CN117806058A - 一种基于相变材料的空间光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相变材料的空间光调制器，具有分辨率高、高帧率、低能耗等特点。该空间光调制器包含衬底、光调制像素单元阵列、增透层、光屏蔽层、crossbar控制结构，本发明基于相变材料的空间光调制器可广泛应用于显示技术、光通信、生物医学成像以及其他需要空间光调制的领域。
Description
技术领域
本发明属于相变材料技术领域，更具体的，一种基于相变材料的空间光调制器。
背景技术
空间光调制器是一种用于控制光强度、相位等光学特性的关键设备，在光通信、显示技术、光存储和生物医学成像等众多领域发挥着重要作用。然而，在某些应用场景中，例如快速光学信息处理，传统的空间光调制器的响应速度无法满足需求。此外，由于像素尺寸较大，传统空间光调制器无法实现高分辨率和高密度的光调制，从而限制了其在特定领域的应用。为了满足不断增长的数据传输速率和调制质量的需求，迫切需要开发更高效、更精确的光调制器。
相变材料是一类具备可逆相变特性的材料，通过电场刺激能够实现快速的光响应。相较于传统液晶材料，相变材料具有更快的光响应速度(纳秒级别)和较小的像素尺寸(纳米级别)，因此在改善空间光调制器的分辨率和切换速度等关键性能指标方面具备重要的潜力。
然而，相变材料在应用于空间光调制器时也面临一些问题。相变材料的消光系数相对于液晶材料较大，这导致光调制过程中的光损耗增加，降低了光波的传输效率。
发明内容：
本发明提供了一种基于相变材料的空间光调制器，旨在实现响应速度快、分辨率高、传输效率高的光调制器。
该空间光调制器，主要包括以下组成部分：衬底、光调制像素单元阵列、增透层、光屏蔽层、控制电极、crossbar控制结构；衬底为透明石英衬底，用于透光与提供结构稳定性；光调制像素单元阵列，位于衬底上，包括多个相变材料像素单元，由特定厚度和大小的相变材料构成，每个像素单元可通过施加电场进行光响应的调制；增透层，位于光调制像素单元的顶部，用于增加透射光的透射率；屏蔽层，位于增透层的顶部，用于屏蔽非目标区域的光；控制电极，由透明金属制作，位于光调制像素单元的上下两侧，用于施加电场至相变材料像素单元；
光调制像素单元阵列由正方形相变区域构成，相变区域的边长在0.5um～100um的范围内、相变区域的厚度在20nm～100nm范围。
增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。
高折射率介质材料的折射率n≥2.3，所述的低折射率材料的折射率n≤1.5。
光屏蔽层由黑色光阻剂构成，区域上与光调制像素单元阵列错位排布，用于减小衍射光的串扰。
控制电极宽度与光调制像素单元的边长相等，并完全覆盖相变区域。
crossbar控制结构由多个水平控制电极和垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
一种基于相变材料的空间光调制器可以在广泛的应用中使用，包括但不限于显示技术、光通信、生物医学成像以及其他需要光调制的领域。
为了充分利用相变材料的优势并改善上述问题，本发明提供了一种基于相变材料的空间光调制器。该光调制器在充分发挥相变材料优势的同时，针对具体应用场景采用了增透膜的设计和相应的控制结构，从而实现快速、高分辨率和高效率的空间光调制功能。
通过以上设计，本发明的空间光调制器实现了对光的高效、精确的调制，同时也有效地增加了透光效率。因此，本发明的基于相变材料的空间光调制器具有广泛的应用前景，可以广泛应用于显示技术、光通信、生物医学成像以及其他需要光调制的领域。
附图说明
图1是本发明光调制像素单元阵列示意图；
图2是本发明增透层结构示意图；
图3是本发明crossbar控制电极结构示意图；
图4是本发明相变前后不同入射光透光效果光谱图；
附图标记：101、光调制像素单元，201、相变调制层，202、透明电极层，203、增透层。
具体实施方案
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明旨在提供一种基于相变材料的空间光调制器，其具有响应速度快，分辨率高、光利用率高等特点。
如图1所示，是本发明光调制像素单元阵列示意图，光调制器件由多个基于相变材料的光调制单元组成调制阵列，所述光调制器件包括相变层201、电极层202、增透层203，相变层单元阵列由正方形相变区域构成，相变区域的边长在0.5um～100um的范围内、相变区域的厚度在20nm～100nm范围，所述电极层202由透明金属制作，位于光调制像素单元101的上下两侧，用于施加电场至相变材料像素单元101。
如图3所示，是本发明crossbar控制电极结构示意图；所述的crossbar控制结构即为两层电极层202，所述的crossbar控制结构由多个水平控制电极和垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
如图2所示是本发明增透层结构示意图；所述增透层203的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数(X≥1)，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长，用于提高透过率。
光调制器件还包括屏蔽层，位于增透层的顶部，用于屏蔽非目标区域的光。
空间光经过光调制像素单元101，相变调制单元中的相变材料层201调制透射光的强度相变材料层的相变材料在电刺激或者激光刺激下可以在晶态和非晶态之间转换从而使得相变层的透过率发生变化。相变层201中夹着相变材料的两层透明电极层202可以通过施加电压来控制相变材料的晶化状态，具体的，对相变材料层201施加一个强度中等的脉冲电压或者激光脉冲，相变材料在电流或者激光脉冲的作用下温度升高到结晶温度以上，熔化温度以下的温度区间，并保持一定的时间，晶格此时有序排列形成晶态，实现由非晶向晶态的转变；对相变材料施加一个短而强的电压或者激光脉冲，使相变材料温度升高到熔化温度以上，使晶态的长程有序遭到破坏，脉冲下降沿非常短导致相变材料经快速冷却至结晶温度以下，使相变材料固定于非晶态，实现由晶态向非晶态转变，通过相变材料层的相变材料在非晶态和晶态之间相互转化时的透射率变化来对对空间入射光进行强度调制。
相变材料层201的相变材料可以包括下列硫系化合物及其合金，包括但不限于：GST、GSST、IST、GeTe、SbTe、BiTe、InSb、InSe、GeSb、SbSe、GaSb、GaSb、GeSbTe、AgInSbTe、InSbTe、AgSbTe、Ag2In4Sb76Te17(AIST)，此外，上述各化学式中的原子百分比可变。相变材料层可进一步包含至少一种掺杂剂，如C、N。优选地，相变材料选择Sb2Te3，相同厚度下Sb2Te3在相变前后发生的透射率变化最大，且Sb2Te3的相变温度较低，转变所需要的电压或激光的幅值低，脉宽窄，便于降低整个器件的能耗及提高相变材料的响应速度，从而提升器件的图像刷新率，展现出更好的效果。
相变材料层201的厚度在20nm～100nm范围，由于相变材料层201的厚度的增加会使得可见光的透过率降低，且相变材料晶化所需的温度也越高，较合适的厚度是30nm。相变材料层的相变材料可以用激光驱动，也可以用电压驱动，电压驱动时，相变层两边的透明电极施加电压使相变材料发生相变。
该相变滤光组件的相变层在不同状态下透过率相差很大，相变材料在晶态和非晶态状态下是稳定的，所以相变材料在稳定状态下时可以移除电压或激光，所以整个器件的功耗很低。
该相变滤光组件的在晶态和非晶态之间转换时其速度很快，即单个像素在由暗转亮或由亮转暗所需要的时间很短，大约在100ns以下，完全满足各种场景下对器件响应速度的要求。
增透层203的作用是为了解决由于界面反射、相变材料具有一定的消光系数等问题导致的透射光能量弱的问题，经过增透膜增透处理的透射光不仅可以提高透射率，同时也大大减少光在元件之间连续反射的能量，提高空间光的利用效率，增透层的低折射率材料可以包括以下材料，包括但不限于：SiO2、Al2O3、In2O3、MgF2，增透层的高折射率材料可以包括以下材料，包括但不限于：ZnS、TiO2等。
图4为该空间光调制器的各个波长的调制光谱，经过对结构的优化，图4展示了三种调制结构在相变材料晶化和非晶化的状态下的对不同波长空间光的调制光谱。通过施加不同的电压，或者调整激光功率，使相变材料层由非晶态到部分晶化到完全晶化。部分晶化可以简单的通过在转换过程中限制电流的最大值或者激光功率来实现。完全非晶和完全晶化间的材料的透射率取决于部分晶化的程度。典型地可以得到多个混合相之间的相态，并且在合适的控制下可以得到更多的相。因此，调制器件通过控制电压，改变相变滤波器的透射率。
通过以上的实施例，我们可以看到这种基于相变材料的空间光调制器具有响应速度快，分辨率高、光利用率高等特点，可以在广泛的应用中使用，包括但不限于显示技术、光通信、生物医学成像以及其他需要光调制的领域。
为本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于相变材料的空间光调制器，其特征在于，所述光调制器包括衬底、光调制像素单元阵列、增透层、光屏蔽层、crossbar控制结构；
所述光调制像素单元阵列，位于所述衬底上，包括多个相变材料像素单元，由特定厚度和大小的相变材料构成，每个像素单元可通过施加电场进行光响应的调制；
所述增透层，位于所述光调制像素单元的顶部，用于增加透射光的透射率；
所述屏蔽层，位于所述增透层的顶部，用于屏蔽非目标区域的光；
所述crossbar控制结构，为透明金属，其位于所述光调制像素单元的上下两侧，用于施加电场至所述相变材料像素单元。
2.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述光调制像素单元阵列由正方形相变区域构成，相变区域的边长在0.5um～100um的范围内、相变区域的厚度在20nm～100nm范围。
3.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述的增透层的结构为H(LH)x，其中H为高折射率低消光系数薄膜层，L为低折射率低消光系数薄膜层，X为膜层组周期数，X≥1，每一层膜层的光学厚度为四分之一使用波长。
4.根据权利要求3所述的空间光调制器，其特征在于，所述高折射率介质材料的折射率n≥2.3，所述低折射率材料的折射率n≤1.5。
5.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述的光屏蔽层由黑色光阻剂构成，区域上与所述光调制像素单元阵列错位排布，用于减小衍射光的串扰。
6.根据权利要求1所述的空间光调制器，其特征在于，所述crossbar控制结构的电极宽度与所述光调制像素单元的边长相等，并完全覆盖相变区域。
7.根据权利要求1所述的一种基于相变材料的空间光调制器，其特征在于，所述crossbar控制结构包括多个水平电极组成的水平电极层和多个垂直电极组成的垂直电极层，所述多个水平电极和所述多个垂直电极形成交叉点阵列，每个交叉点中间都有一个光调制像素单元。
8.一种显示装置，其特征在于：所述显示装置包括根据任一权利要求1-7之一的所述的空间光调制器。
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