[发明专利]基于柔性支撑结构的光栅光调制器及阵列

说明书

技术领域

本发明涉及一种光线调制装置；更具体的说，本发明涉及一种基于柔性支撑结构的光栅光调制器及阵列。

背景技术

现有技术已经公开了多种可以单独使用或与其他调制器一起使用的基于MEMS工艺的光调制器，这些调制器包括数字式微反射镜器件(DMD)及光栅光阀(GLV)等。

德州仪器公司的微反射镜器件是由MEMS技术制造的上百万个可偏转的反射微镜构成的调制器。DMD微镜的紧密间隙令投射的影像产生更细致的无缝画面，分析力高。但是DMD的缺陷在于，其复杂的多层结构导致制作过程复杂，良品率低下。该调制器目前仅工作在用于显示的可见光波段。

光栅光阀(GLV)是一种典型的微光机械系统，用于光开关或光衰减器等。GLV器件是通过衍射效应对光束起开关和衰减的作用。当为该器件提供一个电压时，可动带状物将向基底移动，从而形成很好的衍射光栅。当偏移量为λ/4时，经由不同带状物反射的入射光束产生π/2的相位差，因此在衍射图象的一级得到最大光强；偏移量为零时，一级得到的光强也几乎为零，这样就达到光束调制的目的。较DMD而言GLV响应速度更高，电路简单，制造工艺简单，良品率高。该调制器主要工作在用于显示的可见光波段和用于光谱探测的近红外波段。

重庆大学黄尚廉等人提出了蟹形腿型光栅光调制器及阵列，该调制器克服DMD工艺复杂的缺点以及GLV的有效衍射面积低，难以集成面阵等缺点，该调制器及阵列可以工作在面向高清晰显示的可见光波段。

美国Polychromix公司的可编程光栅，采用三层结构，保证了器件在工作状态时的有很高的表面平整，但三层MEMS结构导致了器件工艺复杂，而且驱动电压较高。该光调制器主要工作在用于近红外光谱探测的近红外波段。

针对以上光调制器目前仅适合工作在可见光和近红外的局限性，本发明的光栅光调制器采用柔性支撑结构，可以将工作波段扩展到中远红外波段。具有工作波长范围更广泛，驱动电压更低，加工工艺更简单等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于柔性支撑结构的光栅光调制器，该调制器基于可调谐位相光栅衍射原理，通过柔性支撑结构的应用提高器件的平坦度，扩大器件的有效衍射面积，降低器件的驱动电压，适用于MEMS可动部件大量程的情况，如：红外光谱仪，光通信等。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的光调制器采用类似于GLV的衍射原理，对入射光进行相位调制，用MOEMS技术制造微型器件，它是基于现有的IC工艺，在硅片上分层构造器件。包括以下结构：

一硅基底；

在硅基底之上沉积刻蚀形成的电极层和绝缘层，构成下层反射镜；

利用牺牲层技术在下层反射镜之上制成的柔性支撑结构和上层可动光栅，下层反射镜和上层可动光栅之间留有合适的空气间隙；支撑上层可动光栅的柔性支撑结构一端支撑在基底上的四个固定支撑立柱上，另一端连接在上层可动光栅的四个角上；所述柔性支撑结构采用弹性系数比上层可动光栅所用材料大的材料制成，或采用减薄型支撑结构，即使支撑结构在垂直方向的厚度要远小于上层可动光栅在垂直方向的厚度来达到柔性支撑作用；

上层可动光栅是在一反射面均匀刻蚀出镂空矩形槽而形成，上层可动光栅上下两面均镀有金属层，上金属层用于增强入射光的反射效率，下金属层为电极层，与下层反射镜形成可动的电容极板；

一驱动电路，通过电极引出线连接上层可动光栅的电极层与下层反射镜的电极层，产生不同电平，不同频率的驱动电压。

本光栅光调制器的上层可动光栅和下层反射镜之间的间距可变，在两者之间施加电压V₁，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为nλ/2，调制器反射光强取最大值；施加电压V₂时，下层反射镜和上层可动光栅之间间距为(2n-1)λ/4，调制器反射光强几乎为零。通过施加交替电压，就可以实现对光线的明暗调制。

使用多个这样的光调制器形成阵列，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，上层反射光栅作垂直平动，形成线阵光调制器。