專利名稱：基于柔性支撐結構的光柵光調制器及陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光線調制裝置；更具體的說，本發(fā)明涉及一種基于柔性支撐結構 的光柵光調制器及陣列。
背景技術：
現(xiàn)有技術己經公開了多種可以單獨使用或與其他調制器一起使用的基于MEMS工 藝的光調制器，這些調制器包括數(shù)字式微反射鏡器件(DMD)及光柵光閥(GLV)等。
德州儀器公司的微反射鏡器件是由MEMS技術制造的上百萬個可偏轉的反射微鏡 構成的調制器。DMD微鏡的緊密間隙令投射的影像產生更細致的無縫畫面，分析力高。 但是DMD的缺陷在于，其復雜的多層結構導致制作過程復雜，良品率低下。該調制器 目前僅工作在用于顯示的可見光波段。
光柵光閥(GLV)是一種典型的微光機械系統(tǒng)，用于光開關或光衰減器等。GLV器件 是通過衍射效應對光束起開關和衰減的作用。當為該器件提供一個電壓時，可動帶狀 物將向基底移動，從而形成很好的衍射光柵。當偏移量為X/4時，經由不同帶狀物反 射的入射光束產生7t/2的相位差，因此在衍射圖象的一級得到最大光強；偏移量為零 時， 一級得到的光強也幾乎為零，這樣就達到光束調制的目的。較DMD而言GLV 響應速度更高，電路簡單，制造工藝簡單，良品率高。該調制器主要工作在用于顯示
的可見光波段和用于光譜探測的近紅外波段。
重慶大學黃尚廉等人提出了蟹形腿型光柵光調制器及陣列，該調制器克服DMD
工藝復雜的缺點以及GLV的有效衍射面積低，難以集成面陣等缺點，該調制器及陣 列可以工作在面向高清晰顯示的可見光波段。
美國Polychromix公司的可編程光柵，采用三層結構，保證了器件在工作狀態(tài)時 的有很高的表面平整，但三層MEMS結構導致了器件工藝復雜，而且驅動電壓較高。 該光調制器主要工作在用于近紅外光譜探測的近紅外波段。
針對以上光調制器目前僅適合工作在可見光和近紅外的局限性，本發(fā)明的光柵光 調制器采用柔性支撐結構，可以將工作波段擴展到中遠紅外波段。具有工作波長范圍 更廣泛，驅動電壓更低，加工工藝更簡單等優(yōu)點。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性支撐結構的光柵光調制器，該調制器基于可 調諧位相光柵衍射原理，通過柔性支撐結構的應用提高器件的平坦度，擴大器件的有 效衍射面積，降低器件的驅動電壓，適用于MEMS可動部件大量程的情況，如紅 外光譜儀，光通信等。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案如下
本發(fā)明提出的光調制器采用類似于GLV的衍射原理，對入射光進行相位調制， 用MOEMS技術制造微型器件，它是基于現(xiàn)有的IC工藝，在硅片上分層構造器件。
包括以下結構
一硅基底；
在硅基底之上沉積刻蝕形成的電極層和絕緣層，構成下層反射鏡；
利用犧牲層技術在下層反射鏡之上制成的柔性支撐結構和上層可動光柵，下層反 射鏡和上層可動光柵之間留有合適的空氣間隙；支撐上層可動光柵的柔性支撐結構一 端支撐在基底上的四個固定支撐立柱上，另一端連接在上層可動光柵的四個角上；所 述柔性支撐結構采用彈性系數(shù)比上層可動光柵所用材料大的材料制成，或采用減薄型 支撐結構，即使支撐結構在垂直方向的厚度要遠小于上層可動光柵在垂直方向的厚度 來達到柔性支撐作用；
上層可動光柵是在一反射面均勻刻蝕出鏤空矩形槽而形成，上層可動光柵上下兩 面均鍍有金屬層，上金屬層用于增強入射光的反射效率，下金屬層為電極層，與下層 反射鏡形成可動的電容極板；
一驅動電路，通過電極引出線連接上層可動光柵的電極層與下層反射鏡的電極 層，產生不同電平，不同頻率的驅動電壓。
本光柵光調制器的上層可動光柵和下層反射鏡之間的間距可變，在兩者之間施加 電壓Vn下層反射鏡和上層可動光柵之間間距為nV2，調制器反射光強取最大值； 施加電壓V2時，下層反射鏡和上層可動光柵之間間距為(2n-l)X/4，調制器反射光強幾 乎為零。通過施加交替電壓，就可以實現(xiàn)對光線的明暗調制。
使用多個這樣的光調制器形成陣列，每個光調制器都可以獨立施加偏置電壓，上 層反射光柵作垂直平動，形成線陣光調制器。
本光調制器及陣列的光線調制原理與光柵光閥類似,但其主要工作在波長較長的紅外波段。在施加電壓Vi時，即在"ON"態(tài)，可動平板同固定光柵的高度差為nX/2， 滿足入射光束光柵和平板反射得到的兩束光線在相位上相差2im，相遇干涉后光強集 中在衍射的零級；在施加偏壓V2后，即在"OFF"態(tài)，平板垂直向下的位移量為(2n-l)V4， 滿足經入射光經上層可動光柵及下層反射鏡得到的反射光束的相位差為(2n-l)Ti/2 ,衍 射光強在零級處幾乎為零。通過施加交替電壓，從而實現(xiàn)對紅外入射光的能量調制。 本發(fā)明由于其簡單的雙層結構，完全可以用通用的IC表面加工工藝實現(xiàn)，具有 工藝簡單的特點。由于本發(fā)明中的支撐結構為柔性結構(柔性材料或是減薄型結構)， 使可動光柵在下移過程中平坦度增大，提高了器件的光學衍射效率。柔性材料和減薄 型結構的使用，有效地降低了器件的驅動電壓，使器件能夠用于便攜儀器中如投影 儀、紅外光譜儀等。器件的封裝采用的是紅外透射材料封裝，因此特別有利于紅外光 的應用如紅外光譜儀、紅外探測儀等。這種光調制器可廣泛用于光譜儀，投影顯示， 光通信等上。
本發(fā)明的優(yōu)點
1, 柔性支撐結構的應用，使得驅動光柵光調制器上層可動光柵下拉相同高度所 需要的電壓變小，從而降低了驅動電路的復雜性，非常適合在微小型化的紅外光譜分 析系統(tǒng)中使用。
2、 柔性支撐結構的應用，增加了能夠被調制的入射光波長范圍，降低了驅動電
壓，增加了有效光學面積。
2，柔性支撐結構的應用，使得上層可動光柵處于下拉狀態(tài)時的平坦度增加，從 而增加了器件的光學效率及開關系數(shù)，提高了器件的光學調制效果。
3，柔性支撐結構的應用，在施加相同驅動電壓的情況下，增加了器件的有效工 作行程，使得器件可以對波長更長的紅外波段進行調制。
4，由靜電力帶動做垂直上下運動，而不是微鏡結構的左右偏轉，其加工工藝簡 單，機械穩(wěn)定性高。
該調制器可用于光譜分析，光通信，自適應光學等領域。


圖1:未施加電壓時的基于柔性支撐結構的光柵光調制器單個像素的正視圖 圖2:施加電壓時的基于柔性支撐結構的光柵光調制器的單個像素正視3:基于柔性支撐結構的光柵光調制器的單個像素俯視圖 圖4:基于柔性支撐結構的光柵光調制器線陣示意圖 圖5:采用紅外透射材料封裝的光柵光調制器線陣示意圖 圖6:光調制器衍射能量分布示意圖
其中l(wèi)為上層可動光柵，2為柔性支撐結構，3為下層反射鏡，4為固定支撐柱，
5為基底，6為光柵光調制器線陣，7為紅外透射封裝材料，ll為上金屬層，12為上 層可動光柵主體，13為電極層，31為絕緣層，32為下反射鏡電極層。
具體實施例方式
參見圖l、圖2和圖3，本基于柔性支撐結構的光柵光調制器的單個像素的結構 組成包括上層可動光柵l，下層反射鏡3，柔性支撐結構2，固定支撐柱4，基底5等。 其制作方式如下-
利用過氧化技術先在硅基底5上淀積一金屬層，形成下反射鏡電極層32，然后在 上面沉積一層二氧化硅起到絕緣作用；
再利用犧牲層技術，制成柔性支撐結構2及上層可動光柵1。下層反射鏡3和上 層可動光柵1之間留有合適的空氣間隙。支撐上層可動光柵1的柔性支撐結構2 —端 支撐在基底上的四個固定支撐立柱4上，另一端連接在上層可動光柵l的四個角上。 上層可動光柵1是在一反射面上均勻刻蝕出鏤空矩形槽而形成，上層可動光柵1上下 兩面均鍍有金屬層，上金屬層11用于增強入射光的反射效率，下金屬層為電極層13， 與下反射鏡電極層32之間形成可動的電容式極板。柔性支撐結構2可選用彈性系數(shù) 比上層可動光柵大得多的材料來制作，也可以在使用相同材料的條件下，采用厚度比 上層可動光柵小很多的減薄型支撐結構。
上述光柵光調制器是通過上層可動光柵的上下運動，使得入射光經光柵衍射后在 不同的得到不同的光強分布。調制器為開態(tài)，即上層可動光柵與下層反射鏡的高度差
為時，滿足入射光經光柵和下層反射鏡反射得到的兩束光在相位上相差7C，相遇干
涉后的光強集中在零級；施加一定的電壓使得調制器為關態(tài)，上層可動光柵與下層反 射鏡的距離為V4時，經兩者反射得到的相位差為兀/2，這樣得到的衍射光強，在零級 處幾乎為零。這兩種狀態(tài)的衍射效率分布參見圖6。
使用多個這樣的光調制器即可形成圖4所示的陣列，每個光調制器都可以獨立施
6加偏置電壓，上層反射光柵作垂直平動，形成線陣光調制器。這種按陣列布置的光柵 光調制器線陣6可采用紅外透射材料7封裝，如圖5所示。
那些只要在本領域的技術人員閱讀了本公開文件后才變得一目了然的改進和修 改，仍然屬于本申請的精神和范疇。
權利要求
1、一種基于柔性支撐結構的光柵光調制器，其特征在于它包括a. 硅基底；b. 在硅基底之上沉積刻蝕形成的電極層和絕緣層，構成下層反射鏡；c. 利用犧牲層技術在下層反射鏡之上制成的柔性支撐結構和上層可動光柵，下層反射鏡和上層可動光柵之間留有合適的空氣間隙；支撐上層可動光柵的柔性支撐結構一端支撐在硅基底上的四個固定支撐立柱上，另一端連接在上層可動光柵的四個角上；所述柔性支撐結構采用彈性系數(shù)比上層可動光柵所用材料大的材料制成，或采用減薄型支撐結構，即使支撐結構在垂直方向的厚度要遠小于上層可動光柵在垂直方向的厚度來達到柔性支撐作用；d. 上層可動光柵上下兩面均鍍有金屬層，上金屬層用于增強入射光的反射效率，下金屬層為電極層，與下層反射鏡形成可動的電容極板；e. 驅動電路，通過電極引出線連接上層可動光柵的電極層與下層反射鏡的電極層，產生不同電平、不同頻率的驅動電壓；在上層可動光柵的電極層與下層反射鏡的電極層之間施加電壓V1，下層反射鏡和上層可動光柵之間間距為nλ/2，調制器反射光強取最大值；施加電壓V2時，下層反射鏡和上層可動光柵之間間距為(2n-1)λ/4，調制器反射光強幾乎為零；其中λ表示入射光的波長。
2、 采用權利要求1所述的基于柔性支撐結構的光柵光調制器形成的光柵光調制器線 陣，其特征在于使用多個權利要求l所述的光調制器形成陣列，每個光調制器獨立 施加偏置電壓，上層反射光柵作垂直平動，形成光柵光調制器線陣。
3、 根據(jù)權利要求2所述的光柵光調制器線陣，其特征在于所述按陣列布置的光柵 光調制器采用紅外透射材料封裝。
全文摘要
一種基于柔性支撐結構的光柵光調制器及線陣，光調制器包括基底，電極層和絕緣層構成的下層反射鏡，上層可動光柵和用于支撐上層可動光柵的柔性支撐結構。上層可動光柵與下層反射鏡之間的間隙為空氣間隙。通過給光調制器施加不同的電壓，當上層可動光柵與下層反射鏡間的距離為四分之一波長的奇數(shù)倍時，光柵光調制器處于衍射態(tài)，即把入射光的能量轉移到衍射光的正負一級等高階級次上；當上層可動光柵與下層反射鏡的距離為半波長的整數(shù)倍時，光柵光調制器處于反射態(tài)，即把入射光的能量轉移到零級反射光上，通過施加交替電壓實現(xiàn)對出射光的明暗調制。本調制器增加了能夠被調制器光的波長范圍，降低了驅動電壓，增加了有效光學面積。
文檔編號G02B26/08GK101498837SQ20091010338
公開日2009年8月5日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權日2009年3月13日
發(fā)明者潔 張, 永 朱, 寧 王, 陳偉民, 瑋 韋 申請人:重慶大學