CN116859643A - 空间光调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种空间光调制器及其制备方法，该空间光调制器包括：调制单元层，调制单元层包括阵列式排布的多个像素调制单元；电极组层，设置在调制单元层的第一表面上，电极组层包括多个间隔设置的电极组，每个电极组包括第一电极和第二电极，电极组的第一电极和第二电极设置在一个相应的像素调制单元两侧，电极组适用于向位于第一电极和第二电极之间的像素调制单元施加电信号；其中，来自外部的空间光信号自电极组层入射，并透过调制单元层，在电极组层施加的电信号的作用下，像素调制单元的光学性质发生变化，以使透过像素调制单元的空间光信号的光学参量发生变化，实现对空间光信号的调控。

Description

空间光调制器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种空间光调制器及其制备方法。

背景技术

光学器件是光学信息处理技术的重要组成部分，利用光波承载信息，采用并行方式处理信息，具有信息容量大、信息处理速度快的优点。光学器件在飞速发展的信息时代具有重要的应用价值，在光通信、生物传感器、光学计算机和数字全息成像等领域具有重要作用。

现在使用较广的空间光调制器的结构比较复杂，包含有机材料，稳定性较低。由于材料和结构的性能限制，空间光调制器存在调制速度低的缺点。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调制速度低的缺点，调制速度通常在百赫兹量级。

由于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。首先，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％。然后，液晶面板贴合封装的步骤包括制备导向层等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

为了解决上述技术问题，降低空间光调制器的加工难度，提高空间光调制器的成品率，本发明公开一种空间光调制器及其制备方法，具体方案如下。

作为本发明的第一个方面，提供了一种空间光调制器，包括：

调制单元层，所述调制单元层包括阵列式排布的多个像素调制单元；

电极组层，设置在所述调制单元层的第一表面上，所述电极组层包括多个间隔设置的电极组，每个电极组包括第一电极和第二电极，所述电极组的第一电极和第二电极设置在一个相应的像素调制单元两侧，所述电极组适用于向位于所述第一电极和所述第二电极之间的像素调制单元施加电信号；

其中，来自外部的空间光信号自所述电极组层入射，并透过所述调制单元层，在所述电极组层施加的电信号的作用下，所述像素调制单元的光学性质发生变化，以使透过所述像素调制单元的空间光信号的光学参量发生变化，实现对所述空间光信号的调控。

根据本发明的实施例，所有电极组的第一电极连通，所有电极组的第一电极连接于第一电极焊盘上；

每个所述第二电极一一对应的连接在一个第二电极焊盘上。

根据本发明的实施例，空间光调制器还包括：

绝缘层，设置在所述调制单元层的第二表面上，适用于避免所述电极组层发生短路。

根据本发明的实施例，所述空间光调制器对光波的透射率大于50％。

根据本发明的实施例，所述调制单元层的材质包括以下之一：热光材料、电光材料、声光材料和磁光材料；

优选的，所述电光材料的材质包括以下之一：铌酸锂、钽酸锂和钛酸钡；

优选的，所述电光材料的电光系数大于8p·m/V。

根据本发明的实施例，所述绝缘层材质包括以下之一：氧化硅和氧化铝。

根据本发明的实施例，所述电极组层的材质包括以下之一或组合：金属、合金和透明导电氧化物。

作为本发明的第二个方面，还提供了一种空间光调制器的制备方法，其特征在于，包括：

制备调制层；

将所述调制层进行图形化得到调制单元层；

在所述调制单元层上制备电极层；

将所述电极层进行图形化，得到包括多个间隔设置的电极组的电极组层，每个电极组的第一电极和第二电极分别设置在一个像素调制单元两侧。

根据本发明的实施例，将所述调制单元层进行图形化之前，所述制备方法还包括：

将所述绝缘层和所述调制层的第二表面进行键合。

根据本发明的实施例，制备所述绝缘层、制备所述调制层和制备所述电极层包括物理法或化学法；

优选的，所述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、热蒸发法和分子束外延法；

优选的，所述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。

根据本发明的实施例，在单元层一侧表面的上设置有多个间隔设置的电极组，由于每个电极组的第一电极和第二电极设置在一个相应的像素调制单元两侧，实现了像素调制单元的单独调控。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的剖视图；

图2示意性示出了本发明实施例的电极组层的俯视图；

图3示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器的剖视图；

图4示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的制备方法的流程图。

附图标记说明

110调制单元层

120电极组层

121电极组

121-1第一电极

121-2第二电极

130绝缘层

140第一电极焊盘

150第二电极焊盘

160衬底层

170引出电极

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明的目的在于提供一种空间光调制器及其制备方法，利用所述空间光调制器可以解决固定稳定性弱、使用温度低、使用寿命短和调制速度低的问题，利用所述空间光调制器的所述制备方法可以解决加工步骤多、加工难度高、成品率低和生产成本高的问题。

图1示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的剖视图。

如图1所示，一种空间光调制器，包括：调制单元层110和电极组层120。

图2示意性示出了本发明实施例的电极组层的俯视图。

结合图1-2，调制单元层110包括阵列式排布的多个像素调制单元。电极组层120设置在调制单元层110的第一表面上，电极组层120包括多个间隔设置的电极组121，每个电极组121包括第一电极121-1和第二电极121-2，电极组121的第一电极121-1和第二电极121-2设置在一个相应的像素调制单元两侧，电极组121适用于向位于第一电极121-1和第二电极121-2之间的像素调制单元施加电信号。

其中，来自外部的空间光信号自电极组层120入射，并透过调制单元层110，在电极组层120施加的电信号的作用下，像素调制单元的光学性质发生变化，以使透过像素调制单元的空间光信号的光学参量发生变化，实现对空间光信号的调控。

根据本发明的一些实施例，上述空间光调制器还包括绝缘层130。绝缘层130设置在调制单元层110的第二表面上，适用于避免电极组层120发生短路。透过所述像素调制单元的空间光信号还会继续透过绝缘层130。具体的，外部的空间光信号依次穿过电极组层120、调制单元层110和绝缘层130，在绝缘层130发生透射后，完成对空间光信号的调制。

继续参考图2，所有电极组121的第一电极121-1连通，所有电极组121的第一电极121-1连接于第一电极焊盘140上。每个第二电极121-2一一对应的连接在一个第二电极焊盘150上。

根据本发明的一些实施例，一个电极组121对应一个像素调制单元。对每个电极组121的第二电极121-2的施加电压是通过对第二电极121-2对应的第二电极焊盘150施加电压实现的，该电压使得相应的像素调制单元的光学性质发生变化，使得透过该每个电极组121对应的像素调制单元的空间光信号的光学性质发生变化。上述过程实现了实现每个像素调制单元的单独调制。

根据本发明的一些实施例，电极组121的数量为多个，多个电极组121呈阵列排布在电极层上。

根据本发明的一些实施例，电极组121的第一电极121-1的形状包括立方体、长方体、圆柱体或梯形锥体。

根据本发明的一些实施例，第一电极121-1的形状与像素调制单元的形状一致。

根据本发明的一些实施例，每个第二电极121-2一一对应的连接在一个第二电极焊盘150上。每个第二电极121-2通过引出电极和对应的第二电极焊盘150连接。

根据本发明的一些实施例，电极层400的材质包括以下之一或组合：金属、合金和透明导电氧化物。

根据本发明的一些实施例，可选的，第一电极121-1为Al。Al的厚度为200nm。Al材料的电阻率为2.6×10^-8Ω·m。第一电极121-1的长度为1mm，宽度为1μm，间距为1mm。

根据本发明的一些实施例，可选的，第一电极焊盘140(公共电极焊盘)的长度和宽度都为100μm。

根据本发明的一些实施例，可选的，第二电极焊盘150(像素电极焊盘)的长度和宽度都为100μm，竖直方向的较小的间距为10μm。

根据本发明的一些实施例，引出电极170的宽度为1μm，引出电极和第一电极121-1在竖直方向的较小的间距为1μm。

根据本发明的一些实施例，电极组层120共有16个第一电极121-1，呈4*4阵列排布，对应的，每个第一电极121-1下方对应一个像素调制单元。第一电极焊盘140的数量是1个，第一电极焊盘140用于连接外部电源的正极或者负极，第一电极焊盘140与每一个第一电极121-1的一端连接通过引出电极170连接。第二电极焊盘150的数量是16个，第二电极焊盘150用于连接外部电源的负极或者正极(与第一电极焊盘140的极性相反)，每个第二电极焊盘150通过引出电极170与一个调制电极404的另一端连接。可以理解的是，电极组层120位于调制单元层110的上方，第一电极焊盘140和每个150第二电极焊盘可以独立控制每个像素调制单元上的电压，从而独立控制调制单元层110的各个像素调制单元折射率，进而实得到空间光信号(光波)在空间的二维分布。

根据本发明的一些实施例，第一电极焊盘140、第二电极焊盘150、引出电极170和电极组121之间均设置有间隙。

根据本发明的一些实施例，电极组层121的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，第一电极121-1的长度为1nm至1mm，宽度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，第一电极焊盘140的长度为1nm至1mm，宽度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，第二电极焊盘150的长度为1nm至1mm，宽度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，引出电极170的长度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，两个相邻的第一电极121-1的间距为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，引出电极170和第一电极121-1在竖直方向的间距为1nm到1mm。

根据本发明的一些实施例，空间光调制器是一种透射式器件；空间光调制器对空间光信号的透射率大于50％。

根据本发明的一些实施例，绝缘层200的材质包括以下之一：氧化硅、氧化铝。

根据本发明的一些实施例，可选的，绝缘层130的材质为氧化铝，在1550nm波长的折射率为1.8，可以使得空间光调制器在1550nm波长光波的透射率大于60％。绝缘层具有优良的绝缘性能和耐磨性能，从而能够防止电极短路、保护调制单元层110。

根据本发明的一些实施例，绝缘层130的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，调制单元层110的光学性质可调节。

根据本发明的一些实施例，调制层300的光学性质可调节，调制单元层110的光学性质包括折射率或吸收系数。

根据本发明的一些实施例，像素调制单元的形状包括立方体、长方体、圆柱体或梯形锥体。

根据本发明的一些实施例，调制单元层110的材质包括以下之一：热光材料、电光材料、声光材料或磁光材料。

根据本发明的一些实施例，电光材料的材质包括以下之一：铌酸锂、钽酸锂、钛酸钡；所述电光材料的电光系数大于8p·m/V。

根据本发明的一些实施例，调制单元层110为导体、半导体或绝缘体。

根据本发明的一些实施例，调制单元层110的结构为薄膜结构、纳米结构、超晶格结构或光子晶体结构。

根据本发明的一些实施例，调制单元层110的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，可选的，调制单元层110为钽酸锂。钽酸锂的电光系数为30p·m/V，是一种电光材料。钽酸锂的厚度为300nm。在1550nm波长的折射率为2.0。可以理解的是，调制单元层110具有较大的电光系数，所以通过电极组层120对调制单元层110施加电压，可以改变调制单元层110的折射率，从而改变空间光信号通过调制单元层110的光程差，实现空间光信号的调制。

图3示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器的剖视图。

根据本发明的一些实施例，如图3所示，空间光调制器还包括衬底层160，衬底层160设置在绝缘层130远离调制层的一侧表面。

根据本发明的一些实施例，衬底层160为导体、半导体或绝缘体。

根据本发明的一些实施例，衬底层160的材质包括Al、Si、SiO₂或Al₂O₃。

根据本发明的一些实施例，衬底层160的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，衬底层160的材料为Si。衬底层160的厚度为0.2mm。衬底层主要用于承载，有利于实现高度集成。衬底层160的价格比较便宜，能降低生产成本。

根据本发明的一些实施例，绝缘层130、调制单元层110和电极组层120都是固体，且绝缘层130、调制单元层110和电极组层120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，绝缘层130、调制单元层110和电极组层120的位置及相对位置均为固定不可变的，因此，本发明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，鲁棒性高，使用寿命长的特点。

另外，调制单元层110是固体，且调制单元层110是无机物。无机物固体调制单元层的厚度的最小均匀性优于液晶层，无机物固体调制单元层的最小厚度比液晶层的厚度小1个量级，具有调制速度高的优点，所以，本申请的空间光调制器的调制速度比液晶空间调制器的调制速度高4个量级以上，相较于现有技术中液晶空间光调制器的调制速度在百赫兹量级，本发明公开的空间光调制器的调制速度可以达到兆赫兹量级。

图4示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的制备方法的流程图。

如图4所述，本发明还公开了一种空间光调制器的制备方法，包括操作S401-操作S404。

在操作S401，制备调制层。

在操作S402，将调制层进行图形化得到调制单元层。

在操作S403，在调制单元层的第一表面上制备电极层。

在操作S404，将电极层进行图形化，得到包括多个间隔设置的电极组的电极组层，每个电极组的第一电极和第二电极分别设置在一个像素调制单元两侧。

根据本发明的实施例，在将调制单元层110进行图形化之前，制备方法还包括：

在衬底上制备绝缘层130。

将调制层的表面进行减薄和抛光，将绝缘层130和调制层的第二表面进行键合。

根据本发明的一些实施例，图形化的工艺方法包括光刻和刻蚀。

根据本发明的一些实施例，制备绝缘层130、制备调制层、制备电极层400和制备绝缘层130包括物理法或化学法；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。

根据本发明的一些实施例，本发明公开的空间光调制器的制备方法包括3次沉积和2次图形化，共5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，本发明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，本发明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。

通过本发明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。

本发明公开的空间光调制器的调制机理为：利用调制单元层110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。采用空间光信号照射空间光调制器，通过电极组层121对调制单元层110施加某种能量(例如：电和热等)改变调制单元层110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透射光的光学参量(例如：相位和振幅等)。绝缘层130位于调制单元层110的下方，绝缘层130对某个波长或某段波长具有较高的透射率，所以绝缘层130可以将从上方入射穿过调制单元层110的空间光信号的光波透射到下方，从而实现空间光信号的光波的调制。电极组层120位于调制单元层110的上方，第一电极焊盘140和每个第二电极焊盘150可以独立控制每个像素调制单元的电压，从而独立控制调制单元层110的折射率，进而实现控制空间光信号的光波在空间的二维分布。

通过上述技术方案，通过采用电极组121通过改变像素调制单元的电压完成改变调制单元层110中的像素调制单元的光学性质，进而实现对光波的调制，同时，因为采用了使用无机物作为固体状态的绝缘层130、调制单元层110以及电极组层120，相较于液晶空间光调制器，具有结构简单，稳定性高，鲁棒性高，使用寿命长以及调制速度高的特点，调制速度可以达到兆赫兹量级。配合其对应的制备方法，具有加工步骤少、加工难度低、成品率高，所以生产成本低等诸多的有益效果。

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，上述对各零部件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。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间光调制器，其特征在于，包括：

调制单元层，所述调制单元层包括阵列式排布的多个像素调制单元；

电极组层，设置在所述调制单元层的第一表面上，所述电极组层包括多个间隔设置的电极组，每个电极组包括第一电极和第二电极，所述电极组的第一电极和第二电极设置在一个相应的像素调制单元两侧，所述电极组适用于向位于所述第一电极和所述第二电极之间的像素调制单元施加电信号；

其中，来自外部的空间光信号自所述电极组层入射，并透过所述调制单元层，在所述电极组层施加的电信号的作用下，所述像素调制单元的光学性质发生变化，以使透过所述像素调制单元的空间光信号的光学参量发生变化，实现对所述空间光信号的调控。

2.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所有电极组的第一电极连通，所有电极组的第一电极连接于第一电极焊盘上；

每个所述第二电极一一对应的连接在一个第二电极焊盘上。

3.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，还包括：

绝缘层，设置在所述调制单元层的第二表面上，适用于避免所述电极组层发生短路。

4.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述空间光调制器对光波的透射率大于50％。

5.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述调制单元层的材质包括以下之一：热光材料、电光材料、声光材料和磁光材料；

优选的，所述电光材料的材质包括以下之一：铌酸锂、钽酸锂和钛酸钡；

优选的，所述电光材料的电光系数大于8p·m/V。

6.根据权利要求2所述的空间光调制器，其中，所述绝缘层材质包括以下之一：氧化硅和氧化铝。

7.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述电极组层的材质包括以下之一或组合：金属、合金和透明导电氧化物。

8.一种空间光调制器的制备方法，其特征在于，包括：

制备调制层；

将所述调制层进行图形化得到调制单元层；

在所述调制单元层的第一表面上制备电极层；

将所述电极层进行图形化，得到包括多个间隔设置的电极组的电极组层，每个电极组的第一电极和第二电极分别设置在一个像素调制单元两侧。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，将所述调制单元层进行图形化之前，所述制备方法还包括：

将绝缘层和所述调制层的第二表面进行键合。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，制备所述绝缘层、制备所述调制层和制备所述电极层包括物理法或化学法；

优选的，所述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、热蒸发法和分子束外延法；

优选的，所述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。