專利名稱：電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)相位調(diào)制器，特別是一種采用電光效應(yīng)的波導(dǎo)型光學(xué)相位調(diào)制器列陣及其制備方法。該器件是光學(xué)相控陣的核心部件，屬于光學(xué)工程領(lǐng)域，主要應(yīng)用于需要使光束在空間高速掃描應(yīng)用的場(chǎng)合。
背景技術(shù)：
在激光光電子的許多應(yīng)用中，需要光束在空間掃描。傳統(tǒng)的方法是采用一個(gè)轉(zhuǎn)鏡或振鏡。這種采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方法所獲得的掃描速度和精度比較低。為了提高掃描速度，減小器件的體積和重量，適應(yīng)空間應(yīng)用的需要，人們正在對(duì)光學(xué)相控陣技術(shù)進(jìn)行深入的研究。光學(xué)相控陣是一種使光束波面的光相位產(chǎn)生周期性調(diào)制的光學(xué)器件。其基本原理如圖1所示。當(dāng)相位調(diào)制器列陣1的各個(gè)單元獲得一個(gè)在空間上線性分布的隨時(shí)間變化的相位時(shí)，將使光束波面在空間發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生光束掃描的效果。在這一技術(shù)中，沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，因此可以獲得很高的掃描速度。光學(xué)相控陣技術(shù)的關(guān)鍵是一個(gè)相位調(diào)制器列陣。人們已經(jīng)利用不同的材料和技術(shù)，演示了光學(xué)相控陣性能。
在先技術(shù)之一，(P.F.Mcmanamon，et.al.Proceedings of the IEEE，1996，Vol.84，No.2，pp268-298)采用液晶制作相位調(diào)制器列陣。它具有驅(qū)動(dòng)電壓低、列陣周期小(光束掃描角度大)等優(yōu)點(diǎn)，但是調(diào)制速度低、熱穩(wěn)定性差、工作波長(zhǎng)范圍受限制。在先技術(shù)之二，(E.Shekel，et.al.，LEOS2002，paper WA2)采用AlGaAs半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)材料作波導(dǎo)型相位調(diào)制器列陣，該結(jié)構(gòu)具有調(diào)制速度高，列陣周期小等優(yōu)點(diǎn)，但是光束耦合效率低，列陣尺寸規(guī)模小，光功率受限制，工作波長(zhǎng)范圍小。在先技術(shù)之三，(R.A.Meyer，APPLIED OPTICS，1972，Vol.11，No.3，pp613-616)采用電光晶體做相位調(diào)制器，它具有調(diào)制速度快等優(yōu)點(diǎn)，但存在工作電壓高、材料成本高等缺點(diǎn)。針對(duì)晶體材料價(jià)格高，體積小的問題，人們已經(jīng)和正在開發(fā)具有電光效應(yīng)的透明陶瓷材料。其中摻鑭鋯鈦酸鉛(PLZT)是一種倍受重視的材料。在先技術(shù)之四，(J.A.Thomas et.al.OPTICSLETTERS，1995，Vol.20，No.13，pp1510-1512)利用PLZT材料的橫向電光效應(yīng)制作相位調(diào)制器列陣1，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于利用橫向電光效應(yīng)，在光路上具有相位調(diào)制作用的距離很短，因此要求工作電壓很高。同時(shí)，由于采用了叉指電極的結(jié)構(gòu)，列陣每一個(gè)單元的尺寸比較大，因此光束偏轉(zhuǎn)的角度比較小。在先技術(shù)之五，(Q.W.Song et.al.，APPLIEDOPTICS，1996，Vol.35，No.17，pp3155-3162)采用PLZT材料的縱向電光效應(yīng)制作相位調(diào)制器列陣1，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)用透明電極施加電壓，在光路上的材料都具有電光效應(yīng)。但是，在該結(jié)構(gòu)中，電極的尺寸與光路的長(zhǎng)短也存在矛盾，即增大光路長(zhǎng)度時(shí)，必須增大電極線度，否則列陣單元之間的串?dāng)_會(huì)產(chǎn)生不利影響。因此列陣單元的尺寸不能降下來(lái)，以致光束偏轉(zhuǎn)的角度也比較小。同時(shí)，在采用PLZT的在先技術(shù)四和五中，PLZT都是以體塊材料的形式使用，因此工作電壓都比較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述在先技術(shù)的問題，本發(fā)明提出一種波導(dǎo)型電光材料相位調(diào)制器列陣及其制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣，特征在于其構(gòu)成自下而上依次是襯底、下電極、電光薄膜波導(dǎo)和上電極，所述的電光薄膜波導(dǎo)包括下包層、電光波導(dǎo)層和上包層，所述的上包層和電光波導(dǎo)層被多條直線形隔離溝隔成多條條形列陣結(jié)構(gòu)，所述的上電極呈多條條形電極結(jié)構(gòu)，所述的下電極為接地電極；所述的上電極的條形電極通過電極引線分別與驅(qū)動(dòng)電壓源相連，該驅(qū)動(dòng)電壓源再與計(jì)算機(jī)相連。
所述的隔離溝的深度自上電極、上包層、達(dá)電光波導(dǎo)層底部，但是不隔斷下電極。
所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)在襯底材料上生長(zhǎng)下電極材料，該襯底材料的基本要求是同電光波導(dǎo)材料具有良好的熱膨脹系數(shù)的匹配，所述的電極材料是以金、鉑為主的合金材料，或具有導(dǎo)電性的化合物材料；(2)在下電極材料上生長(zhǎng)下包層材料；(3)在下包層材料上制備電光波導(dǎo)材料，所述的下包層材料的折射率應(yīng)低于電光波導(dǎo)材料的折射率；(4)在電光波導(dǎo)材料上面生長(zhǎng)上包層材料，該上包層材料與下包層材料相同；(5)在上包層材料上生長(zhǎng)上電極材料，該上電極材料與下電極材料相同；(6)采用半導(dǎo)體器件平面工藝的光刻技術(shù)制備隔離溝，形成包括上電極在內(nèi)的多條條形列陣結(jié)構(gòu)；(7)在垂直于條形電極的方向切割成片子，該片子自下而上依次是襯底、下電極、下包層、電光波導(dǎo)層、上包層和上電極，所述的上電極具有多條條形列陣結(jié)構(gòu)，經(jīng)研磨并拋光切割端面，蒸鍍相應(yīng)波長(zhǎng)的增透膜；
(8)在上電極的各個(gè)條形電極上點(diǎn)焊電極引線，并完成列陣器件的封裝。
所述生長(zhǎng)的方法為真空蒸發(fā)方法、濺射方法、或溶膠—凝膠方法。
所述的電光波導(dǎo)材料是透明的電光陶瓷材料；采用溶膠—凝膠和燒結(jié)工藝制備，也可以用真空濺射和蒸發(fā)工藝制備。
所述的電光波導(dǎo)材料是電光晶體，采用芯片鍵合工藝與襯底和電極材料融合在一起，然后采用機(jī)械加工、拋光的工藝將晶體材料減薄到波導(dǎo)所需要的厚度。
本發(fā)明的相位調(diào)制器列陣的優(yōu)點(diǎn)是1、由于采用薄膜材料，減小了電極間距，在獲得相同電光效應(yīng)的要求下，工作電壓可以大大降低。
2、采用條形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，光束行進(jìn)方向與電極平行，相比在先技術(shù)，工作距離大為增加。因此在獲得相同相移的要求下，所需要的電光雙折射可以相應(yīng)地減小，從而也可大大降低工作電壓。
3、采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和工藝，在光束側(cè)向排列的列陣單元之間的間距可以大大減小，因而可以增加列陣密度，帶來(lái)增大光束掃描的角度范圍的好處。
4、采用電光陶瓷和電光晶體材料的電光雙折射效應(yīng)，與液晶和半導(dǎo)體材料相比，具有穩(wěn)定性好、調(diào)制速度快、工作波長(zhǎng)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是光學(xué)相控陣的基本原理；圖2是采用橫向電光效應(yīng)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3是采用縱向電光效應(yīng)結(jié)構(gòu)的示意圖；圖4是本發(fā)明的電光波導(dǎo)相位調(diào)制器列陣的基本結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是圖4部分結(jié)構(gòu)放大示意圖；
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖4和圖5，圖4是本發(fā)明的電光波導(dǎo)相位調(diào)制器列陣的基本結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是圖4部分結(jié)構(gòu)放大示意圖，由圖可見，本發(fā)明電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的構(gòu)成自下而上依次是襯底2、下電極3、電光薄膜波導(dǎo)1和上電極4，所述的電光薄膜波導(dǎo)1包括下包層11、電光波導(dǎo)層10和上包層12，所述的上包層12和電光波導(dǎo)層10被多條直線形隔離溝13隔成多條條形列陣結(jié)構(gòu)，所述的上電極4呈多條條形電極結(jié)構(gòu)，所述的下電極3為接地電極；所述的上電極4的條形電極通過電極引線41分別與驅(qū)動(dòng)電壓源5相連，該驅(qū)動(dòng)電壓源5再與計(jì)算機(jī)6相連。
所述的隔離溝13的深度自上電極4、上包層12、達(dá)電光波導(dǎo)層10底部，但是不隔斷下電極3。
所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的制備方法，包括下列步驟(1)在襯底材料上生長(zhǎng)下電極材料，該襯底材料的基本要求是同電光波導(dǎo)材料具有良好的熱膨脹系數(shù)的匹配，所述的電極材料是以金、鉑為主的合金材料，或具有導(dǎo)電性的化合物材料；(2)在下電極材料上生長(zhǎng)下包層材料；(3)在下包層材料上制備電光波導(dǎo)材料，所述的下包層材料的折射率應(yīng)低于電光波導(dǎo)材料的折射率；(4)在電光波導(dǎo)材料上面生長(zhǎng)上包層材料，該上包層材料與下包層材料相同；(5)在上包層材料上生長(zhǎng)上電極材料，該上電極材料與下電極材料相同；(6)采用半導(dǎo)體器件平面工藝的光刻技術(shù)制備隔離溝，形成包括上電極在內(nèi)的多條條形列陣結(jié)構(gòu)；
(7)在垂直于條形電極的方向切割成片子，該片子自下而上依次是襯底、下電極、下包層、電光波導(dǎo)層、上包層和上電極，所述的上電極具有多條條形列陣結(jié)構(gòu)，經(jīng)研磨并拋光切割端面，蒸鍍相應(yīng)波長(zhǎng)的增透膜；(8)在上電極的各個(gè)條形電極上點(diǎn)焊電極引線，并完成列陣器件的封裝。
所述生長(zhǎng)的方法為真空蒸發(fā)方法、濺射方法、或溶膠—凝膠方法。
所述的電光波導(dǎo)材料是透明的電光陶瓷材料；采用溶膠—凝膠和燒結(jié)工藝制備，也可以用真空濺射和蒸發(fā)工藝制備。
所述的電光波導(dǎo)材料是電光晶體，采用芯片鍵合工藝與襯底和電極材料融合在一起，然后采用機(jī)械加工、拋光的工藝將晶體材料減薄到波導(dǎo)所需要的厚度。
所述的隔離溝13采用半導(dǎo)體器件平面工藝的光刻方法來(lái)制備，在上電極4上制備多條形列陣結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同化學(xué)性質(zhì)的電光材料，要采用不同的光刻步驟和工藝。對(duì)于沒有腐蝕困難的材料可以采用常規(guī)光刻工藝實(shí)現(xiàn)。對(duì)于難以腐蝕的材料，可以采用圖形凸印(Imprinting)的工藝直接制備在尚未燒結(jié)的溶膠—凝膠材料上；也可以采用剝離技術(shù)(Lift-off)先制作光刻膠的圖形，再制備有關(guān)波導(dǎo)層的材料，然后用溶劑去除光刻膠，同時(shí)去除其上面的材料，留下需要的圖形；也可采用幾種不同工藝相結(jié)合的方法來(lái)制備。
本發(fā)明的電光波導(dǎo)相位調(diào)制器列陣的實(shí)施例1是采用摻鑭鋯鈦酸鉛(PLZT)材料制備。PLZT是一種集壓電、鐵電、電光、光致伸縮等特性于一體的鐵電透明陶瓷材料。它在可見和近紅外波段范圍內(nèi)都有很好的透明度。通過組分設(shè)計(jì)可以獲得線性電光系數(shù)優(yōu)于LiNbO3單晶十幾倍，或者具有很強(qiáng)的二次電光特性的PLZT透明材料。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)獲得PLZT材料的二次電光系數(shù)可達(dá)10-16～10-15m2/V2量級(jí)。利用其電控雙折射效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的相位、強(qiáng)度、偏振的控制。PLZT可以采用化學(xué)合成和高溫?zé)Y(jié)方法制備，獲得體塊材料，再作進(jìn)一步的加工。PLZT薄膜材料可以采用溶劑—凝膠技術(shù)制備，也可以采用真空濺射方法制備。
權(quán)利要求
1.一種電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣，特征在于其構(gòu)成自下而上依次是襯底(2)、下電極(3)、電光薄膜波導(dǎo)(1)和上電極(4)，所述的電光薄膜波導(dǎo)(1)包括下包層(11)、電光波導(dǎo)層(10)和上包層(12)，所述的上包層(12)和電光波導(dǎo)層(10)被多條直線形隔離溝(13)隔成多條條形列陣結(jié)構(gòu)，所述的上電極(4)呈多條條形電極，所述的下電極(3)為接地電極；所述的上電極(4)的條形電極通過電極引線(41)分別與驅(qū)動(dòng)電壓源(5)相連，該驅(qū)動(dòng)電壓源(5)再與計(jì)算機(jī)(6)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣，其特征在于所述的隔離溝(13)的深度自上電極(4)、上包層(12)、達(dá)電光波導(dǎo)層(10)底部，但是不隔斷下電極(3)。
3.權(quán)利要求1所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的制備方法，其特征在于包括下列步驟(1)在襯底材料上生長(zhǎng)下電極材料，該襯底材料的基本要求是同電光波導(dǎo)材料具有良好的熱膨脹系數(shù)的匹配，所述的電極材料是以金、鉑為主的合金材料，或具有導(dǎo)電性的化合物材料；(2)在下電極材料上生長(zhǎng)下包層材料；(3)在下包層材料上制備電光波導(dǎo)材料，所述的下包層材料的折射率應(yīng)低于電光波導(dǎo)材料的折射率；(4)在電光波導(dǎo)材料上面生長(zhǎng)上包層材料，該上包層材料與下包層材料相同；(5)在上包層材料上生長(zhǎng)上電極材料，該上電極材料與下電極材料相同；(6)采用半導(dǎo)體器件平面工藝的光刻技術(shù)制備隔離溝，形成包括上電極在內(nèi)的多條條形列陣結(jié)構(gòu)；(7)在垂直于條形電極的方向切割成片子，該片子自下而上依次是襯底、下電極、下包層、電光波導(dǎo)層、上包層和上電極，所述的上電極具有多條條形列陣結(jié)構(gòu)，經(jīng)研磨并拋光切割端面，蒸鍍相應(yīng)波長(zhǎng)的增透膜；(8)在上電極的各個(gè)條形電極上點(diǎn)焊電極引線，并完成列陣器件的封裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的制備方法，其特征在于所述生長(zhǎng)的方法為真空蒸發(fā)方法、濺射方法、或溶膠—凝膠方法。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的制備方法，其特征在于所述的電光波導(dǎo)材料是透明的電光陶瓷材料；采用溶膠—凝膠和燒結(jié)工藝制備，也可以用真空濺射和蒸發(fā)工藝制備。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的制備方法，其特征在于所述的電光波導(dǎo)材料是電光晶體，采用芯片鍵合工藝與襯底和電極材料融合在一起，然后采用機(jī)械加工、拋光的工藝將晶體材料減薄到波導(dǎo)所需要的厚度。
全文摘要
一種波導(dǎo)型電光材料相位調(diào)制器列陣及其制備方法，該電光波導(dǎo)光學(xué)相位調(diào)制器列陣的構(gòu)成自下而上依次是襯底、下電極、電光薄膜波導(dǎo)和上電極，所述的電光薄膜波導(dǎo)包括下包層、電光波導(dǎo)層和上包層，所述的上包層和電光波導(dǎo)層被多條直線形隔離溝隔成多條條形列陣結(jié)構(gòu)，所述的上電極呈多條條形電極結(jié)構(gòu)，所述的下電極為接地電極；所述的上電極的條形電極通過電極引線分別與驅(qū)動(dòng)電壓源相連，該驅(qū)動(dòng)電壓源再與計(jì)算機(jī)相連。其制備方法包括上述各層材料的生長(zhǎng)、光刻制備隔離溝、切割、端面研磨拋光、鍍?cè)鐾改?、點(diǎn)焊電極引線等步驟。
文檔編號(hào)G02F1/035GK1721919SQ20051002579
公開日2006年1月18日 申請(qǐng)日期2005年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月13日
發(fā)明者董作人, 方祖捷, 瞿榮輝, 劉峰, 葉青, 秦世博 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所