專利名稱：一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通訊和光學(xué)多路成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可調(diào)二維光 子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代國防的迅猛發(fā)展，越來越要求發(fā)展具有微型化、陣列 化及多功能化的光學(xué)器件與系統(tǒng)。例如，在光通訊，光學(xué)與電子學(xué)計(jì)算技術(shù)及 圖象處理等領(lǐng)域中，需要利用各種微光學(xué)器件以實(shí)現(xiàn)信息的并行傳輸與處理， 從而提高速度。在光計(jì)算、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及光學(xué)多路成像等系統(tǒng)中，常常要求 將一束入射光在輸出平面上形成一組光的陣列，且陣列中光強(qiáng)均勻分布，能夠 實(shí)現(xiàn)這種功能的裝置稱為光陣列發(fā)生器，光陣列發(fā)生器是非常重要的一個(gè)光學(xué)
元件。自1990年Lohmann和Thomas提出通過Talbot效應(yīng)產(chǎn)生亮暗有序的光 學(xué)照明陣列后，近些年來，人們利用Talbot效應(yīng)研制開發(fā)了多種光陣列發(fā)生 器，目前光陣列發(fā)生器主要有傅立葉全息圖、全息光學(xué)元件、自聚焦平面微透 鏡陣列和位相光柵，迄今常用的光陣列發(fā)生器是基于周期函數(shù)的分?jǐn)?shù)Talbot 效應(yīng)的位相光柵器件。這一新型微光學(xué)器件的發(fā)展在過去短短十幾年中對于科 學(xué)和技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮了不可替代的巨大作用。
目前，制作微光學(xué)陣列元件主要采用集成電路的微電子加工技術(shù)，在基片 表面實(shí)現(xiàn)三維浮雕結(jié)構(gòu)，這就需要同時(shí)控制平面圖形的精細(xì)尺寸和縱向深度， 因此與微電子加工技術(shù)相比，位相光柵陣列元件的制作難度更大，通常的制作 過程如下首先按實(shí)際要求(包括波長范圍、孔徑、焦距、分辨率等)理論設(shè)
計(jì)位相光柵微結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)確定器件表面的相位分布，然后按照位相 的表面臺階數(shù)，通過半導(dǎo)體集成電路制版等方法研制多個(gè)振幅型掩膜，將掩膜 覆蓋在涂有感光層材料的基片上，通過計(jì)算機(jī)控制的電子束、離子束或激光蝕 刻機(jī)，在基片上產(chǎn)生符合要求的表面臺階起伏，將所有掩膜曝光一遍，每次曝 光位置都要嚴(yán)格地定位與對準(zhǔn)，最終方可產(chǎn)生符合要求的位相光柵光陣列發(fā)生 器。從上述制備工藝技術(shù)方案中，可以看到微光學(xué)位相陣列元件主要是采用表 面三維浮雕結(jié)構(gòu)，需同時(shí)控制平面尺寸及縱向深度，其加工難度很大。另外， 一個(gè)最大的缺陷是一個(gè)位相光柵只能對應(yīng)一個(gè)特定的波長，難以實(shí)現(xiàn)基片透光 范圍內(nèi)任意波長的陣列發(fā)光。如果我們能找到一個(gè)優(yōu)良的基片材料，并能應(yīng)用 該基片的光學(xué)及電光性質(zhì)直接加工制作微光學(xué)陣列元件，將是一個(gè)具有劃時(shí)代 開拓創(chuàng)新和實(shí)際意義價(jià)值的研究。
周期極化光子微結(jié)構(gòu)晶體是一種具有周期變化的電極化率結(jié)構(gòu)的人工微 結(jié)構(gòu)晶體。這種特有的周期性光子微結(jié)構(gòu)在許多領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用，特別
是1998年Berger提出二維周期極化光子微結(jié)構(gòu)晶體的概念，這一結(jié)構(gòu)的提出 將一維周期極化光子微結(jié)構(gòu)擴(kuò)展到了二維尺度，使晶體結(jié)構(gòu)大為復(fù)雜化。利用 二維光子微結(jié)構(gòu)晶體實(shí)現(xiàn)光振幅純位相周期分布場是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性新近出 現(xiàn)的課題。大量研究表明，在鈮酸鋰晶體中摻入》5mol呢的MgO (氧化鎂)可以 增大材料的抗光損傷能力甚至消除抗光損傷，且最近我們研究發(fā)現(xiàn)，在鈮酸鋰 晶體中摻入6. 5,1%的Mg0不僅能極大的提高抗光損傷能力而且能降低晶體鐵 電疇極化反轉(zhuǎn)開關(guān)電場，制備出結(jié)構(gòu)均勻的光子微結(jié)構(gòu)晶體。
鑒于此，我們提出在摻鎂鈮酸鋰晶體基片上，利用成熟的半導(dǎo)體光刻技術(shù) 工藝，并采用背向反轉(zhuǎn)短脈沖極化電場技術(shù)，制作六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣 列。目前，六角陣列在多包層光纖、探測器陣列和光通訊中的光子延遲線等光 電子器件中廣泛應(yīng)用。由于摻鎂鈮酸鋰晶體電光性能較佳，因此通過在帶有二
維光子微結(jié)構(gòu)基片的士Z面上外加電場的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)在0 2ti之間位相的連 續(xù)改變，而且可以使摻鎂鈮酸鋰晶體透光范圍(5pm 320nm)內(nèi)的任意光波實(shí) 現(xiàn)位相周期分布場，同時(shí)并能根據(jù)實(shí)驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)精細(xì)調(diào)控位相分布，進(jìn)而獲得 均勻的光陣列強(qiáng)度分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法， 該方法應(yīng)用周期極化光子微結(jié)構(gòu)晶體，直接加工制作微光學(xué)陣列元件。本發(fā)明 克服目前使用常用的微光學(xué)陣列元件制作的位相陣列器，只能對應(yīng)一個(gè)特定的 波長，難以實(shí)現(xiàn)基片透光范圍內(nèi)任意波長的陣列發(fā)光，以及制作工藝難度大的 缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)方案是， 一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法，
所述制作方法包括下列順序執(zhí)行的步驟
步驟l:分析并數(shù)值模擬在不同Talbot距離的平面上，光波復(fù)振幅分布與 六角二維光子微結(jié)構(gòu)光陣列的復(fù)振幅分布，從理論上數(shù)值求解該六角二維光子
微結(jié)構(gòu)位相陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比"義/oy;
步驟2:基于步驟1對六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比的求解， 設(shè)計(jì)六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相掩模板；
步驟3:選擇介電體，該介電體是一種在生長過程中，長成沿Z方向自發(fā) 極化的鐵電單疇晶體，并且是摻雜摩爾比為6.5%的摻鎂鈮酸鋰，沿該介電體Z 方向切割，其厚度為0.5mm，上下表面平行且均被拋光，上下表面的法線方向
是沿晶體的自發(fā)極化方向；
步驟4:按照步驟2設(shè)計(jì)的掩模板結(jié)構(gòu)圖形參數(shù)值，利用電子束曝光技術(shù)，
制作出二維光子微結(jié)構(gòu)掩模板；
步驟5:采用光刻技術(shù)，在步驟3的雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚 lixm的光刻膠，經(jīng)曝光、顯影后得到二維微結(jié)構(gòu)步驟6:再在光刻膠上濺射一層厚為0. 1 u m的導(dǎo)電鋁層，在晶體上形成了 二維微結(jié)構(gòu)電極圖形；
步驟7:在室溫電場下，對晶片進(jìn)行短脈沖背向反轉(zhuǎn)電場極化；
步驟8:利用濺射技術(shù)將透明的氧化錫銦濺射到帶有二維光子微結(jié)構(gòu)晶體 的士Z面；
步驟9:針對摻鎂鈮酸鋰晶體透光范圍內(nèi)的任意光波，通過外加電場的調(diào) 控，實(shí)現(xiàn)衍射光束在0 2it之間位相的連續(xù)改變，達(dá)到近場衍射的光強(qiáng)均勻分布。
所述步驟2中，設(shè)計(jì)六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相掩模板，通過對陣列結(jié)構(gòu)的 優(yōu)化實(shí)現(xiàn)；方法是尋找一組參數(shù)最佳的W^oM和六角邊長A使陣列光斑點(diǎn)陣 像的光強(qiáng)、對比度和光場的均勻度均勻，衍射譜在-N到N級次內(nèi)，且衍射效 率要大于等于80%。
所述步驟7中，對晶片進(jìn)行短脈沖背向反轉(zhuǎn)電場極化，其方法是，在有電 極的疇區(qū)域，利用高壓脈沖電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場，從而使該電疇的自發(fā) 極化方向反向；無電極的疇區(qū)域，其電疇極化方向保持不變；在此過程，所加 高壓脈沖電場峰值電壓，要大于對應(yīng)于晶體厚度的矯頑場。
所述高壓脈沖電場的脈沖參數(shù)既要保證晶體電極表面有足夠的極化電荷； 又要保證晶體不會發(fā)生漏電現(xiàn)象。
本發(fā)明的效果是，通過使用摻鎂鈮酸鋰晶體，直接加工制作微光學(xué)陣列元 件，實(shí)現(xiàn)了晶體透光范圍內(nèi)任意波長的陣列發(fā)光，同時(shí)也使加工過程得到簡化。


圖1是可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法流程圖。
圖2是近場位相光學(xué)陣列照明實(shí)驗(yàn)光路簡圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實(shí)施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅 僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
圖l是可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法流程圖。圖1中，步 驟101分析并數(shù)值模擬在不同Talbot距離的平面上，光波復(fù)振幅分布與六角 二維光子微結(jié)構(gòu)光陣列的復(fù)振幅分布，從理論上數(shù)值求解該六角二維光子微 結(jié)構(gòu)位相陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比oVoy。根據(jù)光波可逆性原理，若按其位相的周 期分布制作成位相陣列，那么在光波的照明下，則將產(chǎn)生一個(gè)光振幅的陣列 像，這就為產(chǎn)生均勻的陣列光斑提供了一種新方法。因此，可以利用菲涅耳 衍射理論和二次位相因子的傅里葉變換理論，分析在平面波入射時(shí)二維光子 微結(jié)構(gòu)位相陣列產(chǎn)生高效均勻陣列光斑的Talbot效應(yīng)，針對微結(jié)構(gòu)陣列不同 調(diào)制電場的電光效應(yīng)，理論分析并數(shù)值模擬在不同Talbot距離的平面上光波 復(fù)振幅分布與六角二維光子微結(jié)構(gòu)光陣列的復(fù)振幅分布。因?yàn)?，六角陣列?多包層光纖、探測器陣列和光通訊中的光子延遲線等光電子器件中被廣泛應(yīng) 用，所以六角結(jié)構(gòu)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。另外，從理論上數(shù)值求解該二維光 子微結(jié)構(gòu)位相陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比&/辦。
圖1中，步驟102在步驟101的基礎(chǔ)上，對六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣 列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比的求解，設(shè)計(jì)六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相掩模板?；诶碚摲?析模擬的光振幅分布和六角二維光子微結(jié)構(gòu)參數(shù)比，設(shè)計(jì)六角二維光子微結(jié) 構(gòu)位相陣列。考慮該位相陣列是一個(gè)二維周期結(jié)構(gòu)，顯然，陣列器結(jié)構(gòu)由六 角圖形坐標(biāo){&, ^M和六角邊長7所決定，即陣列結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是要 尋找一組最佳的(Q^oW和六角邊長厶使陣列光斑點(diǎn)陣像的光強(qiáng)、對比度和 光場的均勻度均勻，衍射譜在-N到N級次內(nèi)，且衍射效率要大于等于80%，
從而獲得二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列分布圖。
圖1中，步驟103選擇介電體，該介電體要求是一種具有周期變化的電 極化率結(jié)構(gòu)的人工微結(jié)構(gòu)晶體。根據(jù)介電體的性質(zhì)，選擇一種在生長過程中， 長成沿Z方向自發(fā)極化的鐵電單疇晶體，并且是摻雜摩爾比為6. 5%的摻鎂鈮 酸鋰，沿該介電體Z方向切割，其厚度為0.5mm，上下表面平行且均被拋光， 上下表面的法線方向是沿晶體的自發(fā)極化方向。
圖1中，步驟104按照步驟102設(shè)計(jì)的掩模板結(jié)構(gòu)圖形參數(shù)值，利用電 子束曝光技術(shù)，制作出二維光子微結(jié)構(gòu)掩模板。
圖1中，步驟105采用光刻技術(shù)，在步驟103選擇的雙面拋光晶體+Z表 面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚1 " m的光刻膠，經(jīng)曝光、顯影后得到二維微結(jié)構(gòu)圖。
圖1中，步驟106再在光刻膠上濺射一層厚為0. 1 Pm的導(dǎo)電鋁層，在晶 體上形成了二維微結(jié)構(gòu)電極圖形。其他部分金屬在光刻膠上，因而與鈮酸鋰 +Z表面絕緣。
圖1中，步驟107在室溫電場下，對晶片進(jìn)行短脈沖背向反轉(zhuǎn)電場極化。 其方法是，在有電極的疇區(qū)域，利用高壓脈沖電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場， 從而使該電疇的自發(fā)極化方向反向；無電極的疇區(qū)域，其電疇極化方向保持 不變；在此過程，所加高壓脈沖電場峰值電壓，要大于對應(yīng)于晶體厚度的矯 頑場(4kV/mm)。所選脈沖參數(shù)與晶體電極表面積有關(guān)，表面積越大，由0= /S，dt，積累的極化電荷就越多。當(dāng)然電容就會增大，充電時(shí)間相應(yīng)的會增 加。為了保證能有足夠的極化電荷，但又不致于造成晶體漏電現(xiàn)象，所以要 在實(shí)驗(yàn)中把握好脈沖參數(shù)。
圖1中，步驟108利用成熟的濺射技術(shù)將透明的氧化錫銦濺射到帶有二 維光子微結(jié)構(gòu)晶體的士Z面。
圖1中，步驟109針對摻鎂鈮酸鋰晶體透光范圍內(nèi)的任意光波，通過外 加電場的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)衍射光束在CT2Jr之間位相的連續(xù)改變，達(dá)到近場衍射
的光強(qiáng)均勻分布。摻鎂鈮酸鋰晶體的透光范圍是5unT320nm，而且選取這個(gè) 材料是因?yàn)樗粌H透光范圍大，而且抗光損傷能力強(qiáng)，同時(shí)具有較低的極化 開關(guān)電場。只要輸入晶體透射范圍(5um 320mn)內(nèi)的任意光波，通過外加 電場的調(diào)控，就可以實(shí)現(xiàn)衍射光束在0 2:i之間位相的連續(xù)改變，最終使近 場衍射的光強(qiáng)均勻分布。其效果如圖2所示。圖2是近場位相光學(xué)陣列照明 實(shí)驗(yàn)光路簡圖。圖2中，光源201通過透鏡，發(fā)射5um 320nm內(nèi)的任意光波， 光波輸入本方法制作的晶體203，晶體203通過外加電場202調(diào)控，輸出到 顯微物鏡204，之后通過CCD級的照相機(jī)205捕獲，捕獲的光束實(shí)現(xiàn)在0 2兀 之間位相的連續(xù)改變，最終達(dá)到近場衍射的光強(qiáng)均勻分布。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可 輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明 的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法，所述制作方法包括下列順序執(zhí)行的步驟步驟1分析并數(shù)值模擬在不同Talbot距離的平面上，光波復(fù)振幅分布與六角二維光子微結(jié)構(gòu)光陣列的復(fù)振幅分布，從理論上數(shù)值求解該六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比dx/dy；步驟2基于步驟1對六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)比的求解，設(shè)計(jì)六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相掩模板；步驟3選擇介電體，該介電體是一種在生長過程中，長成沿Z方向自發(fā)極化的鐵電單疇晶體，并且是摻雜摩爾比為6.5％的摻鎂鈮酸鋰，沿該介電體Z方向切割，其厚度為0.5mm，上下表面平行且均被拋光，上下表面的法線方向是沿晶體的自發(fā)極化方向；步驟4按照步驟2設(shè)計(jì)的掩模板結(jié)構(gòu)圖形參數(shù)值，利用電子束曝光技術(shù)，制作出二維光子微結(jié)構(gòu)掩模板；步驟5采用光刻技術(shù)，在步驟3的雙面拋光晶體+Z表面旋轉(zhuǎn)涂覆一層厚1μm的光刻膠，經(jīng)曝光、顯影后得到二維微結(jié)構(gòu)圖；步驟6再在光刻膠上濺射一層厚為0.1μm的導(dǎo)電鋁層，在晶體上形成了二維微結(jié)構(gòu)電極圖形；步驟7在室溫電場下，對晶片進(jìn)行短脈沖背向反轉(zhuǎn)電場極化；步驟8利用濺射技術(shù)將透明的氧化錫銦濺射到帶有二維光子微結(jié)構(gòu)晶體的±Z面；步驟9針對摻鎂鈮酸鋰晶體透光范圍內(nèi)的任意光波，通過外加電場的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)衍射光束在0~2π之間位相的連續(xù)改變，達(dá)到近場衍射的光強(qiáng)均勻分布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法，其特征是所述步驟2中，設(shè)計(jì)六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相掩模板，通過對陣列結(jié)構(gòu) 的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)；方法是尋找一組參數(shù)最佳的W^fl^和六角邊長厶使陣列光斑點(diǎn)陣 像的光強(qiáng)、對比度和光場的均勻度均勻，衍射譜在-N到N級次內(nèi)，且衍射效率 要大于等于80%。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法， 其特征是所述步驟7中，對晶片進(jìn)行短脈沖背向反轉(zhuǎn)電場極化，其方法是，在有 電極的疇區(qū)域，利用高壓脈沖電場克服晶體內(nèi)部的矯頑場，從而使該電疇的自發(fā) 極化方向反向；無電極的疇區(qū)域，其電疇極化方向保持不變；在此過程，所加高 壓脈沖電場峰值電壓，要大于對應(yīng)于晶體厚度的矯頑場。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述對晶片進(jìn)行短脈沖背向反轉(zhuǎn)電場極化，其特征是所 述高壓脈沖電場的脈沖參數(shù)既要保證晶體電極表面有足夠的極化電荷；又要保證
全文摘要
本發(fā)明公開了光通訊和光學(xué)多路成像技術(shù)領(lǐng)域中一種可調(diào)二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列器的制作方法。技術(shù)方案是，在摻鎂鈮酸鋰晶體基片上，利用成熟的半導(dǎo)體光刻技術(shù)工藝，并采用背向反轉(zhuǎn)短脈沖極化電場技術(shù)，制作六角二維光子微結(jié)構(gòu)位相陣列。由于摻鎂鈮酸鋰晶體電光性能較佳，因此通過在帶有二維光子微結(jié)構(gòu)基片的±Z面上外加電場的調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)在0~2π之間位相的連續(xù)改變，而且可以使摻鎂鈮酸鋰晶體透光范圍(5μm~320nm)內(nèi)的任意光波實(shí)現(xiàn)位相周期分布場，最終使近場衍射的光強(qiáng)均勻分布。本發(fā)明通過使用摻鎂鈮酸鋰晶體，直接加工制作微光學(xué)陣列元件，實(shí)現(xiàn)了晶體透光范圍內(nèi)任意波長的陣列發(fā)光，同時(shí)也簡化了加工過程。
文檔編號G02F1/03GK101373282SQ200810223930
公開日2009年2月25日 申請日期2008年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
發(fā)明者波 周, 陳云琳 申請人:北京交通大學(xué)