CN100362387C - 静电简支梁式干涉光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种静电简支梁式干涉光调制器，主要由衬底、控制电路、下电极层、简支梁、可动反射镜以及固定玻璃平板构成。在衬底上形成有下电极层和控制电路，下电极层与控制电路各单元电极控制端接触；在下电极层上淀积绝缘层，绝缘层之上形成有简支梁及支撑锚，支撑锚上支撑可动反射镜阵列，可动反射镜阵列与下电极层构成间距可变的平行平板电容器，可动反射镜阵列上方覆盖有固定玻璃平板，固定玻璃平板与可动反射镜之间留有一定的间距。简支梁采用类机翼形状，可减少地形效应，增加可动反射镜表面平整度。本调制器通过可动反射镜在静电力的作用下发生上下垂直运动对入射光的相位调制，实现光的开关态。本光栅光调制器具有响应速度快、面阵结构、结构简单，器件加工工艺简单等优点。

Description

静电简支梁式干涉光调制器

技术领域

本发明涉及一种空间光调制器件，更具体的说，本发明是一种通过静电驱动改变玻璃平板与可动反射镜之间距离，使得入射光通过时光程差发生变化，利用光的干涉原理实现对入射光调制的静电干涉光调制器。

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。

DMD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。DMI)成像器件的总出光效率大大提高，调制速度快，对比度、亮度和均匀性都非常出色，微镜的紧密间隙令投射的影像产生更细致的无缝画面，分析力特别高。但它仍存在制作过程复杂，良品率低的缺点。

GLV是一系列间隔可动的栅条构成，它是利用光栅衍射原理实现光信号调制，其制造工艺简单，响应速度更快，控制电路简单，成品率高。它的缺点是：较难保证构成光栅的栅条处于同一平面内；栅条之间的间隙影响衍射效率；可动光栅上真正有效面积太小，因此单个像素面积大，使得GLV只适合做线阵，须加光学扫描机构才能用于光学成像***。

发明内容

为了克服DMD工艺复杂的缺点以及GLV的有效面积低、难以集成为面阵的缺点，本发明的目的在于提供一种静电简支梁式干涉光调制器，简支梁采用类机翼形状，可减少地形效应，增加可动反射镜表面平整度。采用光的干涉原理对入射光进行调制，使器件的工艺制作简单，良品率高，调制速度快，光学有效利用面积大。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明公开一种静电简支梁式干涉光调制器，它主要包括如下结构：

1、衬底；

2、制造在衬底上的控制电路；

3、在衬底上形成的下电极层，下电极层与控制电路各单元电极控制端接触；

4、淀积在下电极层之上的绝缘层；

5、在绝缘层之上形成的简支梁及支撑锚，简支梁采用类机翼形状；

6、被连接支撑在支撑锚上的可动反射镜阵列，可动反射镜阵列与下电极层构成间距可变的空气腔，各可动反射镜通过简支梁之间的连接形成上电极，并公共接地，一个可动反射镜对应光调制器阵列的一个像素，每个可动反射镜对应形成的光调制器单元都可独立施加偏置电压，使得可动反射镜作上下垂直运动，构成相位可变的平板干涉器件，形成不同干涉效果的点阵；

7、通过键合方式覆盖在所有可动反射镜上方的固定玻璃平板，固定玻璃平板的四个角支撑在衬底上，固定玻璃平板与可动反射镜之间留有一定的间距，固定玻璃平板下表面与可动反射镜之间的间距应满足使得入射光通过后囱固定玻璃平板表面反射光和通过可动反射镜反射再经固定玻璃平板投射光之间的相位差为nπ(n＝1，3，5......)，固定玻璃平板上下表面镀膜来实现有效的透射和反射。

所述的固定平板玻璃与可动反射镜之间距离可通过下电极电压变化发生改变，在两者之间不加电压时与加偏置电压V时，入射光经过时将形成相位差为π。

本光调制器采用静电驱动，其工作原理是：当入射光入射到器件表面时在玻璃平板表面发生反射，同时透射光经玻璃平板后入射到可动反射镜，经过玻璃平板后与反射光产生一定的相位差，相位差大小由玻璃平板和可动反射面之间的距离决定，当相位差为零时，光束发生干涉相长，经透镜后形成亮点，而相位差为π时，光束发生干涉相消，经透镜后形成暗点，从而实现对入射光进行相位调制。

本光调制器件可采用MEMS技术制造，它与现有的IC工艺是兼容的，在硅片上分层构造器件。

本发明的优点是：器件为二维阵列，用于图像显示时无需加光学扫描机构，因此简化了光学***，由于其简单的双层结构，结构简单、良品率高，完全可以用通用的IC表面加工工艺实现，解决了DMD工艺复杂，良品率低的问题，同时采用静电驱动可动反射镜，调制速度快，同时光学有效利用面积相比GLV有较大提高；采用的简支梁结构，采用了类机翼的结构，提高了可动反射镜的平行度。

本调制器可广泛用于高清晰度数字电视、投影显示、打印机、光通讯、光谱仪上。

附图说明

图1：静电简支梁式干涉光调制器结构图

图2：去掉固定玻璃平板后的静电简支梁式干涉光调制器的局部结构图

图3：去掉固定玻璃平板后的静电简支梁式干涉光调制器的单元结构图

图4：在图3基础上去掉可动反射镜后的结构图

图5A和图5B：静电简支梁式干涉光调制器单像素在不同工作状态下的剖面图

图6：光束斜入射时，静电简支梁式干涉光调制器基于剪切干涉光学原理图

图7：光束正入射时，静电简支梁式干涉光调制器基于剪切干涉光学原理图

图中，1基底；2下电极层；3绝缘层；4简支梁与下电极的间隙；5简支梁；6支撑锚；7可动反射镜；8固定玻璃平板

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：

参见图1、图3和图4，本调制器的制作过程如下：在衬底1上制造控制电路，在其上溅射金属并光刻形成下电极层2，下电极层2与控制电路各单元电极控制端接触，淀积一定厚度的绝缘层3，溅射金属铝形成类机翼形状的简支梁5以及支撑锚6，再在支撑锚上淀积形成可动反射镜7，最后将在下表面镀有半透膜的固定玻璃平板8(又可叫固定反射镜)通过键合的方式覆盖在可动反射镜7上方，固定玻璃平板8的四个角支撑在衬底1上，固定玻璃平板8下表面与可动反射镜7间距使得入射光通过后从固定玻璃平板表面反射光和通过可动反射镜反射再经固定玻璃平板透射光之间相位差为π。

通过图2可见，每个可动反射镜7对应器件的一个象素，所有的可动反射镜7通过简支梁5之间的连接形成整体作为公共的上电极，但各可动反射镜7可实现独立上下运动，控制该像素的明暗态。

图5A和图5B是器件在不同工作状态下的可动反射镜7的位置变化情况，图中，h₁是静电简支梁式干涉光调制器单像素在暗态是固定玻璃平板和可动反射镜之间的距离；h₂是静电简支梁式干涉光调制器单像素在亮态是固定玻璃平板和可动反射镜之间的距离；V是驱动可动反射镜运动的电压。当下电极不施加电压时，入射光垂直入射到器件阵列，由于从固定玻璃平板8上反射的光和从可动反射镜7上反射的光具有奇数倍半波长的光程差，即相位差为nπ(n＝1，3，5......)，通过固定玻璃平板8出射后发生干涉相消，此时对应为器件的暗态；而当下电极施加适当的电压后，相位差为零，通过固定玻璃平板8出射后发生干涉相长，此时对应为器件的亮态；可动反射镜7在静电力的作用下发生上下垂直运动对入射光的相位调制，实现光的开关态，当光束斜入射时其光学原理图如图6所示，入射光束A经过两次折射和一次反射，从图中P点出射，即光束A’，入射光束B经过一次反射，也从图中P点出射，即光束B’，光束A’和B’再P点发生干涉；h表示静电简支梁式干涉光调制器单像素中固定玻璃平板和可动反射镜之间的距离。当光束正入射时，其光学原理图如图7所示，入射光束A在上表面发生反射，从图中P₁点出射，即光束A’；入射光束A经过两次折射，一次反射，也从P点出射，即光束A”，那么光束A’和A”在图中P₁点发生干涉。同样的原理，光束B’和B”在图中的P₂点发生干涉。通过距离h的改变来实现干涉的相长相消。(图7的虚线只是为了清楚的看见光线的路径，实际上入射光、反射光、折射光没有横向的位移)

本发明中的偏压施加采用本领域现有的成熟技术，多采用电压驱动。根据不同的阵列要求，采用有源驱动或无源驱动方式。同时驱动电路的电极引出线可在制作该结构的同时得到。

以上采用实例对本发明进行了描述。但那些在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后变得一目了然的改进和修改，仍然属于本申请的精神和范畴。

Claims (3)

1.一种静电简支梁式干涉光调制器，其特征在于它包括：

a.衬底；

b.制造在衬底上的控制电路；

c.在衬底上形成的下电极层，下电极层与控制电路各单元电极控制端接触；

d.淀积在下电极层之上的绝缘层；

e.在绝缘层之上形成的简支梁及支撑锚；

f.被连接支撑在支撑锚上的可动反射镜阵列，可动反射镜阵列与下电极层构成间距可变的空气腔，各可动反射镜通过简支梁之间的连接形成上电极，并公共接地，一个可动反射镜对应光调制器阵列的一个像素，每个可动反射镜对应形成的光调制器单元独立施加偏置电压，使得可动反射镜作上下垂直运动，构成相位可变的平板干涉器件，形成不同干涉效果的点阵；

g.通过键合方式覆盖在可动反射镜上方的固定玻璃平板，固定玻璃平板的四个角支撑在衬底上，固定玻璃平板下表面与可动反射镜之间的间距应满足使得入射光通过后从固定玻璃平板表面反射光和通过可动反射镜反射再经固定玻璃平板透射光之间的相位差为nπ，其中n＝1，3，5......，固定玻璃平板上下表面镀膜来实现有效的透射和反射。

2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于：固定玻璃平板与可动反射镜之间距离可通过下电极电压变化发生改变，在两者之间不加电压时与加偏置电压V时，入射光经过时将形成的相位差为π。

3.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于：简支梁采用类机翼形状。

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