所述至少一个调谐结构包括在调谐结构的第一侧的第一电接触件和在调谐结构的第二侧的第二电接触件。调谐结构的第一侧和第二侧是断开的。这意味着第一侧和第二侧彼此不直接物理接触。第一电接触件和第二电接触件包括与剩余调谐结构不同的材料。第一电接触件和第二电接触件包括导电材料。例如，第一电接触件和第二电接触件包括氧化铟锡(ITO)、掺杂的多晶硅或金属。调谐结构的第一侧和第二侧的区域分别形成接触区域，其中，电接触件的材料与剩余调谐结构的材料直接物理接触。
覆盖层覆盖至少一个调谐结构。这意味着调谐结构被基板和覆盖层嵌入。覆盖层覆盖调谐结构的上表面，所述上表面与调谐结构面向基板的后表面相对。覆盖层可以进一步覆盖调谐结构的侧表面，所述侧表面垂直或横向于基板的主延伸平面。然而，调谐结构的第一电接触件和第二电接触件仍然是可接近的。在实施例中，覆盖层包括不同于基板材料的材料。然而，在另一实施例中，覆盖层包括与基板相同的材料。例如，覆盖层包括SiO2。
光学结构设置在覆盖层上。在横向方向上，光学结构设置在至少一个调谐结构上方。这意味着，覆盖层设置在光学结构和至少一个调谐结构之间。光学结构由沿侧向方向延伸的层形成。在横向方向上，光学结构具有厚度。例如，光学结构的厚度至少为200nm且至多为2μm。在另一实施例中，光学结构的厚度为至少300nm且至多为1μm。
在一个实施例中，光学结构具有平坦表面，平坦表面平行于基板的主延伸平面延伸。然而，在另一实施例中，光学结构具有曲面。光学结构还可以具有形成图案的结构化表面。这意味着背离覆盖层的光学结构的一侧可以具有凹槽。在一个实施例中，凹槽在光学结构的整个厚度上延伸，使得覆盖层的部分被暴露。这意味着光学结构的部分可以彼此断开。例如，光学结构包括结晶硅(Si)、非晶硅(aSi)、二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN4)、砷化镓(GaAs)或砷化铝镓(AlGaAs)。
光电设备还包括电压源，电压源电连接至第一电接触件和第二电接触件。可以使用任何传统的电压源。在一个实施例中，电压源被集成在基板中。在另一实施例中，电压源是外部电压源。电压源可以直接连接到第一电接触件和第二电接触件。然而，也可以经由导电线进行连接。设置电压源用于在至少一个调谐结构内产生电场。这是通过在第一电接触件和第二电接触件之间建立电势差来实现的。由于调谐结构是电绝缘的，所以在调谐结构上建立电场。在所述至少一个调谐结构内的电场能够随时间变化。此外，在存在多于一个调谐结构的情况下，在调谐结构中的至少两个中，电场能够不同。这能够通过对调谐结构施加不同的电势差来实现。
在传统方法中，电门控可调谐性受到由电光材料的可用性强加的严格的光学设计限制。据信，缺点由于试图将光学功能(例如透镜)与调谐机制组合在单个元件中而产生。
本公开中给出的建议是有利地解耦这两个功能并且仍然保持高度集成。这是通过如上的基于层的系统实现的，其中，朝向光传播方向的第一层是调谐结构，所述调谐结构设计用于通过电驱动进行调谐。术语“光”可以指通常包括红外辐射、近红外辐射和可见光的电磁辐射。随后，具有光学功能的层——光学结构——位于调谐结构之上。光学结构是独立的元件，且无需调谐结构即可正常工作。
调谐结构完全专用于将光学和可调谐功能解耦的调谐。调谐结构的任务是局部延迟通过它的光；这种局部延迟能够针对特定的光学结构进行设计。这样，光学结构就不会像传统方法那样受到适用于可调谐性的材料的限制。相反，调谐结构被引入作为用于调谐的专用元件，能够使用与用于光学结构的材料不同的材料。
此外，引入可调谐性的设计复杂性显著降低，因为光学结构是给定的输入，并且不必像当前技术那样与调谐结构同时设计。相反，能够使用任何已经可用的光学结构设计，这降低了实施成本和时间。调谐结构修改了电磁辐射的输入波前，使得当这个修改的波前穿过光学结构时，结果导致了与光学结构的原始目标的控制偏差。
在光电设备的另一实施例中，调谐结构的至少一个光学特性通过施加相应的电场而改变。电场由电压源产生并通过电接触件施加到调谐结构的电势差建立。待改变的光学特性例如是用于调谐结构的材料的折射率或光学吸收。特别地，通过Pockels效应来改变光学特性。通过Pockels效应，用于调谐结构的材料的折射率随施加的电场成线性比例变化。在一个实施例中并且在调谐结构包括具有电偶极子动量的铁电材料的情况下，施加电场导致铁电材料的主动偏振方向的改变。反之，这也导致材料的介电常数的变化，介电常数与通过材料传播的电磁辐射的相速度相耦合。
通过仅施加电势来改变用于调谐结构的材料的光学特性意味着能够控制穿过调谐结构的电磁辐射。有利地，能够创建如可调透镜或棱镜之类的光学活性设备。
在光电设备的另一实施例中，光学结构包括结构元件，结构元件中的每个都小于待操控的电磁辐射的波长。结构元件形成光学结构的结构化表面。例如，结构元件在光学结构的表面上形成图案。结构元件的尺寸可以小于在每个方向上待操控的电磁辐射的波长。特别是在侧向方向上，结构元件的尺寸小于波长。这意味着，如果待操控的电磁辐射在红外范围内，则光学结构的结构元件可能小于50μm。在待操控的电磁辐射在近红外范围内的情况下，光学结构的结构元件可能小于780nm。如果待操控的电磁辐射在可见光谱中，则光学结构的结构元件甚至可以更小。
在俯视图中，结构元件的形状是任意的且取决于应用。俯视图是指从沿横向方向的光学结构的背向基板的一侧的光电设备的视图。在俯视图中，结构元件的形状被设计成电磁辐射以期望的方式与光学结构相互作用。电磁辐射的相互作用能够通过衍射、折射、相位延迟或类似方式发生。
有利地，包括小于电磁辐射波长的结构元件的光学结构允许在振幅、相位、色散、动量和偏振方面完全控制光特性。结构元件的精确形状、几何形状、尺寸、取向和排列使它们能够以各种方式操控电磁波：通过阻挡、吸收、增强或弯曲波。利用这种光学结构，能够制造多种光学元件，例如亚波长光栅、偏振器、二元透镜等。
在光电设备的另一实施例中，光学结构包括超材料。超材料是被设计为具有在自然形成的材料中不存在的特性的材料。这能够通过其中电磁波的传播特性主要由这些具有特征尺寸远小于工作波长的材料的结构限定的材料来实现。这意味着超材料的特性不是来自其成员的特性，而是来自其设计的结构和形状。在另一实施例中，光学结构包括超表面。超表面是超材料的二维等效物，并且在非常薄的层中包括离散的亚波长结构。
有利地，超材料和超表面能够以在散装材料中以观察不到的方式影响电磁辐射波。例如，超材料能够具有复折射率的负实部。包含超材料或超表面的光学结构允许完全控制在光电设备内的电磁辐射的传播。
在光电设备的另一实施例中，光学结构形成包括透镜、衍射光栅、波带板、相位板、全息板和扩散器的组中的一个成员。在由光学结构形成透镜的情况下，透镜能够是任何传统透镜(例如折射透镜、菲涅耳透镜或微透镜)。这意味着形成透镜的光学结构能够具有弯曲表面。然而，在另一实施例中，透镜是二元透镜。这意味着光学结构具有形成图案的结构化表面。这意味着光学结构的背离覆盖层的一侧可以具有凹槽。在另外的实施例中，光学结构形成衍射光栅、波带片或全息片。这意味着光学结构由具有结构化表面的层形成。光学结构的背离覆盖层的一侧可以具有凹槽。这些凹槽可以形成规则或不规则的图案。如果光学结构形成相位板或扩散器，则光学结构的表面可以平行于基板的主延伸平面。
有利地，光学结构能够形成任何期望的光学元件。以这种方式，光电设备能够用于多种应用，例如用于光束整形、光束控制或全息应用。
在光电设备的另一实施例中，光学结构包括目标规范，目标规范是包括焦距、偏转角、相位延迟、光偏振和图案投影的组的成员。通过控制至少一个调谐结构内的电场来改变光学结构的目标规范。光学结构是独立的光学元件。这意味着光学结构包括独立于调谐结构或施加到调谐结构的电场的目标规范。例如，设置光学结构以聚焦、偏转或扩散入射的电磁辐射。在另外的实施例中，设置光学结构以延迟或极化入射的电磁辐射。仍在另外的实施例中，设置光学结构以使用入射的电磁辐射将光图案投射到待分析的物体上，即产生结构光。然而，通过向调谐结构施加电场，改变了光学结构的目标规范。这是因为调谐结构修改了电磁辐射的输入波前，使得当这个修改的波前穿过光学结构时，其结果导致了与光学结构的原始目标规范的控制偏差。例如，调谐结构局部延迟穿过它的光；这种局部延迟能够被设计用于特定的光学结构。施加和/或改变电场也能够影响光学结构的多于一个目标规范。
有利地，能够动态地改变光学结构的目标规范。例如，这在待检测的物体在运行期间保持移动的相机应用中很有用。因此，可以改变焦点。它对于发射的光在扫描应用中被引导到不同的方向的发光系统也很有用。此外，由于光学结构的目标规范的可调谐性，能够校准光电设备并且能够补偿制造波动。
在光电设备的另一实施例中，调谐结构在俯视图中包括圆周部分。这意味着调谐结构的圆周部分能够形成为环或框架或作为环或框架的一部分。在俯视图中，圆周部分围绕没有调谐结构的内部区域。圆周部分能够是连续的或不连续的。在圆周部分是不连续的情况下，在圆周部分内能够有间隙。这意味着圆周部分能够形成开口环。有利地，调谐结构的圆周部分的形状允许局部操控穿过它的电磁辐射。
在光电设备的另一实施例中，至少一个另外的调谐结构在俯视图中包括至少一个另外的圆周部分，其中，至少一个另外的圆周部分在侧向方向上围绕圆周部分。这意味着至少一个另外的圆周部分具有比圆周部分更大的直径。除其尺寸外，另外的的调谐结构能够具有与调谐结构相同的设置或特性。在实施例中，光电设备包括多个调谐结构。多个调谐结构中的每一个包括至少一个另外的圆周部分。然而，多个调谐结构中的每一个也能够包括多于一个的另外的圆周部分。不同调谐结构的随后的另外的圆周部分的直径能够增加。这意味着随后的另外的圆周部分能够在侧向方向上围绕前面的另外的圆周部分。然而，另外的圆周部分也可以彼此相邻地设置，使得它们围绕相应的的没有另一个另外的圆周部分的内部区域。至少一个另外的圆周部分能够是连续的或不连续的。在至少一个另外的圆周部分是不连续的情况下，在另外的圆周部分中能够存在间隙。这意味着另外的圆周部分能够形成开口环。另外的圆周部分的数量和它们相对于彼此的精确设置取决于所需的调谐范围。
有利地，调谐结构或调谐结构的部分能够设置为环或框架，使得空间局部化的调谐结构能够单独调谐。这允许在不同的应用场景中使用光电设备，例如光电设备作为可调透镜。
在另一实施例中，光电设备包括形成调谐结构的阵列的多个调谐结构。调谐结构的阵列能够形成规则的或不规则的网格。在俯视图中，作为调谐结构的阵列的元素的每个调谐结构能够具有矩形形状。然而，相应的调谐结构也可以是多角或圆形形状。调谐结构的数量及他们相对于彼此的精确设置取决于所需的调谐范围。
有利地，能够将调谐结构设置为阵列或矩阵，使得空间局部化的调谐结构能够单独调谐。这允许在不同的应用场景中(例如在光束控制应用和全息应用中)使用光电设备。
在光电设备的另一实施例中，第一电接触件和第二电接触件设置在调谐结构的相应侧表面上。调谐结构的侧表面相对于基板的主延伸平面垂直或横向延伸。电接触件的材料与剩余调谐结构的材料直接物理接触的侧表面的区域形成接触区域。这意味着接触区域设置在调谐结构的相应侧表面上。在第一电接触件和第二电接触件之间的电势差导致在调谐结构内的电场，电场方向取决于接触区域的准确位置和电势差的符号。
通过这种设置，可以有利地将在调谐结构内的电场取向为与基板的主延伸平面平行。电场的强度和取向向影响调谐结构的光学特性。
在光电设备的另一实施例中，第一电接触件和第二电接触件分别设置在调谐结构的上表面和后表面上。上表面和后表面平行于基板的主延伸平面延伸。上表面和后表面设置在调谐结构的相对侧。
通过这种设置，可以有利地将调谐结构内的电场取向在相对于基板的主延伸平面的横向方向上。电场的强度和取向影响调谐结构的光学特性。
在另一实施例中，光电设备包括多个调谐结构。在运行期间，由电压源产生的电场在至少两个调谐结构中是不同的。这意味着不同的电场能够同时分别施加到不同的调谐结构，或者不同的调谐结构不一定表现出相同的电场。电场的强度和/或方向能够不同。有利地，由于将不同的电场施加到不同的调谐结构，光电设备的光学特性能够局部地变化。反过来，电磁辐射的传播不仅能够在时间上进行控制，而且也能够在空间上进行控制。
在光电设备的另一实施例中，在至少一个调谐结构中的运行期间，由电压源产生的电场运行在时间上是可变的。这意味着在调谐结构内的电场能够在运行期间动态地改变。改变电场能够在非常小的时间尺度内发生。例如，改变在调谐结构内的电场能够在几皮秒(ps)甚至更快的时间内完成。如上，通过改变电场也改变了光电设备的光学特性。有利地，能够动态地改变光电设备的光学目标规范。例如，这在待检测的对象在运行期间保持移动的相机的应用中很有用。此外，在非常短的时间机制内改变电场允许通过设备的电磁辐射的超快调制。
在光电设备的另一实施例中，待操控的电磁辐射在红外波长范围内。在另一实施例中，待操控的电磁辐射在近红外波长范围内。在又一个实施例中，待操控的电磁辐射在可见波长范围内。在又一个实施例中，待操控的电磁辐射处于与上述波长范围中的至少两个重叠的范围内。用于基板、调谐结构、覆盖层和光学结构的材料对于相应波长范围的电磁辐射是透明的。例如，如果待操控的电磁辐射在红外波长范围内，则光电设备的部件可以包括对红外辐射透明的材料。在待操控的电磁辐射在可见波长范围内的情况下，光电设备的部件可以包括对可见光透明的材料。调谐结构的电接触件还可以包括对相应的电磁辐射透明的材料。然而，由于电接触件的俯视区域可能相对较小，所以电接触件也可能对电磁辐射不透明。例如，如果电接触件包括金属，就是这种情况。有利地，能够将光电设备设计成适于各种波长范围。这允许它在不同的应用中使用。
在另一实施例中，光电设备由电子系统包括。电子系统特别是设置用于发射和/或感测电磁辐射的光电系统。在实施例中，电子系统包括照明器或光源。例如，光源能够是光电二极管或垂直腔面发射激光器(VCSEL)，或者分别是光电二极管或VCSEL的阵列。通过电子系统所包括的光电设备，能够操控由光源发射的电磁辐射。例如，电磁辐射能够被放大、延迟、引导、极化等。在另一实施例中，电子系统包括用于电磁辐射的传感器或检测器。检测器能够是光电二极管、光电倍增管(PMT)或热电堆，或者分别是光电二极管、光电倍增管(PMT)或热电堆的阵列。通过光电设备，到达电子系统的电磁辐射能够被操控。例如，电磁辐射能够被放大、延迟、引导、极化等。
由于这些特性，这种电子系统能够用于波束形成和波束控制应用。在一个实施例中，电子系统是相机系统。例如，电子系统是使用结构光来获取待检测物体的深度信息的3D相机。特别地，光电系统是光检测和测距系统(激光雷达)。在另一实施例中，电子设备是全息图发生器。在又一个实施例中，电子设备是智能设备，例如光电设备用作集成光学设备的移动电话。由于能够通过用于微机电系统(MEMS)的技术来制造光电设备，所以电子系统可以具有小尺寸。
以下对附图的描述可以进一步说明和解释示例性实施例。功能相同或具有相同效果的部件用相同的附图标记表示。相同或实际上相同的部件可能仅针对它们首先出现的附图进行描述。它们的描述不必在连续的图中重复。
附图说明
图1示出了光电设备的实施例的横截面。
图2a至2d示出了光电设备的实施例的俯视图。
图3示出了光电设备的实施例的另一个俯视图。
图4示出了光电设备的实施例的另一个俯视图。
图5示出了光电设备的实施例的另一个横截面。
图6示出了光电设备的实施例的另一个横截面。
图7示出了光电设备的实施例的另一个横截面。
图8示出了根据光电设备的实施例的仿真结果。
具体实施方式
在图1中示出了光电设备1的实施例的横截面。根据图1所示的实施例包括具有主表面3的基板2。基板2具有主延伸平面。侧向方向x、y平行于基板2的主延伸平面延伸。至少一个调谐结构4设置在基板2的主表面3上。在图1所示的示例中，存在设置在基板2的主表面上的四个调谐结构4。在侧向方向x、y上，调谐结构4彼此具有距离。这意味着调谐结构4彼此间隔开。调谐结构4各自具有上表面5和后表面6，所述上表面5和后表面6平行于基板2的主延伸平面。上表面5和后表面6设置在每个调谐结构4的相对侧。每个调谐结构4的后表面6面向基板2。上表面5背对基板2。
每个调谐结构4包括第一电接触件7和第二电接触件8。与剩余的调谐结构4相比，电接触件7、8包括不同的材料。在图1所示的实施例中，第一电接触件7设置在调谐结构4的上表面5上。第二电接触件8设置在调谐结构4的后表面6上。电接触件7、8分别覆盖调谐结构4的整个上表面5或整个后表面6。然而，在其他实施例中，电接触件7、8仅覆盖调谐结构4的相应的表面5、6的部分。在图1所示的实施例中，调谐结构4的侧表面9没有电接触件7、8。这意味着第一电接触件7和第二电接触件8没有物理地或电连接到彼此。
根据图1所示的光电设备1还包括覆盖层10。覆盖层10能够包括与基板2相同的材料。然而，覆盖层10也能够包括不同的材料。覆盖层10在其所有侧上(除了面向基板2的后表面6)覆盖至少一个调谐结构4。然而，电接触件7、8仍然是可接近的。在没有至少一个调谐结构4的区域上，覆盖层10与基板2直接接触。覆盖层10具有上表面11。上表面11可以平行于基板2的主延伸平面延伸。
在覆盖层10的上表面11上设置有光学结构12。在垂直于基板2的主延伸平面的横向方向z上，光学结构12位于调谐结构4上方。覆盖层10设置在调谐结构4和光学结构12之间。在图1所示的实施例中，光学结构12包括多个结构元件13。这意味着光学结构12具有形成图案的结构化表面21。图案由一侧的凹槽14和另一侧的结构元件13形成。在横向方向z上，光学结构12具有厚度。如图1所示，凹槽14在光学结构12的整个厚度上延伸，使得覆盖层10的上表面11的部分暴露。这意味着光学结构12的结构元件13彼此断开。然而，图6至8示出了光学结构的不同概念，这一点将在下文中讨论。
如图1所示，光电设备1还包括电压源15。如图所示，电压源15能够是外部电压源15。然而，电压源15也能够被集成在基板2中。电压源15电连接到至少一个调谐结构4的第一电接触件7和第二电接触件8。为了便于表述，在图1中仅调谐结构4中的一个连接到电压源15。然而，每个调谐结构4可以连接到相同的电压源15或另外的电压源15。设置电压源15从而在第一电接触件7和第二电接触件8之间产生电势差。这反过来在至少一个调谐元件4内产生电场。从电压源15到第一电接触件和第二电接触件7、8的电连接通过导电线16实现。导电线16能够包括与电接触件相同或不同的材料。如图1所示，导电线16能够被集成在基板2和覆盖层10中。电接触件7、8可以通过导电线接近。
在运行期间，电磁辐射到达基板2的后表面17(如三个箭头所示)。随后，电磁辐射穿过基板2、调谐结构4和覆盖层10并到达光学结构12。光学结构12以预定的方式操控电磁辐射。光学结构12具有操控电磁辐射的目标规范(例如通过焦距、偏转角等)。通过向调谐结构4施加电场，例如通过相位延迟来修改电磁辐射的输入波前，使得当修改的波前穿过光学结构12时，结果导致了与光学结构12的原始目标规范的控制偏差。
图2a至2d以俯视图示出了光学结构12的结构元件13的不同实施例。俯视图是指来自背对基板2的覆盖层10的一侧的光电设备1的视图。图2a至2d仅详细示出了设置在覆盖层10的上表面11上的一个相应的结构元件13。长度、宽度以及到其他结构元件的距离能够特别地小于待操控的电磁辐射的波长。
图2a示出了具有矩形形状的结构元件13，其中，长度大于宽度，长度指的是结构元件在y方向上的尺寸，而宽度指的是结构元件在x方向上的尺寸。然而，结构元件13的比例也能够相等或能够互换。此外，这种结构元件13能够在侧向方向x、y上转动。结构元件13在侧向方向x、y上的取向相对于相邻结构元件13的取向能够相同或不同。
图2b示出了在覆盖层10的顶部的具有加号形状的结构元件13。如在前述的实施例中，这种结构元件13能够在侧向方向x、y上转动。结构元件13在侧向方向x、y上的取向相对于相邻结构元件13的取向能够相同或不同。
图2c示出了在覆盖层10的顶部的具有L形的结构元件13。如在前述的实施例中，这种结构元件13能够在侧向方向x、y上转动。结构元件13在侧向方向x、y上的取向相对于相邻结构元件13的取向能够相同或不同。
图2d示出了在覆盖层10的顶部的结构元件13，结构元件13在俯视图中具有弯曲形状。在实施例中，结构元件13形成椭圆形。然而，也可能形成任何其他弯曲形状(例如圆形)。
应当注意，结构元件13的所有所示实施例也能够彼此组合，使得结构元件13中的至少两个包括不同的形状。
在图3中示出了光电设备1的另一实施例的俯视图。在这种情况下，光电设备1包括基板2和覆盖层10，所述基板2和覆盖层10在俯视图中具有圆形形状。光电设备1的调谐结构4包括圆周部分18。在这种情况下，圆周部分18在基板2上形成圆环。由圆周部分18形成的圆环具有直径并围绕不具有调谐结构4的区域。另一个调谐结构4’包括另一个圆周部分19。另一个圆周部分19具有比圆周部分18更大的直径并且在侧向方向x、y上围绕圆周部分18。在一侧，另一个圆周部分包括间隙。这意味着另一个圆周部分19形成开口环。
调谐结构4和另一个调谐结构4’还包括第一电接触件7。如上，第一电接触件7设置在相应的调谐结构4、4’的上表面5上，这意味着设置在朝向图3的观察者的调谐结构4、4’的一侧上。调谐结构4和另一个调谐结构4’还包括第二电接触件8，所述第二电接触件8设置在相应的调谐结构4、4’的后表面6上，这意味着在背离图3的观察者的调谐结构4、4’的一侧上。在图3中，第二电接触件8由虚线绘制，以表明它能够在横向方向z上正好设置在第一电接触件7的下方，使得从观察者的角度看是不可见的。
包括圆周部分18的调谐结构4的第一电接触件和第二电接触件7、8以这样的方式设置，即所述第一电接触件和第二电接触件7、8从圆周部分18在侧向方向y上通过在另一个圆周部分19中的间隙到达光电设备1的外围区域。光电设备1的外围区域是指在调谐结构上方不存在光学结构并因此不具有光学活性的区域。包括另一个圆周部分19的另一个调谐结构4’的第一电接触件和第二电接触件7、8在任意侧向方向x、y上从另一个圆周部分19到达外围区域。由于这种设置，每个调谐结构4、4’的第一电接触件和第二电接触件7、8是可接近的并且能够在光电设备1的外围区域处连接到电压源15(未示出)。
在图3中所示的实施例包括光学结构12，所述光学结构12包括在俯视图中具有圆形形状的结构元件13。在俯视图中，由光学结构12覆盖的总面积大致对应于在侧向方向x、y上由圆周部分18和另一个圆周部分19包围的区域。该区域能够称为光学活性区域。
在图3所示的实施例中，能够设置光学结构12以形成可调谐超透镜，即包括超材料(meta-material)的透镜。超透镜具有对应于光学活性区域的直径。调谐结构4和另一个调谐结构4’在已由超透镜实施的相函数中引入校正。每个调谐结构4、4’的电接触件7、8分开设置，使得相应的调谐结构4、4’能够独立地被电场控制。这样，能够根据需要沿透镜直径实现不同的相位延迟。
在图4中所示的光电设备的实施例包括基板2和在俯视图中呈矩形的覆盖层10。该实施例与图3的实施例的进一步不同之处在于包括设置为阵列的多个调谐结构4。在这种情况下，阵列包括六个调谐结构4。在图4中，仅示出每个调谐结构4的第一电接触件7。然而，第二电接触件8(未示出)能够直接设置在第一电接触件7下方，使得从观察者的角度看是不可见的。电接触件7、8在侧向方向x、y上从相应的调谐结构4向光电设备1的不同外围区域延伸。这样，电接触件7、8能够单独连接到一个或更多个电压源15(未示出)。这反过来允许独立地控制在每个调谐结构4中的电场。
光学结构12在横向方向z上设置在调谐结构4的阵列上方。在侧向方向x、y上由包括结构元件13的光学结构12覆盖的区域能够大约与调谐结构4的阵列所覆盖的区域一样大。然而，如图4所示，由调谐结构4的阵列覆盖的总区域能够略大于由光学结构12覆盖的区域。两个区域的重叠区域能够被称为光学活性区域。
在图5中所示的光电子设备1的实施例与在图1中所示的实施例的不同之处在于图5示出不同的光学结构12。图5的光学结构12还包括背离覆盖层10的结构化表面21。然而，由于凹槽14没有在光学结构12的整个厚度上延伸，结构元件13彼此物理地连接。因此，覆盖层10的上表面11的部分没有暴露在存在有光学结构12的区域中。这意味着覆盖层10被光学结构12完全覆盖。结构化表面21形成能够是规则或不规则的图案。结构元件13能够包括根据图2a-d所示的形状。在另一实施例中，结构元件13在光学活性区域上形成同心环。在这种情况下，光学结构12形成波带片或二元透镜。
图5与图1的进一步不同之处在于图5示出用于电接触至少一个调谐结构4的不同概念。在这种情况下，每个调谐结构4具有分别设置在侧表面9上的第一电接触件7和第二电接触件8，或者在调谐结构4的另一个侧表面9’上。侧表面9和另一个侧表面9’相对于基板2的主延伸平面垂直或横向延伸。设置有第一电接触件7的侧表面9与设置有第二电接触件的另一个侧表面9’分开。这样，第一电接触件和第二电接触件7、8彼此电绝缘。如图5所示，第一电接触件和第二电接触件7、8能够覆盖调谐结构4的整个相应的侧表面9、9’。
在图6中所示的光电设备1的实施例与图5所示的实施例的不同之处在于其示出光学结构12的另一种变体。在这种情况下，光学结构12形成具有平坦表面21的层。这意味着背离覆盖层10的光学结构12的表面21平行于基板2的主延伸平面延伸。如果光学结构12形成相位或扩散器，则能够使用光学结构12的实施例。
在图7中所示的光电设备1的实施例与在图6中所示的实施例的不同之处在于其示出光学结构12的另一种变体。在这种情况下，光学结构12具有弯曲表面21。这意味着背离覆盖层10的光学结构12的表面21相对于基板2的主延伸平面呈现曲率。如果光学结构12形成折射透镜，则能够使用光学结构12的实施例。
图8示出通过仿真获得的函数图表。在这里，电磁辐射的强度I相对于光学结构12与在光学结构12上方的横向方向z上位置之间的距离d来绘制。强度I以W/m2为单位。距离d以μm为单位。
在这种情况下，光学结构12形成例如结合图3所讨论的透镜。仿真结果能够用于找到形成透镜的光学结构12的焦距。然而，应当注意的是，光学结构12的任何其他目标规范能够以类似的方式进行分析。
强度特性以三种不同场景示出：第一种场景(曲线22)示出当在调谐结构4上没有施加电场时电磁辐射的强度I。第二种和第三种场景(曲线23和24)示出当在调谐结构4上施加相应的电场时电磁辐射的强度I。曲线22在大约35μm处示出清晰的最大值。这意味着光学结构12的焦距能够用这个距离来识别。仿真结果也示出，即使没有调谐，即在不是通过施加电场的调谐模式的运行模式下，光电设备1通过光学结构12表现出目标规范。然而，通过施加特定强度和方向的电场，强度最大值向大约45μm的距离d偏移(曲线23)。此外，通过施加如曲线24所示的不同电场，强度最大值能够向相反方向偏移，即偏移到大约25μm的距离d处。这意味着能够通过施加相应的电场在任一方向上动态地改变光电设备1的光学特性。
为了使读者熟悉思想的新颖方面，已经讨论了本文公开的光电设备1的实施例。尽管已经示出和描述了优选实施例，但是本领域技术人员可以对所公开的概念进行许多改变、修改、等同和替换，而不会不必要地背离权利要求的范围。
应当理解，本公开不限于所公开的实施例以及上文已经具体示出和描述的内容。相反，在单独的从属权利要求中或描述中所叙述的特征可以有利地结合起来。此外，本公开的范围包括那些对本领域技术人员显而易见并且落入所附权利要求的范围内的变化和修改。
在权利要求或说明书中使用的术语“包括”不排除相应特征或过程的其他元件或步骤。在结合特征使用术语“一”或“一个”的情况下，其不排除多个这样的特征。此外，权利要求中的任何附图标记不应被解释为对范围的限制。
本专利申请要求欧洲专利申请20172735.1的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
附图标记列表
1 光电设备
2 基板
3 基板的主表面
4 调谐结构
4’ 另一个调谐结构
5 调谐结构的上表面
6 调谐结构的后表面
7 第一电接触件
8 第二电接触件
9 调谐结构的侧表面
9’ 调谐结构的另一个侧表面
10 覆盖层
11 覆盖层的上表面
12 光学结构
13 光学结构的结构元件
14 光学结构的凹槽
15 电压源
16 导电线
17 基板的后表面
18 调谐结构的圆周部分
19 另一个的圆周部分
20 另一个圆周部分中的间隙
21 光学结构的表面
22 函数图的第一条曲线
23 函数图的第二条曲线
24 函数图的第三条曲线
x,y 侧向方向
z 横向方向
d 到光学结构的距离

Claims (15)

1.一种用于操控电磁辐射的光电设备(1)，所述光电设备(1)包括：
-基板(2)，其具有主延伸平面，
-至少一个调谐结构(4)，其设置在所述基板(2)的主表面(3)上，所述调谐结构(4)包括电光材料，其中，所述至少一个调谐结构(4)包括位于调谐结构(4)的第一侧的第一电接触件(7)和位于调谐结构(4)的第二侧的第二电接触件(8)，
-覆盖层(10)，其覆盖所述至少一个调谐结构(4)，
-光学结构(12)，其设置在所述覆盖层(10)上，使得所述覆盖层(10)设置在光学结构(12)和所述至少一个调谐结构(4)之间，
-电压源(15)，其电连接到第一电接触件(7)和第二电接触件(8)，所述电压源(15)设置用于在所述至少一个调谐结构(4)内产生电场，其中
-所述光学结构(12)包括目标规范，所述目标规范是包括焦距、偏转角、光偏振和图案投影的组的成员，并且其中
-所述光学结构(12)的目标规范通过控制所述至少一个调谐结构(4)内的电场来改变。
2.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述调谐结构(4)的至少一个光学特性通过施加相应的电场而改变。
3.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述光学结构(12)包括结构元件(13)，所述结构元件中的每个都小于待操控的电磁辐射的波长。
4.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述光学结构(12)包括超材料。
5.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述光学结构(12)形成包括透镜、衍射光栅、波带片、相位片、全息片和扩散器的组中的一个成员。
6.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，在俯视图中，所述调谐结构(4)包括圆周部分(18)。
7.根据前一权利要求所述的光电设备(1)，其中在俯视图中，至少一个另外的调谐结构(4’)包括至少一个另外的圆周部分(19)，所述至少一个另外的圆周部分(19)在侧向方向(x，y)上围绕圆周部分(18)，所述侧向方向(x，y)平行于基板(2)的主延伸平面延伸。
8.根据权利要求1所述的光电设备(1)，还包括形成调谐结构(4)的阵列的多个调谐结构(4)。
9.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述第一电接触件(7)和所述第二电接触件(8)设置在调谐结构(4)的相应的侧表面(9、9’)上，所述侧表面(9、9’)相对于基板(2)的主延伸平面垂直或横向延伸。
10.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述第一电接触件(7)和所述第二电接触件(8)分别设置在调谐结构(4)的上表面(5)和后表面(6)上，所述上表面(5)和后表面(6)平行于基板(2)的主延伸平面，并且所述上表面(5)和后表面(6)设置在调谐结构(4)的相对侧。
11.根据权利要求1所述的光电设备(1)，还包括多个调谐结构(4’)，其中，在运行期间，由所述电压源(15)产生的电场在所述调谐结构(4’)中的至少两个中是不同的。
12.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，在运行期间，在所述至少一个调谐结构(4)中，由所述电压源(15)产生的电场随时间变化。
13.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，待操控的电磁辐射在红外、近红外或可见波长范围内，或在与这些波长范围中的至少两个重叠的范围内。
14.根据权利要求1所述的光电设备(1)，其中，所述调谐结构(4)包括固态无机材料。
15.一种包括根据权利要求1所述的光电设备(1)的电子系统，其中，所述电子系统是设置用于发射和/或感测电磁辐射的光电系统。
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