CN117215110A - 一种硅基液晶空间光调制器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基液晶空间光调制器及制备方法，该空间光调制器从下到上依次包括CMOS硅基背板、铝电极层、超材料反射层、下取向层、液晶分子层、上取向层、ITO电极层、玻璃基板以及抗反射层，超材料反射层由低折射率材料包裹高折射率介质材料组成，超材料反射层制备方法包括如下步骤：步骤一，在CMOS铝电极表面加工一层低折射率的氧化物或者高分子层；步骤二，通过光刻、纳米压印等微加工方法制备高折射率材料；步骤三，通过沉积方法镀上另一层低折射率材料，使得表面平整，步骤四，通过在其表面制备液晶分子取向层结构，控制液晶分子的初始偏转方向，本发明能够有效提升相位调制的切换速度、提高光学使用效率及延长器件使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及激光加工和光通信技术领域，具体为一种硅基液晶空间光调制器及制备方法。
背景技术
硅基液晶空间光调制器，即Liquid Crystal on Silicon(LCOS)是一种基于CMOS工艺的反射式液晶装置。通常，单片LCOS上由数百万个像素(pixel)构成，每个像素的大小为几个或者几十个微米。通过控制每个像素上的电压，可以操控液晶材料的偏转，从而实现对入射光相位及强度的控制。LCOS最初的应用场景主要在显示领域，与其他显示技术相比，基于LCOS的显示设备更容易实现高的分辨率和充分的色彩表现。随着对空间光调制器的研究逐渐深入，LCOS的应用范围也不断扩大。特别近几年，空间相位调制作为一种新型的光学引擎，LCOS已经逐渐应用于激光加工和光通信领域：包括相位光学整形，多点加工，波长选择开关等等。
作为一种新型空间光调制器，LCOS可以实现对空间光像素级的相位控制，从而根据应用场景来实现相应的功能。传统的LCOS空间光调制器如图1所示，其物理结构从下到上依次包括CMOS硅基背板、铝电极层、下取向层、液晶分子层、上取向层，ITO电极层，玻璃基板以及表面抗反射层。当在铝电极层以及ITO电极层之间加上电压后，液晶分子在电场的作用下会产生偏转，不同的电压强度或者加载电压的方式会导致液晶分子产生不同的偏转角度和工作模式。由于液晶分子的光学各向异性，不同的偏转角度意味着不同的折射率以及光学相位。因此，当入射光照射到液晶层不同位置时，由于加载电压的不同会产生不同的光学相位延迟，从而实现对入射光的空间相位调制。
在LCOS的CMOS背板上镀了一层矩阵式的铝电极，分别对应LCOS器件的每一个像素。加载在每一个铝电极上的电压都可以通过驱动单独控制，由于每个像素上所加的电压值都不一样，相邻铝电极之间必须要留一定的空间(gap区域)来减少相邻两个像素的电场干扰(边缘场效应)。因此，当入射光传播至LCOS背板时，入射到铝电极上的光的反射率接近100％，而入射到gap上的光只有少部分被反射，大部分光会透过硅基背板而被吸收损耗掉。当LCOS运用于激光加工和通信领域时，损耗的光能量会导致光的利用效率降低，同时被CMOS背板吸收的光会引起背板电路发热，从而降低空间光调制的效果。增加每个像素铝电极的面积填充率(电极区域与像素区域的比值)可以减少入射光的损耗，提高反射率，但增加像素铝电极面积会增加器件大大小，减少gap区域面积会导致边缘场效应，增加串扰，降低器件的性能。因此，在设计LCOS器件结构时，需要在光学能量损耗和边缘场效应导致的性能降低之间做一个平衡的选择。
现有的技术为了有效增加LCOS器件的反射率，通常会在下取向层和铝电极之间加入由两种或多种绝缘介质周期性排列组成的Bragg反射镜结构。在此类设计中，每一层材料的厚度都被设计为四分之一的光学波长除以材料在该波长的折射率。我们以激光加工的工作波长1064nm为例，以ZrO2和SiO2分别作为高折射率和低折射率材料。该结构的反射率与多层结构的周期数成正比关系。为了实现超过95％的反射率，所需要的周期数达到数十层，这样该反射结构的结构就达到数微米，已经与液晶层的厚度接近。这种结构设计具有以下缺陷：
该反射层位于液晶层与铝电极之间，当在ITO电极和铝电极上加载电压时，数十层的由高介电常数材料组成的反射结构会造成巨大的电压损失。为实现相同的液晶偏转角度，需要加载更大的电压，造成能量损失。
在加上数微米的反射层后，LCOS像素的面积与器件的厚度的比率会大幅降低，造成更强的边缘场效应，从而降低LCOS器件的调制性能。
同时数十层的结构会在加工工艺上造成很大的难度，一是对下取向层的机械摩擦会破坏反射层的结构，破坏成品率；二是由于工艺的复杂性，无法制造出表面平整的多层膜结构，从而反射的效率也会大大降低。
因此，在有效提升LCOS反射率的情况下，如何不降低器件的其他方面的性能，同时能够简化器件的封装工艺，成为当前急需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用以提高空间光调制器的性能、成品率以及简化器件封装的相位型LCOS空间光调制器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：该空间光调制器从下到上依次包括CMOS硅基背板、铝电极层、超材料反射层、下取向层、液晶分子层、上取向层、ITO电极层、玻璃基板以及抗反射层，超材料反射层由低折射率材料包裹高折射率介质材料组成。
作为优选，超材料反射层在一维方向上周期排列，周期为300-800nm，超材料反射层的占空比为50％-80％，高折射率材料的厚度为100-500nm，低折射率材料的厚度为200-1000nm，所述超材料反射层在Y方向上的周期排列参数与以上描述相同，同时超材料反射层在X方向上周期排列，宽度为100-200nm，周期为300-500nm。
作为优选，超材料反射层由高折射率介质同时在X和Y方向周期排列，该结构由圆柱形单元在XY平面或者球形单元在三维排列而成，在二维圆柱结构中，高折射率材料的圆柱的直径为200-400nm，高度为200-400nm，周期为300-600nm，低折射率包裹材料厚度为300-1000nm；在三维球状结构中，直径为200-400nm，周期为400-700nm，低折射率包裹材料厚度为300-1000nm。
作为优选，超材料反射层与Bragg多层膜结构相结合，多层膜由两种折射率的材料交替周期排列而成，每一层膜的厚度为在该材料中入射光工作波长的1/4，周期的数量小于10。
作为优选，超材料反射层制备方法包括如下步骤：步骤一，在CMOS铝电极表面加工一层低折射率的氧化物或者高分子层；步骤二，通过光刻、纳米压印等未加工方法制备高折射率材料；步骤三，通过沉积方法镀上另一层低折射率材料，使得表面平整，步骤四，通过在其表面制备液晶分子取向层结构，控制液晶分子的初始偏转方向。
作为优选，步骤一，低折射率的氧化物或者高分子层为氧化物SiO2或者高分子材料PDMS。
作为优选，步骤二，高折射率材料为Si、ZnSe或者GaAs。
作为优选，步骤四，取向层通过摩擦20-50nm厚的聚酰亚胺薄膜产生沟槽，获取在水平方向整齐排列的液晶材料。
作为优选，步骤四，取向层利用无机取向，通过电子束蒸发SiO2材料镀膜时改变蒸发沉积角度，使得SiO2薄膜表面产生孔洞和裂纹，从而对液晶材料的取向和预倾角度进行调整。
作为优选，步骤四，取向层通过移除覆盖在高折射率超材料反射层表面的无机材料，让超材料反射层暴露在液晶分子之中，利用超材料反射层自有的周期性结构来让液晶分子获得初始取向。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种基于一维、二维以及三维超材料的反射层结构，其能够提高LCOS空间光调制器件的反射率，有效降低LCOS光调制器的损耗，提高相位调制的切换速度及提高使用寿命。
(2)该超材料经过特殊设计可以用作液晶材料的取向结构，该结构适用于水平取向和垂直取向的液晶。
(3)超材料与传统的Bragg介质镜相结合，实现更强的反射效果。
(4)涉及的超材料是一种具有新奇材料性质的人工复合结构；它的物理性质主要不是由其化学成分的本征性质决定的，而是依赖于超材料内部的特定结构设计；超材料与电磁波相互作用之后产生新颖的物理性质；
通常，超材料由金属或者介质微结构周期或者非周期排列而成，结构单元的尺度小于与其产生相互作用电磁波的波长。
(5)本发明提高了LCOS空间光调制器件的反射率，降低了因多层反射镜结构而导致的边缘场效应，有效提升相位调制的切换速度，简化了LCOS器件的封装工艺流程，实现了更高的良品率。
附图说明
图1为本发明光调制器的分层结构示意图；
图2为本发明超材料反射层基础结构示意图；
图3为本发明超材料反射层被用作取向层的结构示意图；
图4为本发明二维和三维超材料反射层的结构示意图；
图5为本发明超材料反射层与多层膜组成结构示意图。
图中：1、CMOS硅基背板；2、铝电极层；3、超材料反射层；4、下取向层；5、液晶分子层；6、上取向层；7、ITO电极层；8、玻璃基板；9、抗反射层。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1-5所示，一种硅基液晶空间光调制器，该空间光调制器从下到上依次包括CMOS硅基背板1、铝电极层2、超材料反射层3、下取向层4、液晶分子层5、上取向层6、ITO电极层7、玻璃基板8以及抗反射层9，超材料反射层3由低折射率材料包裹高折射率介质材料组成，超材料反射层除了可以增强器件的反射率之外，还可以经过表面处理被用作液晶材料的取向结构，用来控制液晶分子的初始偏转方向。
超材料反射层3在一维方向上周期排列，周期为300-800nm，超材料反射层3的占空比为50％-80％，高折射率材料的厚度为100-500nm，低折射率材料的厚度为200-1000nm，入射光从上而下垂直入射，当光的极化方向与超材料反射层3的周期排列方向一致时，根据Mie散射理论，电磁波会在高折射率材料中产生共振，从而实现超反射的效果(反射率>95％)。而当入射光的极化方向与超材料反射层3周期排列方向垂直时并不会产生超反射；所述超材料反射层3在Y方向上的周期排列参数与以上描述相同，同时超材料反射层3在X方向上周期排列，宽度为100-200nm，周期为300-500nm。
超材料反射层3由高折射率介质同时在X和Y方向周期排列，该结构由圆柱形单元在XY平面或者球形单元在三维排列而成，在二维圆柱结构中，高折射率材料的圆柱的直径为200-400nm，高度为200-400nm，周期为300-600nm，低折射率包裹材料厚度为300-1000nm；在三维球状结构中，直径为200-400nm，周期为400-700nm，低折射率包裹材料厚度为300-1000nm，由于该种介质超材料的光学响应与单个散射单元有关，如果超材料被设计成非周期结构，也同样可以实现增强发射的效果；但该超材料的结构无法自己实现液晶取向的效果；与一维超材料反射层类似，取向层可以通过PI或者SiO2薄膜来实现。
超材料反射层3与Bragg多层膜结构相结合，多层膜由两种折射率的材料交替周期排列而成，每一层膜的厚度为在该材料中入射光工作波长的1/4，周期的数量小于10。
超材料反射层3制备方法包括如下步骤：步骤一，在CMOS铝电极表面加工一层低折射率的氧化物或者高分子层；步骤二，通过光刻、纳米压印等未加工方法制备高折射率材料；步骤三，通过沉积方法镀上另一层低折射率材料，使得表面平整，步骤四，通过在其表面制备液晶分子取向层结构，控制液晶分子的初始偏转方向。
步骤一，低折射率的氧化物或者高分子层为氧化物SiO2或者高分子材料PDMS。
步骤二，高折射率材料为Si、ZnSe或者GaAs。
步骤四，取向层通过摩擦20-50nm厚的聚酰亚胺薄膜产生沟槽，获取在水平方向整齐排列的液晶材料。
步骤四，取向层利用无机取向，通过电子束蒸发SiO2材料镀膜时改变蒸发沉积角度，使得SiO2薄膜表面产生孔洞和裂纹，从而对液晶材料的取向和预倾角度进行调整。
步骤四，取向层通过移除覆盖在高折射率超材料反射层3表面的无机材料，让超材料反射层3暴露在液晶分子之中，利用超材料反射层3自有的周期性结构来让液晶分子获得初始取向，该方法简化了LCOS器件的制作过程，结合图3。
综上所述，本发明提出的LCOS全介质超材料反射层3具有反射率高、宽带宽、制备成本低等优点，可以运用于不同的波长，在LCOS空间光调制器中有着普适广泛的应用。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：该空间光调制器从下到上依次包括CMOS硅基背板(1)、铝电极层(2)、超材料反射层(3)、下取向层(4)、液晶分子层(5)、上取向层(6)、ITO电极层(7)、玻璃基板(8)以及抗反射层(9)，所述超材料反射层(3)由低折射率材料包裹高折射率介质材料组成。
2.根据权利要求1所述的一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：所述超材料反射层(3)微结构在一维方向上周期排列，周期为300-800nm，超材料反射层(3)的占空比为50％-80％，高折射率材料的厚度为100-500nm，低折射率材料的厚度为200-1000nm，所述超材料反射层(3)在Y方向上的周期排列参数与以上描述相同，同时超材料反射层(3)在X方向上周期排列，宽度为100-200nm，周期为300-500nm。
3.根据权利要求1所述的一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：所述超材料反射层(3)由高折射率介质同时在X和Y方向周期排列，该结构由圆柱形单元在XY平面或者球形单元在三维排列而成，在二维圆柱结构中，高折射率材料的圆柱的直径为200-400nm，高度为200-400nm，周期为300-600nm，低折射率包裹材料厚度为300-1000nm；在三维球状结构中，直径为200-400nm，周期为400-700nm，低折射率包裹材料厚度为300-1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：所述超材料反射层(3)与Bragg多层膜结构相结合，多层膜由两种折射率的材料交替周期排列而成，每一层膜的厚度为在该材料中入射光工作波长的1/4，周期的数量小于10。
5.一种硅基液晶空间光调制器制备方法，其特征在于：所述超材料反射层(3)制备方法包括如下步骤：步骤一，在CMOS铝电极表面加工一层低折射率的氧化物或者高分子层；步骤二，通过光刻、纳米压印等未加工方法制备高折射率材料；步骤三，通过沉积方法镀上另一层低折射率材料，使得表面平整，步骤四，通过在其表面制备液晶分子取向层结构，控制液晶分子的初始偏转方向。
6.根据权利要求5所述的一种硅基液晶空间光调制器制备方法，其特征在于：所述步骤一，低折射率的氧化物或者高分子层为氧化物SiO2或者高分子材料PDMS。
7.根据权利要求5所述的一种硅基液晶空间光调制器制备方法，其特征在于：所述步骤二，高折射率材料为Si、ZnSe或者GaAs。
8.根据权利要求5所述的一种硅基液晶空间光调制器制备方法，其特征在于：所述步骤四，取向层通过摩擦20-50nm厚的聚酰亚胺薄膜产生沟槽，获取在水平方向整齐排列的液晶材料。
9.根据权利要求5所述的一种硅基液晶空间光调制器制备方法，其特征在于：所述步骤四，取向层利用无机取向，通过电子束蒸发SiO2材料镀膜时改变蒸发沉积角度，使得SiO2薄膜表面产生孔洞和裂纹，从而对液晶材料的取向和预倾角度进行调整。
10.根据权利要求5所述的一种硅基液晶空间光调制器制备方法，其特征在于：所述步骤四，取向层通过移除覆盖在高折射率超材料反射层(3)表面的无机材料，让超材料反射层(3)暴露在液晶分子之中，利用超材料反射层(3)自有的周期性结构来让液晶分子获得初始取向。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2022
- 2022-11-11 CN CN202211411051.4A patent/CN117215110A/zh active Pending
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