DE102023100145A1

DE102023100145A1 - Räumlicher lichtmodulator mit aberrationskorrektur

Info

Publication number: DE102023100145A1
Application number: DE102023100145.0A
Authority: DE
Inventors: Luke Stewart; Glen W Baxter; Jeremy Bolger
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2022-04-12
Filing date: 2023-01-04
Publication date: 2023-10-12
Also published as: US20230324733A1; CA3179731A1; US20240192540A1; US11940686B2; CN116953980A

Abstract

Ein räumlicher Lichtmodulator (100) umfasst ein Flüssigkristallmaterial (104), erste und zweite Elektroden (106, 108), die auf gegenüberliegenden Seiten des Flüssigkristallmaterials (104) angeordnet sind, und ein diffraktives optisches Element (120), das zwischen den Elektroden (106, 108) angeordnet ist und sich seitlich über den Modulator (100) erstreckt. Das diffraktive optische Element (120) umfasst ein Array diffraktiver Formationen (122), die aus Sub-Wellenlängen-Strukturen gebildet sind. Das Array diffraktiver Formationen (122) definiert ein Phasenprofil, das geeignet ist, die einfallende Wellenfront des von der zweiten Elektrode reflektierten Lichts zu modifizieren und eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur auf die einfallende Wellenfront des Lichts anzuwenden.

Description

Gebiet der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf räumliche Lichtmodulatorvorrichtungen und insbesondere auf räumliche Flüssigkristall-Lichtmodulatoren. Hierin offenbarte Ausführungsformen sind insbesondere für Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtungen geeignet, die zum Schalten von Wellenlängenkanälen in einem wellenlängenselektiven Schalter verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass der hierin offenbarte Gegenstand in breiteren Kontexten und anderen Anwendungen anwendbar ist.
Kurze Beschreibung des Stands der Technik
LCOS ist die Abkürzung für die englische Bezeichnung „Liquid crystal on silicon“ (Flüssigkristall auf Silizium-(substrat). LCOS-Raumlichtmodulatorvorrichtungen werden typischerweise zum Schalten optischer Wellenlängenkanäle in wellenlängenselektiven Schaltvorrichtungen (wavelength selective switch - WSS) verwendet. Obwohl die von diesen Vorrichtungen bereitgestellte Phasenmodulation zur Wellenfrontkorrektur des reflektierten Lichtfelds genutzt werden kann, geht dies typischerweise auf Kosten einer reduzierten Phase, die für das Schalten und die Feinabstimmung der Leistung und Dämpfung einzelner Wellenlängenkanäle zur Verfügung steht.
Die veröffentliche US-Patentanmeldung US 2013/0070326 A1 offenbart die Einbettung eines Sub-Wellenlängen-Gitters, das ein anisotropes Brechungsindexprofil bereitstellt, in einen LCOS-Raumlichtmodulator, um eine relative Phasendifferenz von im Wesentlichen 180° in das durch das Flüssigkristallelement einfallende Licht einzuführen. Dadurch wird jede Polarisationskomponente bei der Reflexion in die orthogonale Ausrichtung gedreht, sodass die Vorrichtung unabhängig von der Polarisation reagiert.
Die veröffentlichte US Patentanmeldung US 2016/0291405 A1 bezieht sich auf einen LCOS-Raumlichtmodulator, der eine oder mehrere Sub-Wellenlängen-Gitterstrukturen aufweist, die darin integriert sind. Durch Einstellen von Parametern der Gitterstruktur wird diese hoch reflektierend und stärker reflektierend als die LCOS-Rückwand, wodurch die Reflektivität der Vorrichtung erhöht wird.
Die Vorrichtungen gemäß der veröffentlichten US-Patentanmeldungen US 2013/0070326 A1 und US 2016/0291405 A1 stellen jedoch keine räumlich variierende Phasensteuerung für LCOS-Raumlichtmodulatoren bereit, die zum optischen Schalten oder Strahlformen verwendet werden
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden oder zumindest deren Auswirkungen zu reduzieren.
Kurzdarstellung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung, umfasst ein räumlicher Lichtmodulator ein Flüssigkristallmaterial, erste und zweite Elektroden und ein diffraktives optisches Element. Die erste und die zweite Elektrode sind auf gegenüberliegenden Seiten des Flüssigkristallmaterials angeordnet und mit einer elektrischen Schaltung zum Anlegen eines elektrischen Potentials über das Flüssigkristallmaterial verbunden. Die erste Elektrode ist mindestens teilweise transparent, um den Durchgang einer einfallenden Lichtwellenfront in das Flüssigkristallmaterial zu ermöglichen, und die zweite Elektrode ist reflektierend und in ein zweidimensionales Array von unabhängig elektrisch steuerbaren Pixeln unterteilt, die sich seitlich über den räumlichen Lichtmodulator erstrecken.
Das diffraktive optische Element ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet und erstreckt sich seitlich über den räumlichen Lichtmodulator. Das diffraktive optische Element weist ein Array von beugenden Formationen auf, die aus Sub-Wellenlängen-Strukturen bestehen. Das Array diffraktiver Formationen definiert ein Phasenprofil, das geeignet ist, die einfallende Wellenfront des von der zweiten Elektrode reflektierten Lichts zu modifizieren und eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur auf die reflektierte Wellenfront des Lichts anzuwenden.
Vorzugsweise bestehen die diffraktiven Formationen aus einem ersten Material mit einem hohen Brechungsindex, das von einem oder mehreren zweiten Materialien mit einem niedrigeren Brechungsindex als das erste Material umgeben ist.
Das diffraktive optische Element kann in Abhängigkeit von der Position eine Phasenänderung bewirken, die der reflektierten Lichtwellenfront einen positionsabhängigen Fokussierungseffekt bereitstellt. Der positionsabhängige Fokussierungseffekt kann die Fokussierung oder Defokussierung mindestens eines Teils der reflektierten Wellenfront umfassen. In einigen Ausführungsformen erzeugt das diffraktive optische Element einen positionsabhängigen Strahlsteuerungseffekt, um die Richtung von mindestens einem Teil der reflektierten Lichtwellenfront selektiv auszurichten. In einigen Ausführungsformen werden die positionsabhängigen Fokussierungs- und/oder Strahlsteuerungseffekte in orthogonalen Dimensionen angewendet.
In einigen Ausführungsformen ist der räumliche Lichtmodulator für die Verwendung in einem bestimmten wellenlängenselektiven Schalter (WSS) konfiguriert, der ein optisches Modell aufweist. Das diffraktive optische Element definiert eine Phasenfläche, die eine Phasenänderung in Abhängigkeit von der Position bewirkt. Die Phasenfläche wird durch das optische Modell für die gegebene WSS definiert.
In einigen Ausführungsformen ist das zweidimensionale Array aus unabhängig voneinander elektrisch steuerbaren Pixeln in verschiedene räumliche Regionen unterteilt, die ein unabhängiges Schalten ausführen. In einigen Ausführungsformen sind die verschiedenen räumlichen Regionen dazu konfiguriert, verschiedene WSS-Vorrichtungen unabhängig voneinander zu steuern. In einigen Ausführungsformen sind verschiedene räumliche Segmente des diffraktiven optischen Elements, die den verschiedenen räumlichen Regionen entsprechen, dazu konfiguriert, eine unabhängige Phasenkorrektur auf jede räumliche Region anzuwenden.
In einigen Ausführungsformen ist das diffraktive optische Element eine Sub-Wellenlängen-Gitterstruktur, wobei die Sub-Wellenlängen-Gitterstruktur ein Array von diffraktiven Formationen umfasst, die sich in einer zweidimensionalen Ebene erstrecken, und die diffraktiven Formationen mit einer räumlichen Periode verteilt sind, die über die zweidimensionale Ebene variiert. In einigen Ausführungsformen weist die Sub-Wellenlängen-Gitterstruktur ein Profil aus gekrümmten Linien mit Krümmung in einer seitlichen Richtung über den räumlichen Lichtmodulator auf.
In einigen Ausführungsformen umfasst das diffraktive optische Element eine Sub-Wellenlängen-Gitterstruktur, die sich von einem Hochkontrast-Gitter unterscheidet. Die Sub-Wellenlängen-Gitterstruktur kann durch eine Schicht aus metallischem Material definiert werden, die an eine Schicht aus dielektrischem Material angrenzt. Das metallische Material kann eine lokal periodische Matrix von Sub-Wellenlängen-Strukturen beinhalten, die eine positionsabhängige Modifikation der Phase des von ihr reflektierten Lichts bewirken.
Die vorstehende Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung zusammenzufassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird. Es zeigt:

1 ist eine perspektivische Ansicht eines Flüssigkristall-auf-Silizium-Raumlichtmodulators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Seitenansicht eines Ausschnitts des räumlichen Lichtmodulators aus 1.
3 ist eine schematische Draufsicht auf eine gepixelte LCOS-Vorrichtung, die verlängerte Strahlen zeigt, die den darin einfallenden Wellenlängenkanälen entsprechen.
4 veranschaulicht ein Phasenoberflächenprofil als Funktion der Position über einer LCOS-Vorrichtung, die geeignet ist, einen Fokussierungseffekt auf einfallendes Licht zu erzeugen.
5 ist ein Diagramm der Phasenänderung als Funktion der Diffraktionsgitterperiode.
6 ist eine schematische Veranschaulichung einer Gitterstruktur, die der Phasenfläche in 4 entspricht und dazu geeignet ist, einen Fokussierungseffekt auf einfallendes Licht zu erzeugen.
7 ist eine schematische Ansicht einer WSS-Vorrichtung entlang einer wellenlängendispersiven Achse.
8 ist eine schematische Ansicht der WSS-Vorrichtung von 7 in Richtung einer Schaltachse.
9 veranschaulicht ein Phasenoberflächenprofil als Funktion der Position über einer LCOS-Vorrichtung, die geeignet ist, zwei Regionen der Fokussierung des einfallenden Lichts zu erzeugen.
10 ist eine schematische Veranschaulichung einer entsprechenden Gitterstruktur, mit der das Phasenprofil von 9 erreicht werden kann.
11 ist ein Graph der Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge eines räumlichen Lichtmodulators, der ein diffraktives optisches Element für eine ausgewählte Polarisation enthält (gestrichelte Linie), und eines räumlichen Lichtmodulators, der kein diffraktives optisches Element enthält (durchgezogene Linie).

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das technische Problem der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1 ist zunächst ein räumlicher Lichtmodulator der vorliegenden Offenbarung in Form einer Flüssigkristall-auf-Silizium-Vorrichtung (LCOS) veranschaulicht. Der LCOS-Modulator 100 ist für die Verwendung in einem wellenlängenselektiven Schalter (WSS) oder einer Vielzahl von WSS-Vorrichtungen konfiguriert. Der LCOS-Modulator 100 kann jedoch auch Anwendungen in anderen Vorrichtungen aufweisen. Insgesamt kann der LCOS-Modulator 100 als räumlicher Lichtmodulator oder optischer Phasenmodulator bezeichnet werden, da er die Phase eines einfallenden optischen Signals moduliert, das sich in einer Propagierungsdimension (z-Dimension) ausbreitet.
Der LCOS-Modulator 100 als räumlicher Lichtmodulator umfasst ein Flüssigkristallmaterial 104, erste und zweite Elektroden 106 und 108 sowie ein diffraktives optisches Element 120. Die Elektroden 106, 108 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Flüssigkristallmaterials 104 angeordnet und sind dazu konfiguriert, ein elektrisches Potential über das Flüssigkristallmaterial 104 anzulegen. Die erste Elektrode 106 (hier als obere Elektrode bezeichnet) ist mindestens teilweise transparent, um den Durchgang einer einfallenden Lichtwellenfront in das Flüssigkristallmaterial 104 zu ermöglichen. (Die einfallende Lichtwellenfront ist nur schematisch durch den Pfeil L veranschaulicht.) Die zweite Elektrode 108 ist reflektierend, sodass sie die einfallende Lichtwellenfront L, die die oberen Schichten (Elektrode 106, Flüssigkristallmaterial 104 usw.) durchlaufen hat, reflektieren kann. Die zweite Elektrode 108 (hier als untere Elektrode bezeichnet) ist in ein zweidimensionales Array von unabhängig voneinander elektrisch steuerbaren Pixeln unterteilt, das sich seitlich über den LCOS-Modulator 100 erstreckt.
Das diffraktive optische Element 120 ist zwischen der ersten und zweiten Elektrode 106, 108 angeordnet und erstreckt sich seitlich über den LCOS-Modulator 100. Das diffraktive optische Element 120 weist ein Array von beugenden Formationen 122 auf, die aus Sub-Wellenlängen-Strukturen bestehen. (Wie erkennbar ist, sind diese diffraktiven Formationen 122 nicht maßstabsgetreu gezeichnet.) Wie weiter unten näher erläutert, definiert das Array der diffraktiven Formationen 122 ein Phasenprofil, das dazu konfiguriert ist, die einfallende Wellenfront des von der zweiten Elektrode 108 reflektierten Lichts zu modifizieren. Dieses Phasenprofil der diffraktiven Formationen 122 ist dazu konfiguriert, eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur auf die einfallende Lichtwellenfront anzuwenden. Letztendlich besteht die Wirkung des durch das diffraktive optische Element 120 definierten Phasenprofils darin, eine Korrektur für wellenlängenabhängige optische Aberrationen in einem optischen System, wie in einer WSS-Vorrichtung, bereitzustellen.
Genauer betrachtet umfasst der LCOS-Modulator 100 ein Siliziumsubstrat 102. Die untere Elektrode 108 ist auf dem Siliziumsubstrat 102 angebracht oder aufgeklebt. Das Flüssigkristallmaterial 104 ist zwischen der unteren Elektrode 108 und der oberen Elektrode 106 angeordnet. Die Flüssigkristallschicht 104 weist typischerweise eine Dicke im Mikrometerbereich auf, wie etwa 8 µm.
Ein Controller 114 ist über eine elektrische Schaltung 112 mit der unteren Elektrode 108 (über das Substrat 102) und mit der oberen Elektrode 106 verbunden. Das zweidimensionale Array 110 aus unabhängig voneinander elektrisch steuerbaren Pixeln erstreckt sich sowohl in einer ersten (x) als auch in einer zweiten (y) seitlichen Dimension über den LCOS-Modulator 100. Zum Beispiel kann die obere Elektrode 106 aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) bestehen. Die untere Elektrode 108 kann aus Aluminium bestehen, das auf das Substrat 102 aufgebracht und über CMOS-Anschlüsse im Substrat 102 mit dem Controller 114 verbunden sein.
Unter Verwendung der elektrischen Schaltung 112, die mit der oberen Elektrode 106 und der unteren Elektrode 108 verbunden ist, legt der Controller 114 ein elektrisches Potenzial V an das Flüssigkristallmaterial 104 an. Die Pixel des Arrays 110, die elektrisch angesteuert werden, legen ein elektrisches Potenzial V an die Flüssigkristallschicht 104 zwischen der oberen und der unteren Elektrode 106 und 108 an, um die Flüssigkristalle in der Schicht 104 in einer vorgegebenen Konfiguration auszurichten. Jedes Pixel im Array 110 kann einzeln von einem elektrischen Controller 114 auf einem von mehreren vorgegebenen Spannungspegeln angesteuert werden, um eine lokale Phasenmodulation für ein einfallendes optisches Signal bereitzustellen. Die elektrische Steuerung der Pixel wird durch Zusammenschaltungen mit dem elektrischen Controller 114 über das Siliziumsubstrat 102 bereitgestellt. Als Reaktion auf die einzeln angesteuerten Pixel kann die Flüssigkristallschicht 104 durch die Spannungsansteuerungssignale, die der unteren Elektrode 108 durch den elektrischen Controller 114 bereitgestellt werden, in eine Vielzahl von elektrischen Zuständen gesteuert werden.
Die Vorausrichtung der Flüssigkristallmaterialien innerhalb der Schicht 104 kann durch Ausrichtungsschichten 116 und 118 bereitgestellt werden. Diese Schichten 116 und 118 können eine Vielzahl von kleinen Rillen beinhalten, die entlang einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet ist, um die langsame Achse des Flüssigkristallmaterials zu definieren. In einigen Ausführungsformen bestehen die Ausrichtungsschichten 116 und 118 aus gebürstetem Polyimid.
Wie bereits erwähnt, beinhaltet der LCOS-Modulator 100 auch das diffraktive optische Element 120, das zwischen der ersten und zweiten Elektrode 106 und 108 angeordnet ist und sich seitlich über den räumlichen Lichtmodulator erstreckt. Wie in 2 am besten dargestellt, umfasst das diffraktive optische Element 120 ein Array von diffraktiven Formationen 122, die aus einem ersten Material 124 gebildet sind, das von einem oder mehreren anderen Materialien umgeben ist. Hier ist das erste Material 124 von einem zweiten und einem dritten Material 126 und 130 umgeben, bei denen es sich um dielektrische Materialien handelt, die einen niedrigen Brechungsindex aufweisen. Insbesondere weisen das zweite und dritte Material 126 und 130 einen niedrigeren Brechungsindex auf als das erste Material 124.
Wie weiter unten näher erläutert wird, erzeugt das Array diffraktiver Formationen 122 ein optisches Phasenprofil, das geeignet ist, die reflektierte Wellenfront des Lichts zu modifizieren und eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur vorzunehmen.
In den hierin beschriebenen Ausführungsformen kann das diffraktive optische Element 120 ein Sub-Wellenlängen-Gitter beinhalten. Als Sub-Wellenlängen-Gitter ist das Element 120 nicht in der Lage, Diffraktion höherer Ordnungen zu erzeugen.
In einigen Ausführungsformen sind die diffraktiven Formationen 122 metallische Schichten. In einigen Ausführungsformen bestehen die metallischen Schichten 122 aus Aluminium, und die umgebende Region 126 umfasst SiO2.
2 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei welcher das diffraktive optische Element 120 eine Hochkontrast-Gitterstruktur 128 umfasst, die auch ein Sub-Wellenlängen-Gitter ist. Als Hochkontrast-Gitter (high contrast grating - HCG) ist die Hochkontrast-Gitterstruktur 128 eine diffraktive Struktur, die aus Bändern mit einem hohen Index von n_H besteht, die von allen Seiten umgeben und mit einem oder mehreren Materialien mit niedrigem Index n_L1, n_L2 gefüllt ist,..., wobei die Periode p des Gitters in dem Bereich liegt, der λ/n_H< p <λ/n_L genügt, wobei λ die Wellenlänge des Lichts ist und n_L der Brechungsindex des umgebenden Materials 126 ist. Zum Beispiel, wenn λ=1550nm, und n_H=3.4, n_L=1.38, dann sollte die Periode im Bereich von 455 nm bis 1123 nm liegen. In diesem Periodenbereich werden alle von Null abweichenden diffraktive Ordnungen verhindert, während je nach Entwurf der Reflexionsgrad der Struktur erhöht werden kann.
In der in 2 veranschaulichten Ausführungsform umfasst die kontrastreiche Gitterstruktur 128 eine lokal periodische Ansammlung von diffraktiven Formationen 122 mit hohem Brechungsindex, die aus dem ersten Material 124 gebildet werden. Die diffraktiven Formationen mit hohem Brechungsindex 122 erstrecken sich in einer zweidimensionalen Ebene und sind mit einer räumlichen Periode verteilt, die über die zweidimensionale Ebene variiert. Diese diffraktiven Formationen 122 sind von einem zweiten Material 126 mit einem niedrigeren Brechungsindex als das erste Material 124 umgeben und über einer Schicht aus einem dritten Material 130 angeordnet, das ebenfalls einen niedrigeren Brechungsindex als das erste Material 124 aufweist. Insgesamt weist die Hochkontrast-Gitterstruktur 128 vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 500 nm bis 900 nm auf. In einer Ausführungsform weist die gesamte Hochkontrast-Gitterstruktur 128 eine Dicke von 600 nm auf.
Innerhalb des Hochkontrastgitters 128 können diffraktive Formationen mit hohem Index 122 aus amorphem Silizium (amSi) oder siliziumreichem Nitrid (SRN) gebildet sein, das einen Brechungsindex n im Bereich von 3,1 bis 3,4 aufweist. Allgemeiner ausgedrückt, weist das erste Material 124, das diffraktive Formationen 122 bildet, vorzugsweise einen Brechungsindex von über 3 auf.
Die diffraktiven Formationen 122 können eine Dicke im Bereich von 300 nm bis 500 nm aufweisen. Vorzugsweise beträgt die Dicke der diffraktiven Formationen 122 350 nm.
Die Niedrigindexschicht 130 wird aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex gebildet, das in der Anfangsphase der Herstellung der Struktur abgeschieden wird. Vorzugsweise besteht diese Niedrigindexschicht 130 aus Siliziumdioxid (SiO₂) mit einem Brechungsindex von 1,44. Die Niedrigindexschicht 130 kann auch ein anderes transparentes dielektrisches Material mit niedrigem Brechungsindex umfassen, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder Titanoxid (TiO₂).
Vorzugsweise weist die Niedrigindexschicht 130 eine Dicke von weniger als 300 nm auf. In einer Ausführungsform weist die Niedrigindexschicht 130 beispielsweise eine Dicke von etwa 150 nm auf.
Das umgebende Material 126 kann entweder SiO₂ mit einem Brechungsindex von 1,44, ein anderes transparentes dielektrisches Material mit niedrigem Brechungsindex oder ein Spinon-Glas (SOG) umfassen, das ein siliziumorganisches Polymer enthält. Zum Beispiel kann das Material 126 das von Honeywell Electronic Materials vertriebene Accuglass T14 Spin-on-Glass umfassen, das einen Brechungsindex n von 1,38 aufweist.
In einem besonderen Beispiel besteht das umgebende Material 126 vorzugsweise aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex, das durch Schleuderbeschichtung aufgebracht werden kann. Die Schleuderbeschichtung weist die vorteilhafte Eigenschaft auf, dass sie die Lücken zwischen den diffraktiven Formationen 122 ausfüllen und eine sehr dünne, stabile und homogene Gitterstruktur mit hohem Kontrast erzeugen kann, die dann in den räumlichen Modulator eingebaut werden kann. Obwohl das umgebende Material 126 vorzugsweise Accuglass T14 ist, kann es auch ein anderes geeignetes Material mit niedrigem Brechungsindex umfassen, das durch Schleudern beschichtet werden kann, wie z. B. Level-M10 oder PMMA. Bei dem umgebenden Material 126 kann es sich auch um dasselbe Material handeln, das für die Unterschicht 130 verwendet wird, und es kann auf andere Weise als durch Schleuderbeschichtung aufgebracht werden, um die Lücken zu füllen. Vorzugsweise ist der Brechungsindex der Materialien 126 und 130 beide kleiner als 1,65.
Die Dicken der diffraktiven Formationen 122 und/oder der Schichten aus Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex 124 und 126 des Hochkontrastgitters 128 können so hergestellt werden, dass sie seitlich über den LCOS-Modulator 100 variieren. In einigen Ausführungsformen variieren die Dicken der diffraktiven Formationen 122, weisen aber eine mittlere Dicke von 350 nm auf.
Die räumliche Periode der diffraktiven Formationen 122 variiert über die Struktur 128, und in einigen Ausführungsformen variiert die räumliche Periode der diffraktiven Formationen 122 in einem Bereich von 450 nm bis 950 nm. In einigen Ausführungsformen sind die diffraktiven Formationen 122 so angeordnet, dass das Array eine mittlere Periode bei oder um 700 nm aufweist (z. B. ± 5 %, 10%, etc.). Die maximale räumliche Periode p ist durch die Formel p<λ/n_L gegeben, wobei n_L der Brechungsindex des umgebenden Materials 126 ist.
Das Hochkontrastgitter 128 weist vorzugsweise ein mittleres räumliches Tastverhältnis von etwa 50 % auf. Das räumliche Tastverhältnis stellt das Verhältnis der Breite der diffraktiven Formationen 122 zur Breite der benachbarten Regionen des zweiten Materials 126 dar. Bei einem Tastverhältnis von 50 % sind die Breiten der diffraktiven Formationen 122 gleich groß wie die Regionen des Materials 126 mit niedrigerem Brechungsindex zwischen ihnen. Das Tastverhältnis kann jedoch höher oder niedriger als 50 % sein und kann für die diffraktive Formation 12 variieren. Das Ändern des Tastverhältnisses wirkt sich auf die Reflexionseffizienz des diffraktiven optischen Elements 120 aus.
Die HCG-Reflexionsleistung des Hochkontrastgitters 128 kann polarisationsabhängig sein, in diesem Fall muss die Ausrichtung des Gitters so entworfen werden, dass sie mit der beabsichtigten Polarisation des einfallenden Lichtfeldes übereinstimmt, das modifiziert werden soll. Unter bestimmten Umständen ist es möglich, das Hochkontrastgitter 128 so zu entwerfen, dass es eine polarisationsunabhängige Reflexionsverbesserung bewirkt.
Während der Herstellung des LCOS-Modulators 100 der 1 kann eine Reihe von Parametern des diffraktiven optischen Elements 120 definiert werden, um ein Phasenprofil bereitzustellen, das so konfigurierbar ist, dass es die reflektierte Wellenfront des Lichts modifiziert und eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur auf die einfallende Wellenfront des Lichts anwendet. Diese Parameter beinhalten:

- Die absolute oder mittlere Dicke der diffraktiven Formationen 122.
- Die absolute oder mittlere Breite der diffraktiven Formationen 122 in einer lateralen Dimension über den LCOS-Modulator 100.
- Die absolute oder mittlere räumliche Periode der diffraktiven Formationen 122 in einer seitlichen Dimension.
- Das absolute oder mittlere Tastverhältnis des Hochkontrastgitters 128.
- Die Brechungsindizes der diffraktiven Strukturen 122 und der umgebenden Regionen 126 und 130.
- Den Grad der Krümmung oder die Form von Gitterlinien (definiert durch Arrays diffraktiver Formationen 122), die eine Krümmung in einer lateralen Richtung über den LCOS-Modulator 100 aufweisen.

Durch Steuern der oben genannten Parameter kann ein Phasenprofil innerhalb des diffraktiven optischen Elements 120 definiert werden, welches eine vordefinierte positionsabhängige Wellenfrontkorrektur bereitstellt.
Beispiele für die Wellenfrontformung und -korrektur beinhalten sphärische oder zylindrische Linsen, zylindrische Linsen mit einer Änderung der Brennweite in der Querachse oder Mehrzonenfokussierungseffekte (z. B. Bildung eines ein- oder zweidimensionalen periodischen Linsen-Arrays). Die Wellenfront kann auch permanent gekippt werden.
Es versteht sich, dass Wellenfrontkorrekturfunktionen auch durch die aktive Steuerung des LCOS-basierten räumlichen Lichtmodulators 100 selbst erreicht werden können, aber die Anwendung solcher Funktionen nutzt dynamisch die vom räumlichen Lichtmodulator bereitgestellte Phase. Die maximale Phasenmenge, die angelegt werden kann, wird durch die maximale Spannung begrenzt, die bei einer bestimmten Zelldicke angelegt werden kann. Um eine wirksame Steuerung einzelner Pixel zu ermöglichen, ohne dass die Streufelder dominieren, wird die Zelldicke wiederum durch die Pixelgröße des räumlichen Lichtmodulators begrenzt. Als Richtwert gilt, dass die Zelldicke kleiner als die Pixelgröße sein sollte. Daher kann das Hinzufügen einer permanenten Phasenvorspannung zur Erzeugung von Operationen zur Wellenfrontkorrektur den LCOS-Modulator 100 als räumlichen Lichtmodulator für eine spezielle optische Funktion optimieren, wie etwa für eine Schaltmaschine für eine WSS-Vorrichtung in der Telekommunikation.
In einigen Ausführungsformen kann die Wellenfrontkorrektur das Bereitstellen eines positionsabhängigen Fokussierungseffekts für die einfallende Lichtwellenfront umfassen. Dieser positionsabhängige Fokussierungseffekt kann eine Phasenänderung ähnlich der einer Fresnellinse bewirken. Dies ist funktionell vergleichbar mit der Phasenverzögerung, die einer Wellenfront durch eine Volumenlinse auferlegt wird. Der positionsabhängige Fokussierungseffekt kann die Fokussierung oder Defokussierung mindestens eines Teils der einfallenden Wellenfront entlang einer optischen Achse einer WSS-Vorrichtung oder eines anderen Systems umfassen, in das der LCOS-Modulator 100 integriert ist.
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Draufsicht auf den LCOS-Modulator 100 veranschaulicht, die das 2D-Array von Pixeln 110 zeigt. Außerdem sind zwei Reihen 150 und 152 länglicher Wellenlängenkanäle (z. B. 154) dargestellt, die auf den LCOS-Modulator 100 einfallen. Wie veranschaulicht, werden bei Verwendung in einer WSS-Vorrichtung die verschiedenen Wellenlängenkanäle geformt und an unterschiedlichen räumlichen Stellen auf den LCOS-Modulator 100 gerichtet. Das zweidimensionale Array aus unabhängig voneinander elektrisch steuerbaren Pixeln ist in verschiedene vordefinierte räumliche Regionen unterteilt, um ein unabhängiges Schalten für jeden Wellenlängenkanal auszuführen. Das Phasenprofil des diffraktiven optischen Elements 120 kann so definiert werden, dass es eine lokale Fokussierung oder Defokussierung an bestimmten Stellen des Arrays bereitstellt, wie etwa an vorbestimmten Gruppen von Wellenlängenkanälen oder peripheren Regionen oder an verschiedenen WSS-Vorrichtungen, die auf denselben LCOS-Raumlichtmodulator gemultiplext sind.
Die Wellenfrontkorrektur kann auch das Bereitstellen eines positionsabhängigen Strahlsteuerungseffekts umfassen, um die Richtung von mindestens einem Teil der einfallenden Lichtwellenfront entlang einer optischen Achse einer WSS-Vorrichtung oder eines anderen Systems, in das der LCOS-Modulator 100 integriert ist, selektiv auszurichten. In einigen Ausführungsformen wird der Strahlsteuerungseffekt durch Anwendung einer Phasenrampenfunktion erzielt, die den Strahl in ähnlicher Weise steuert, wie die LCOS-Vorrichtung die Strahlsteuerung ausführt. In diesem Beispiel kann das diffraktive optische Element 120 der LCOS-Vorrichtung einen Teil der Lenkungslast abnehmen, da die Wellenfrontformung permanent angewendet werden kann (im Gegensatz zur dynamischen Umschaltung zwischen optischen Ausgaben).
Wiederum Bezug nehmend auf 3 kann das Phasenprofil des diffraktiven optischen Elements 120 so definiert werden, dass es eine lokale Strahlsteuerung an bestimmten Stellen bereitstellt, die vorbestimmten Gruppen von Wellenlängenkanälen oder peripheren Regionen des LCOS-Modulators 100 entsprechen. Die positionsabhängigen Fokussierungs- und Strahlsteuerungseffekte können in orthogonalen Dimensionen angewendet werden. Zum Beispiel können optische Strahlen in der x-Dimension fokussiert und in der y-Dimension gelenkt werden, wie in 1 veranschaulicht.
Im Betrieb in einer WSS-Vorrichtung definiert das diffraktive optische Element 120 eine Phasenoberfläche, die einem einfallenden optischen Strahl eine Phasenänderung in Abhängigkeit von der Position verleiht. In einigen Ausführungsformen ist diese Phasenänderung in Abhängigkeit von der Position so gestaltet, dass sie eine optische Linsenfunktion aufweist. Die Phasenoberfläche kann zunächst durch ein optisches Modell für eine bestimmte WSS definiert werden. Dieses optische Modell kann mit Hilfe einer Modellierungssoftware auf einem Computer simuliert werden. Aus dem Computermodell lässt sich ein entsprechendes physisches Profil des diffraktiven optischen Elements 120 ableiten, das anschließend hergestellt werden kann.
Die Wellenfrontformung und -korrektur erfolgt durch Krümmung der diffraktiven Formationen 122 des Hochkontrastgitters 128, sodass sich die Periode des Gitters in Abhängigkeit von der Position ändert. Ein Strahl, der von einem Gitter mit einer bestimmten Periode reflektiert wird, erhält eine Phasenverzögerung, die von der Periode abhängt, sodass, wenn sich die Periode über das Gitter hinweg räumlich ändert, die auf den Strahl angewandte Modifikation der Phase ihrerseits räumlich variiert.
Die lokale Phase, die von einem diffraktiven Element mit einer bestimmten lokalen Periode erzeugt wird, wird durch die Modellierung der komplexen Reflexion der diffraktiven Struktur unter Verwendung eines rigorosen gekoppelten Wellenmodells, wie es in dem Softwarepaket GD-Calc von KJ Innovation bereitgestellt wird, und durch die Extraktion der Phasenkomponente der Antwort gefunden. Entwurfsparameter der diffraktiven Struktur, die zur Steuerung des Bereichs der lokalen Phase verwendet werden können, beinhalten die Dicke und den Brechungsindex der diffraktiven Formationen 122, den Brechungsindex des umgebenden Materials 126 sowie die Dicke und den Brechungsindex der Niedrigindexschicht 130.
Nachdem ein Entwurf eines Gitters, der eine Phasenreaktion aufweist, die sich mit der Periode ändert, erhalten wurde, wird eine Zuordnung von Periode zu Phase berechnet. Die Periode p, die für die diffraktive Struktur erforderlich ist, um eine bestimmte Zielphase □ an einem räumlichen Ort (x,y) auf der LCOS-Oberfläche zu erzeugen, ergibt sich beispielsweise als p=AΦ²+BΦ+C, für die Konstanten A, B, C. Beliebige wellenfrontformende Phasenprofile werden der diffraktiven Struktur 120 aufgeprägt, indem die Periode an jedem Ort der angestrebten relativen Phase zugeordnet wird, die durch Modellierung der gewünschten Wellenfrontkorrektur mit einem Modellierungsprogramm wie Zemax ermittelt wird. Das Phasenprofil ist nicht polarisationsabhängig.
Beim Entwerfen eines HCG kann es auch wünschenswert sein, zusätzlich das Tastverhältnis bei Änderung der Periode zu variieren, um eine hohe Reflexionseffizienz zu erhalten.
Ein Gitterentwurf, der eine geeignete Phasenvariation bei Änderung der Periode aufweist, hat die folgenden Parameter: Die diffraktiven Formationen 122 umfassen Silizium mit einem Brechungsindex von 3,39 und einer Dicke von 350 nm. Die Niedrigindexschicht 130 umfasst SiO2, mit einem Brechungsindex von 1,44 und einer Dicke von 150 nm. Das umgebende Material 126 umfasst SOG mit einem Brechungsindex von 1,38 und verlängert sich um 50 bis 100 nm über die diffraktiven Formationen. Dieser Entwurf erzeugt Phasendifferenzen im Bereich von zwischen -180° und +180°, wenn die Periode zwischen 450 nm und 950 nm variiert wird, und behält über diesen Periodenbereich ein Reflexionsvermögen von mindestens 95 % für Licht bei, das parallel zu den diffraktiven Formationen 122 polarisiert ist.
Bezugnehmend auf 4 wird ein beispielhaftes Phasenoberflächenprofil veranschaulicht. Das Phasenoberflächenprofil ist dazu konfiguriert, einen variablen Fokussierungseffekt (Fokussierung der y-Achse des Strahls, wobei die Brennweite in der x-Achse variiert) der Vorrichtung (100; 1) zu erzeugen. Das Phasenprofil stellt die Phasenfrontkorrektur dar, die auf eine einfallende optische Wellenfront angewendet würde. Die gewünschte Phasenänderung kann anhand der oben genannten Gleichung der erforderlichen lokalen Periode des diffraktiven optischen Elements 120 zugeordnet werden. Zur weiteren Bezugnahme veranschaulicht 5 einen beispielhaften Graph der Phase gegenüber der Periode für ein gegebenes Hochkontrastgitter, der veranschaulicht, wie eine Phasenänderung der Periode zugeordnet wird.
6 veranschaulicht schematisch eine entsprechende Gitterstruktur, die einen Fokussierungseffekt erzeugt (Fokussierung der y-Achse des Strahls, wobei die Brennweite auf der x-Achse variiert). Diese Gitterstruktur kann für das hierin offenbare diffraktive optische Element verwendet werden. Wie veranschaulicht, beinhaltet die Gitterstruktur des diffraktiven optischen Elements 120 Gitterlinien (gebildet aus diffraktiven Formationen 122, die das Material mit höherem Brechungsindex 124 umfassen), die von links nach rechts divergieren, sodass die Periode auf der rechten Seite größer ist als auf der linken Seite. Obwohl sie fast wie gerade Linien aussehen, sind die diffraktiven Formationen 122 aufgrund der Divergenz von links nach rechts gekrümmt, und der Grad der Krümmung kann sich über den LCOS-Modulator 100 hinweg ändern.
Wie bereits erwähnt, besteht die Wirkung des durch das diffraktive optische Element 120 definierten Phasenprofils darin, eine Korrektur für wellenlängenabhängige optische Aberrationen in einem optischen System, wie in einer WSS-Vorrichtung, bereitzustellen. Nun Bezug nehmend auf die 7 und 8, wird eine schematische Darstellung einer WSS Vorrichtung 200 veranschaulicht. Die WSS-Vorrichtung 200 beinhaltet ein Array von Eingabefasern 202, ein Linsenpaar 204 und 206, ein Diffraktionsgitter 208 und eine LCOS-Vorrichtung 210. Das Linsenpaar 204 und 206 ist symmetrisch um das Diffraktionsgitter 208 angeordnet. Wie in 8 gezeigt, kann eine zusätzliche Schaltlinse 212 in der Schaltachse verwendet und neben dem Diffraktionsgitter 208 angeordnet werden.
In der in 7 dargestellten wellenlängendispersiven Achse werden die Strahlen am LCOS 210 durch die Dispersion des Diffraktionsgitters 208 und der Abbildungslinse 206 räumlich getrennt. Bei der in 8 dargestellten orthogonalen Schaltachse ist das optische System kollimiert ausgelegt. Es können vereinfachte optische Entwürfe verwendet werden, bei denen diese Kollimation nicht für alle Wellenlängen gleich ist. Solche Entwürfe erfordern Aberrationskorrekturen in dieser LCOS-Ebene, damit das Licht ohne unerwünschte Insertionsverluste zurück in die Ausgangsfasern gelangen kann.
In 8 veranschaulichen die gestrichelten Linien Strahlen, die aufgrund von Aberrationen im optischen System unter verschiedenen Winkeln gebrochen werden. Die Aberrationen können durch jede der Optiken im optischen System verursacht werden und können gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durch das LCOS 210 korrigiert werden.
Aufgrund der Strahlenteilung in der wellenlängendispersiven Achse kann jede Wellenlänge von verschiedenen Abschnitten des LCOS 210 adressiert werden. Durch eine geeignete Phasenanpassung am LCOS 210 kann jeder dieser Strahlen genau in die Faser zurückfokussiert werden, was den Gesamtverlust des Systems reduziert.
In einer herkömmlichen LCOS-Vorrichtung mit räumlichem Lichtmodulator könnte diese Phasenanpassung von den LCOS-Pixeln selbst vorgenommen werden, was jedoch die Phasensteuerung beeinträchtigt, die zum Ausführen von Schalten und Abschwächen für das WSS-System erforderlich ist. In der vorliegenden Offenbarung stellt das diffraktive optische Element (120; 1-2) im LCOS 210 eine festphasige Kinoform in der Backplane des LCOS 210 bereit, um eine positionsabhängige Fokussierung ohne Beeinträchtigung der für die Standardfunktionalität erforderlichen Phase zu ermöglichen.
In einigen optischen Systemen können mehrere WSS-Vorrichtungen eine einzige LCOS-Raumlichtmodulator-Vorrichtung (100; 1) nutzen, um das Umschalten zwischen Eingabe- und Ausgabeöffnungen auszuführen. In diesen Systemen werden die von den verschiedenen WSS-Vorrichtungen geschalteten Wellenlängenkanäle auf verschiedene Regionen der LCOS-Vorrichtung gerichtet. Zum Beispiel kann sich in 3 die Reihe 150 der Wellenlängenkanäle auf eine erste WSS-Vorrichtung und die Reihe 152 auf eine zweite WSS-Vorrichtung beziehen. Die verschiedenen räumlichen Regionen (z. B. diejenigen, die den beiden Reihen 150 und 152 entsprechen) sind dazu konfiguriert, verschiedene WSS-Vorrichtungen unabhängig voneinander zu steuern.
In diesen Systemen mit mehreren WSS-Vorrichtungen können verschiedene räumliche Segmente des diffraktiven optischen Elements 120, die den verschiedenen räumlichen Regionen entsprechen, so konfiguriert werden, dass auf jede räumliche Region und damit auf jede WSS-Vorrichtung ein eigenes und unabhängiges Phasenprofil angewendet wird. Bezug nehmend auf 9 wird ein weiteres beispielhaftes Phasenprofil veranschaulicht. Dieses Phasenprofil ist dazu konfiguriert, zwei Regionen der Fokussierung zu erzeugen (y-Achse fokussiert, variierend in der x-Achse, obere und untere Region unabhängig voneinander). Zur weiteren Bezugnahme veranschaulicht 10 schematisch eine entsprechende Gitterstruktur für ein diffraktives optisches Element 120, mit dem das Phasenprofil von 9 erreicht werden kann.
Wie zum Beispiel in 10 veranschaulicht, stellt eine obere Region 220 eine erste positionsabhängige Fokussierungswirkung bereit, während eine untere Region 222 eine zweite positionsabhängige Fokussierungswirkung bereitstellt. Beide Regionen 220, 222 beinhalten diffraktive Formationen 122 in Form von Linien, die von links nach rechts divergieren, sodass die Periode der Linien von links nach rechts zunimmt. Ein solches Zwei-Regionen-Profil kann verwendet werden, um eine unabhängige Fokussierungseinstellung für Strahlen von zwei verschiedenen WSS-Vorrichtungen bereitzustellen.
Neben der Fähigkeit des diffraktiven optischen Elements 120, eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur auf einen einfallenden Strahl anzuwenden, kann es auch so entworfen werden, dass es das Reflexionsvermögen des LCOS-Modulators 100 erhöht. Nun Bezug nehmend auf 11 ist dort ein Graph veranschaulicht, der Reflexion in Abhängigkeit von der Wellenlänge eines räumlichen Lichtmodulators, der ein diffraktives optisches Element für eine ausgewählte Polarisation enthält (gestrichelte Linie), und eines räumlichen Lichtmodulators, der kein diffraktives optisches Element enthält (durchgezogene Linie).
Dadurch kann die Reflexionseffizienz des LCOS-Modulators 100 im Vergleich zu der Effizienz ohne diffraktives optisches Element 120 erhöht werden.
Nachdem ein räumlicher Lichtmodulator, wie der oben gemäß der vorliegenden Offenbarung beschriebene LCOS-Modulator 100, bekannt ist, wird im Folgenden detailliert beschrieben, wie eine solche Vorrichtung durch ein Verfahren hergestellt werden kann.
Zunächst werden Schichten aus SiO₂ und amSi oder SRN in der erforderlichen Dicke auf einen elektronischen gepixelten Chip (der in 1 die untere Elektrode 108 bildet) aufgebracht. Als nächstes wird eine für die UV-Belichtung geeignete Master-Phasenmaske anhand eines Modells des erforderlichen Phasenprofils bestimmt, um eine bestimmte Wellenfrontformung zu erreichen. Die Master-Phasenmaske wird ausgelegt und hergestellt. Der beschichtete Chip wird ferner mit Fotolack und anderen für die Fotolithografie erforderlichen Chemikalien beschichtet. Der Chip wird dann mit UV-Licht belichtet, das durch die Phasenmaske hindurch abgebildet wird.
Nach der UV-Belichtung wird das unbelichtete Fotolackmaterial vorzugsweise entfernt, und dann wird die Schichtstruktur geätzt, um die diffraktiven Formationen 122 zu erzeugen. Der verbleibende Fotolack wird dann entfernt, um das diffraktive optische Element 120 freizulegen.
Anschließend wird eine dünne Schicht SOG über die geätzte Struktur geschleudert, um die geätzten Zwischenräume zu füllen und eine zusätzliche dünne Deckschicht aufzubringen. Die LCOS-Baugruppe wird dann nach dem üblichen Verfahren aufgebaut, wobei das diffraktive optische Element 120 darin integriert wird.
In dieser Beschreibung soll sich die Verwendung des Begriffs „optisch“ im Sinne von optischen Signalen, optischen Wellenlängen oder dergleichen auf elektromagnetische Strahlung in einem der sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Wellenlängenbereiche beziehen. In dieser Beschreibung bezeichnet der Begriff „Element“ entweder eine einzelne, einheitliche Komponente oder eine Sammlung von Komponenten, die zusammen eine bestimmte Funktion oder einen bestimmten Zweck ausführen. Darüber hinaus kann sich der Begriff „Controller“ oder „Prozessor“ auf eine Vorrichtung oder einen Abschnitt einer Vorrichtung beziehen, die elektronische Daten, z. B. aus Registern und/oder einem Speicher, verarbeitet, um diese elektronischen Daten in andere elektronische Daten umzuwandeln, die z. B. in Registern und/oder einem Speicher gespeichert werden können. Ein „Computer“ oder eine „Rechenmaschine“ oder eine „Rechenplattform“ kann einen oder mehrere Prozessoren beinhalten
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter und anderer Ausführungsformen soll den Umfang oder die Anwendbarkeit der von den Anmeldern erdachten erfinderischen Konzepte nicht begrenzen oder einschränken. Es versteht sich aus dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung, dass die oben beschriebenen Merkmale gemäß einer beliebigen Ausführungsform oder einem Aspekt des offenbarten Gegenstands entweder allein oder in Kombination mit jedem anderen beschriebenen Merkmal in jeder anderen Ausführungsform oder jedem anderen Aspekt des offenbarten Gegenstands genutzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0070326 A1 [0003, 0005]
US 2016/0291405 A1 [0004, 0005]

Claims

Ein räumlicher Lichtmodulator, umfassend: - ein Flüssigkristallmaterial; - erste und zweite Elektroden, die auf gegenüberliegenden Seiten des Flüssigkristallmaterials angeordnet sind und dazu konfiguriert sind, ein elektrisches Potential über das Flüssigkristallmaterial anzulegen, wobei die erste Elektrode mindestens teilweise transparent ist, um den Durchgang einer einfallenden Lichtwellenfront in das Flüssigkristallmaterial zu ermöglichen, wobei die zweite Elektrode reflektierend ist und in ein zweidimensionales Array von unabhängig elektrisch steuerbaren Pixeln unterteilt ist, die sich seitlich über den räumlichen Lichtmodulator erstrecken; und - ein diffraktives optisches Element, das zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist und sich seitlich über den räumlichen Lichtmodulator erstreckt, wobei das diffraktive optische Element ein Array diffraktiver Formationen aufweist, die aus Sub-Wellenlängen-Strukturen gebildet sind, - wobei das Array diffraktiver Formationen ein Phasenprofil definiert, wobei das Phasenprofil dazu konfiguriert ist, die einfallende Wellenfront des von der zweiten Elektrode reflektierten Lichts zu modifizieren, und dazu konfiguriert ist, eine positionsabhängige Wellenfrontkorrektur auf die einfallende Wellenfront des Lichts anzuwenden.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei die durch das Phasenprofil angewendete Wellenfrontkorrektur dazu konfiguriert ist, einen positionsabhängigen Fokussierungseffekt auf die einfallende Lichtwellenfront bereitzustellen.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 2, wobei der positionsabhängige Fokussierungseffekt dazu konfiguriert ist, mindestens einen Teil der einfallenden Lichtwellenfront zu fokussieren oder zu defokussieren.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 2, wobei die durch das Phasenprofil angewendete Wellenfrontkorrektur dazu konfiguriert ist, einen positionsabhängigen Strahlsteuerungseffekt bereitzustellen, um eine Richtung mindestens eines Teils der einfallenden Lichtwellenfront selektiv auszurichten.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 4, wobei die positionsabhängigen Fokussierungs- und Strahlsteuerungseffekte in orthogonalen Dimensionen angewendet werden.
Der räumlicher Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei das diffraktive optische Element eine Sub-Wellenlängen-Struktur umfasst.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei das diffraktive optische Element eine Hochkontrastgitterstruktur umfasst, die aus einem ersten Material besteht, das von einem oder mehreren zweiten Materialien umgeben ist, wobei das erste Material einen hohen Brechungsindex aufweist und das eine oder die mehreren zweiten Materialien einen niedrigeren Brechungsindex als das erste Material aufweisen.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei das erste Material Folgendes ist: ein Brechungsindex größer als 3, ein Brechungsindex im Bereich von 3,1 bis 3,4, amorphes Silizium oder siliziumreiches Nitrid.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei das zweite Material ein Spinon-Glasmaterial ist, das ein auf Organosilizium basierendes Polymer umfasst.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei die Hochkontrastgitterstruktur das Array diffraktiver Formationen umfasst, die sich in einer zweidimensionalen Ebene erstrecken, wobei die diffraktiven Formationen mit einer räumlichen Periode verteilt sind, die über die zweidimensionale Ebene variiert.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei: - das Hochkontrastgitter eine Periode aufweist, die seitlich über den räumlichen Lichtmodulator in einem Bereich von 450 nm bis 950 nm variiert; - das Hochkontrastgitter eine mittlere Periode von 700 nm aufweist; - das Hochkontrastgitter eine Dicke im Bereich von 500 nm bis 900 nm aufweist; oder - das Hochkontrastgitter ein mittleres Tastverhältnis von 50 % aufweist.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei die diffraktiven Formationen des Hochkontrastgitters einen hohen Index aufweisen und vollständig von einem oder mehreren dielektrischen Materialien mit niedrigerem Index umgeben sind.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei das Hochkontrastgitter ein Profil aus gekrümmten Gitterlinien beinhaltet, die eine Krümmung in einer seitlichen Richtung über den räumlichen Lichtmodulator aufweisen.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 7, wobei die Dicken des ersten Materials und des einen oder der mehreren zweiten Materialien des Hochkontrastgitters seitlich über den räumlichen Lichtmodulator variieren.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei der räumliche Lichtmodulator für die Verwendung in einem gegebenen wellenlängenselektiven Schalter (WSS) konfiguriert ist, der ein optisches Modell aufweist; und wobei das diffraktive optische Element eine Phasenoberfläche definiert, die dazu konfiguriert ist, eine permanente Phasenänderung als eine Funktion der Position zu vermitteln, wobei die Phasenoberfläche durch das optische Modell für den gegebenen WSS definiert ist.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei das diffraktive optische Element eine Phasenoberfläche definiert, die dazu konfiguriert ist, eine Phasenänderung als eine Funktion der Position zu vermitteln, wobei die Phasenänderung dazu konfiguriert ist, eine optische Linsenfunktion zu erzeugen.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei das zweidimensionale Array von unabhängig elektrisch steuerbaren Pixeln in verschiedene räumliche Regionen unterteilt ist, die dazu konfiguriert sind, ein unabhängiges Schalten auszuführen.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 17, wobei die verschiedenen räumlichen Regionen dazu konfiguriert sind, unabhängig verschiedene WSS-Vorrichtungen zu steuern.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 17, wobei verschiedene räumliche Segmente des diffraktiven optischen Elements den verschiedenen räumlichen Regionen entsprechen und wobei die verschiedenen räumlichen Segmente dazu konfiguriert sind, ein einzigartiges und unabhängiges Phasenprofil auf jede räumliche Region anzuwenden.
Der räumliche Lichtmodulator nach Anspruch 1, wobei eine Reflexionseffizienz des räumlichen Lichtmodulators, der das diffraktive optische Element aufweist, im Vergleich zu einer Effizienz des räumlichen Lichtmodulators ohne das diffraktive optische Element erhöht ist.
Ein wellenlängenselektiver Schalter, umfassend einen räumlichen Lichtmodulator gemäß Anspruch 1.