[发明专利]基于双层梳齿驱动MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS光调制器技术领域，具体涉及一种MEMS闪耀光栅光调制器和阵列。

背景技术

当光栅刻划成锯齿形状的线槽断面时，光能量集中于某一光谱级上。由此方向探测，可得到最大光谱强度，这种现象便称为闪耀，这种光栅就是闪耀光栅。在闪耀光栅中，起衍射作用的是一个光滑的平面，它与光栅表面有一夹角，称为闪耀角。闪耀光栅具有零级分光、衍射效率高的特性，所以它的研究就越来越受到人们的关注。闪耀光栅可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

传统的闪耀光栅其光器阵列一旦刻划完成，其光栅参数就固定了，光栅衍射角度也就不可调谐。而随着MEMS(微机电系统)器件和硅微加工技术的迅速发展，各种可调谐的闪耀光栅随之产生。这类器件相对于传统器件，具有可大批量制造、单位成本低、体积微小、方便灵活、性能可靠等优势，获得高速的发展和广泛的应用。它们通过调谐不同的光栅参数，达到改变衍射角度的目的。比如改变闪耀光栅常数（光栅条的间距）或闪耀光栅角度都可以达到调谐目的。典型的例子如西北工业大学提出的申请号为200910021322.3的中国发明专利中的周期可调微机械光栅就是通过调节光栅周期也就是光栅常数的方式。但是，调谐闪耀光栅常数的调制器，因为其光栅条宽固定，所以在调谐拉开光栅条间距的同时会产生较大的空隙，降低了衍射效率。另一类器件，通过调谐闪耀光栅角度可以得到更高的衍射效率。这类器件又分成两种类型：闪耀光栅阵列整体旋转型和闪耀光栅阵列中光栅条单独旋转型。但是，现有的这两类器件受限于MEMS加工工艺，其驱动方式大多采用静电驱动，如西北工业大学提出的申请号为201310019811.1的中国发明专利中的闪耀角可调微机械光栅和重庆大学提出的申请号为200510020184.9的中国发明专利中的悬臂梁式闪耀光栅光调制器的结构就是用静电驱动。由于静电驱动要求驱动电极和光栅面之间的间距较小才能以小于硅片击穿电压产生偏转效果，并且由于吸合现象使得这个间距只有约1/3左右的行程可用，所以光栅条转动角度都比较小，使得光调制器调谐能力受限。同时静电扭转光栅条的驱动方式施力点在光栅条正下方，容易造成光栅条在扭转时受应力影响而变形，降低衍射效率。而且静电下拉光栅条时，容易由于吸合现象的产生导致光栅条粘附到底面而产生失效。也有使用外加磁场或SMA（形状记忆合金）驱动的可调谐闪耀光栅，但驱动方式限制了其调谐频率（开关速度）不高。

发明内容

有鉴于此，为了解决上述问题，本发明提出一种双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅，改进了闪耀光栅的光学性能和闪耀光栅的机械性能，其加工采用体硅加工工艺，主要构成如下：

1.双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅：包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层，光栅通过弹性悬臂梁悬空支撑于绝缘层上方,主要由梳齿驱动（动齿、定齿）、光栅镜面、柔性梁、2个柱子、驱动电路组成。其中，光栅镜面与梳齿的动齿连接在一起，然后通过柔性梁与柱子连接，两个柱子固定在衬底表面，双层梳齿驱动由动齿和定齿组成，动齿交叉悬浮在定齿上方。

进一步，所述的动齿分布在柔性梁两侧，交叉悬浮在两侧各自的定齿上方，动齿和两侧各自的定齿上均分别装设电极，驱动电路在动齿和两侧定齿间交替施加电压，使得光栅面可以两面偏转。

进一步，双层梳齿驱动结构布局在中心的有效衍射光栅面两端，而且宽度小于光栅带宽。

实现前述双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器结构可以有很多不同加工工艺，其中一种推荐的加工工艺包括如下步骤：

1)用深槽反应离子刻蚀把掩膜板1覆盖的地方刻蚀成底部梳齿图形；

2)经过键合、器件层的研磨∕抛光、热氧化后，把硅衬底与顶部硅层连接起来形成SOI晶片；

3)用自对准掩膜板2刻蚀出顶部梳齿图形，并对步骤2）中得到的氧化层进行刻蚀；

4)用HF去除自对准掩膜板和氧化层。

5)顶层光栅镜面溅射蒸镀铝或者金作为反射面。

本发明还提供所述的双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器阵列，所述双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器阵列由至少2个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器并列而成，其中每一个双层梳齿驱动的MEMS大转角可动闪耀光栅光调制器均可在驱动电路控制下独立动作。