CN115793292A - 光场调控器件及光场调控方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种光场调控器件以及光场调控方法，光场调控器件包括：发光器件，发光器件用于提供光线；光栅阵列层，光栅阵列层位于发光器件上方，包括：多个光栅单元，光线透过光栅单元出射至外界，形成出射光线；相位控制层，嵌入于光栅阵列层底部，用于调节不同光栅单元的温度以调制出射光线的出射角度。本公开实施例至少有利于提高光场调控器件的可靠性。

Description

光场调控器件及光场调控方法

技术领域

本公开实施例涉及半导体技术领域，特别涉及一种光场调控器件及光场调控方法。

背景技术

随着光电技术的发展，光场调控器件发展迅速，如可以利用波导和光栅相控阵实现复杂功能。这通常是通过在各路光信号之间赋予相位差，使得各路光信号发生干涉，从而实现波束偏转，该技术可以应用于片外光束转向（用于激光雷达等），空间聚焦和全息图像投影等。

然而，目前的光场调控器件存在可靠性较低的问题。

发明内容

本公开实施例提供一种光场调控器件及光场调控方法，至少有利于提高光场调控器件的可靠性。

本公开实施例提供一种光场调控器件，包括：发光器件，所述发光器件用于提供光线；光栅阵列层，所述光栅阵列层位于所述发光器件上方，包括：多个光栅单元，所述光线透过所述光栅单元出射至外界，形成出射光线；相位控制层，位于所述光栅阵列层与所述发光器件之间，用于调节至少两个所述光栅单元的温度以调制所述出射光线的出射角度。

在一些实施例中，所述相位控制层包括：多个温控单元，每一所述温控单元与一所述光栅单元正对，被配置为：调节每一所述光栅单元的温度以使相邻的两个光栅单元的温度之间具有温度差，所述光场调控器件基于所述温度差调制所述出射光线的相位。

在一些实施例中，所述温控单元包括：出光部，所述光线经由所述出光部入射至所述光栅单元；加热部，所述加热部环绕所述出光部，且所述加热部与所述光栅单元的***区正对。

在一些实施例中，所述加热部为热阻丝。

在一些实施例中，所述光栅单元包括透光部以及非透光部，所述光线透过所述透光部出射，所述非透光部包括至少一个光栅结构，所述光栅结构的形状为楔形。

在一些实施例中，在沿所述透光部指向所述非透光部的方向上，所述透光部的宽度与所述非透光部的宽度之比为1:2~4:5。

在一些实施例中，在沿所述透光部指向所述非透光部的方向上，所述透光部的宽度为10μm~30μm，所述非透光部的宽度为20μm~40μm。

在一些实施例中，所述光栅单元具有超颖表面。

在一些实施例中，所述发光器件包括：多个光线发射激光器，所述光线发射激光器用于发射所述光线，所述光线发射激光器包括：沿所述光栅阵列层指向所述发光器件方向依次层叠的P型电极、上层反射镜、有源区层、氧化层、下层反射镜以及N型电极，其中，所述有源区层用于产生所述光线，所述光线发射激光器还具有光线发射区，所述光线经由所述光线发射区出射。

在一些实施例中，还包括：透镜层，所述透镜层位于所述发光器件与所述相位控制层之间，所述光线经由所述透镜层传输至所述光栅阵列层。

在一些实施例中，所述透镜层包括：微透镜阵列或者超构透镜中的任一者。

在一些实施例中，还包括：驱动层，所述驱动层用于驱动所述发光器件发光，且所述驱动层还用于向所述相位控制层提供控制信号，所述相位控制层基于所述控制信号调节多个所述光栅单元的温度。

在一些实施例中，所述发光器件包括：多个发光单元，所述发光单元用于发射所述光线，所述相位控制层包括：多个温控单元，每一所述温控单元与一所述光栅单元正对，所述驱动层包括：第一层行/列信号走线，位于所述相位控制层与所述发光器件之间，包括：第一行信号走线以及第一列信号走线，所述第一层行/列信号走线被配置为：选中一条第一行信号走线以及一条第一列信号走线向所述一所述发光单元提供驱动信号，所述发光单元基于所述驱动信号发射所述光线；第二层行/列信号走线，包括：第二行信号走线以及第二列信号走线，位于所述相位控制层朝向所述发光器件的一侧，所述第二层行/列信号走线被配置为：选中一条第二行信号走线以及一条第二列信号走线向所述一所述温控单元提供所述控制信号，所述温控单元基于所述控制信号调节所述光栅单元的温度。

在一些实施例中，还包括：封装结构，所述封装结构将所述发光器件、所述光栅阵列层、所述相位控制层以及所述驱动层封装在内，以使所述光场调控器件为固态硬件。

在一些实施例中，还包括：相位检测装置，所述相位检测装置用于检测透过每一所述光栅单元的所述出射光线的相位，并基于所述检测结果生成补偿信号；控制装置，所述控制装置用于接收所述补偿信号，并基于所述补偿信号生成所述控制信号。

相应地，本公开实施例还提供一种光场调控方法，包括：提供光场调控器件，所述光场调控器件如上述任一项所述；相位控制层调节不同光栅单元的温度；发光器件提供光线，所述光线透过所述光栅单元出射至外界，形成出射光线。

在一些实施例中，所述相位控制层调节多个光栅单元的温度包括：生成控制信号，所述相位控制层接收所述控制信号，并响应于所述控制信号调节每一所述光栅单元的温度，以使透过相邻的所述光栅单元的所述出射光线的相位之间具有预设相位差。

在一些实施例中，所述相位控制层调节多个光栅单元的温度的步骤之前还包括：检测透过每一所述光栅单元的所述出射光线的初始相位，并获取透过相邻的两个所述光栅单元的所述出射光线的所述初始相位的相位差；基于所述初始相位的相位差生成初始补偿信号；基于所述初始补偿信号调节所述光栅单元的温度以使透过每一所述光栅单元的所述出射光线的初始相位相同。

本公开实施例提供的技术方案至少具有以下优点：

上述技术方案中，光栅阵列层位于发光器件上方，使得发光器件发出的光线可以经由光栅阵列层出射至外界，设置相位控制层位于光栅阵列层下方，相位控制层可以调节至少两个光栅单元的温度，从而可以改变至少两个光栅单元的折射率，如此，当不同光线透过不同的光栅单元时，由于折射率的改变，使得不同光栅单元对应的光线之间的光程差发生改变，进而改变不同光线之间的相位差，根据相控阵原理实现不同波束之间的干涉，从而改变出射光线的出射角度。不难发现，由于未采用微机械结构对出射光线的出射角度进行调节，因此可以避免应力、环境等外界条件对微机械结构性能产生影响，进而减小对光线出射角度调节的影响，提高光场调控器件对光线角度调节的可靠性。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制；为了更清楚地说明本公开实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例提供的一种光场调控器件的剖面结构示意图；

图2为本公开实施例提供的一种光场调控器件的局部剖面结构示意图；

图3为本公开实施例提供的一种光场调控器件中温控单元的结构示意图；

图4为本公开实施例提供的一种光场调控器件中温控单元的俯视结构示意图；

图5为本公开实施例提供的一种光场调控器件中光栅阵列层的局部结构示意图；

图6为本公开实施例提供的另一种光场调控器件中光栅阵列层局部结构示意图；

图7为本公开实施例提供的一种光场调控器件中光线发射激光器的结构示意图；

图8为本公开实施例提供的另一种光场调控器件的局部剖面结构示意图；

图9为本公开实施例提供的一种光场调控器件中光线发射示意图；

图10为本公开实施例提供的又一种光场调控器件的剖面结构示意图；

图11为本公开实施例提供的一种光场调控器件中驱动层的示意图；

图12为本公开实施例提供的一种光场调控方法中调控出射光线相位的步骤对应的示意图；

图13为本公开实施例提供的一种控制***的功能框图。

具体实施方式

由背景技术可知，目前的光场调控器件存在可靠性较低的问题。

分析发现，导致光场调控器件的可靠性较低的原因之一在于，目前的光场调控器件中，基于微机械结构来改变光束的相位，进而来改变光束的出射角度。然而，由于微机械结构易受应力、环境条件等外界条件的变化而影响其可靠性以及耐用性，还会受谐振频率kHz、阵列单元大小在微米量级等限制。

本公开实施例提供了一种光场调控器件，在光栅阵列层下方设置相位控制层，相位控制层用于调节至少两个光栅单元的温度，从而改变至少两个光栅单元的折射率，使得通过两个光栅单元出射的出射光栅的光程差发生变化，使得透过两个光栅单元出射的出射光线之间产生相位差，进而改变出射光线的出射角度。由于依靠相位控制层对出射光线的出射角度进行调节，而未采用微机械结构对出射光线的出射角度进行调节，可以避免应力、环境等外界条件对光场调控器件的性能造成影响，进而提高光场调控器件对出射光线角度调制的准确性，提高光场调控器件的可靠性。

下面将结合附图对本公开各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本公开各实施例中，为了使读者更好地理解本公开实施例而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本公开实施例所要求保护的技术方案。

参考图1以及图2，光场调控器件包括：发光器件101，发光器件101用于提供光线1；光栅阵列层102，光栅阵列层102位于发光器件101上方，包括：多个光栅单元10（参考图2），光线透过光栅单元10出射至外界，形成出射光线2；相位控制层103，嵌入于光栅阵列层102底部，用于调节不同光栅单元之间的温度，从而调制出射光线2的出射角度。

在一些实施例中，相位控制层103嵌入光栅单元10的底部，从而可以对光栅单元10的温度进行更好的调节。在一些实施例中，相位控制层103与发光器件101之间具有一定的空气间隙。

光栅单元10利用多缝衍射原理使光发生色散，光栅单元10的折射率发生变化时，透过该光栅单元10的光线将发生光程变化，而光程变化导致光线的相位变化。当透过相邻的两个光栅单元10的光线之间存在相位差时，会发生干涉，进而使整体出射的光束发生波束偏转，从而改变出射光线的出射角度。

利用相位控制层103调节至少两个光栅单元10的温度，光栅单元10的折射率随着温度的变化而变化。调节两个光栅单元10温度不同，使得两个光栅单元10的折射率不同，利用上述原理，可以调节出射光线的出射角度。相较于采用微机械结构而言，由于温度不受应力的影响，因此，可以避免应力原因对相位控制层103的温度调节产生影响，使得即使在外界应力影响下，也可以保持相位控制层103对光栅单元10的温度的精准调控，提高光场调控器件的可靠性。

由上述分析，不难发现，相邻的两个光栅单元10的温度之间的温度差将导致透过相邻的两个光栅单元10的出射光线的相位之间的相位差出现改变，从而发生光线角度的变化。在一些实施例中，为了准确调节出射光线的出射角度，可以建立相邻的光栅单元10的温度差与透过相邻的两个光栅单元10的出射光线的相位差之间的线性关系，从而可以基于该线性关系，找到与相位差对应的温度差，以对出射光线的角度进行精准调节。

参考图2以及图3，在一些实施例中，相位控制层103（参考图1）包括：多个温控单元20，每一温控单元20与一光栅单元10正对，光场调控器件被配置为：调节每一光栅单元10的温度以使相邻的两个光栅单元10的温度之间具有温度差，基于温度差调制出射光线的相位。也就是说，每一个光栅单元10均有一个温控单元20来调节温度，使得每一个光栅单元10的温度被精准控制，如此，可以精确控制相邻的两个光栅单元10之间的温度差，使得透过相邻的两个光栅单元10之间的出射光线的相位差符合预期，进而可以精确控制出射光线的出射角度。

参考图4，在一些实施例中，温控单元20包括：出光部21，光线经由出光部21入射至光栅单元10（参考图2）；加热部22，加热部22环绕出光部21，且加热部22与光栅单元10的***区正对。如此，使得加热部22可以均匀地对光栅单元10进行加热，从而使得光栅单元10（参考图2）的温度较为均匀，防止发生由于光栅单元10（参考图2）的温度不均匀而导致光栅单元10的局部折射率过大或者过小，从而使得出射光线的相位差不符合预期的问题。设置出光部21，使得温控单元20的设置不会对光线的传播发生不良影响，使得光线可以到达光栅单元10（参考图2）。

在一些实施例中，出光部21可以为中空结构或者采用透明材料制备而成，从而使得光线可以通过。

在一些实施例中，加热部22为热阻丝。对热阻丝施加电压，即可以调节热阻丝的温度。热阻丝的温度随着电压大小的变化而变化，呈正温度系数变化或者负温度系数变化。因此，可以利用电压与热阻丝温度之间的关系，通过对电压进行调节，来调控热阻丝的温度。如此，将相邻的两个光栅单元10（参考图2）的温度差与透过相邻的两个光栅单元10（参考图2）的光线的相位差之间的线性关系，转变成了对相邻的两个温控单元20施加的电压差与透过相邻的两个光栅单元10（参考图2）的光线的相位差之间的线性关系。相较于采用机械结构控制光线的角度而言，由于电信号的变化可以达到微小级别，使得即使光信号的变化也可以达到微小级别，例如可以达到纳米级别，使得出射光线的角度分辨率得到增强。此外，由于是电信号驱动，因而可以达到低延时、高速开关控制的效果，且不会受到外界环境变化的影响。

在一些实施例中，热阻丝的材料可以是镍铬合金丝或者康铜合金丝中的任一者。

参考图2，在一些实施例中，光栅单元10包括透光部11以及非透光部12，光线透过透光部11出射，非透光部12包括至少一个光栅结构，光栅结构的形状为楔形。光栅单元10的数量为多个，相邻的两个光栅单元10中，透光部11与非透光部12的排布方向相同，也就是说，两个非透光部12之间具有一透光部11，进而使得透光部11形成一狭缝，光线透过该狭缝，发生衍射效应，使得形成的出射光线的出射角度发生变化。

设置光栅结构的形状为楔形，也就是说，光栅结构的截面呈倾斜三角形，有利于增强光线在光栅结构的衍射作用，相较于设置光栅结构为平整表面而言，有利于增强扩大出射光线的衍射角，从而可以增大对出射光线角度调控的范围。

在一些实施例中，一个光栅单元10中，光栅结构的数量可以有多个，多个光栅结构邻接，在沿光栅结构的排布方向上，多个光栅结构的高度呈阶梯式变化，例如，多个光栅结构的高度可以依次减小，或者多个光栅结构的高度可以依次增大，从而可以进一步增加出射光线的衍射角。

在一些实施例中，光栅结构的材料可以为PET（Polyethyleneterephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PP（Polypropylene，聚丙烯）、PVC（Polyvinyl chloride，聚氯乙烯）或者TPU（ThermoplasticUrethane，热塑性聚氨酯弹性体）中的任一者。

在一些实施例中，在沿透光部11指向非透光部12的方向上，透光部11的宽度与非透光部12的宽度之比为1:2~4:5，例如可以为3:5、2:3或者3:4。在这个范围内，使得透光部11的宽度不至于过大，从而有利于形成狭缝形状，使得透过透光部11的光线发生多次单缝衍射和多缝干涉，有利于光线发生衍射效应，从而形成一定衍射角度，还可扩大衍射范围。

出射光线的衍射角与光栅常数以及光线的波长有关，衍射角与波长成正比，且与光栅常数成反比。也就是说，在光线的波长一定的情况下，光栅常数越小，则衍射角越大，为了获得较大的衍射角，可以将光栅常数设置得较小。而光栅常数等于透光部11的宽度与非透光部12的宽度之和，也就是说，出射光线的衍射角与光栅单元10的整体宽度有关。基于此，在一些实施例中，在沿透光部11指向非透光部12的方向上，透光部11的宽度为10μm~30μm，例如可以为15μm、20μm或者25μm；非透光部12的宽度为20μm~40μm，例如可以为25μm、30μm或者35μm。可根据实际的使用情况来对光栅结构进行设计，在本公开实施例提供的这个范围内，使得光栅常数较小，进而可以获得较大的衍射角度，有利于扩大对出射光线进行角度调控的范围。另外，在这个范围内，透光部11的宽度也不至于过小，保证入射光线可以通过透光部11发生衍射效应。

在一些实施例中，光栅单元具有超颖表面。超颖表面是由具有不同几何尺寸的介质圆纳米柱天线阵列构成。通过调节纳米天线阵列的几何形状、尺寸和空间方位角，能够灵活调控入射光的波面，进而可以对出射光线的出射角度进行调控。

参考图5以及图6，在一些实施例中，超颖表面的纳米柱天线阵列可以为V型或者Y型。以V型纳米柱天线阵列为例，通过设计V型纳米柱天线阵列的夹角θ，使得在线偏振光入射时，其正交偏振态的出射光线拥有对相位和振幅的调控能力，相位的调制范围可以为0~2π，扩大了对出射光线的角度的调控范围。在一些实施例中，超颖表面也可以是惠更斯超颖表面。

参考图1以及图7，在一些实施例中，发光器件101包括：多个光线发射激光器，光线发射激光器用于发射光线1，光线发射激光器包括：沿光栅阵列层102指向发光器件101方向依次层叠的P型电极5、上层反射镜6、有源区层7、氧化层8、下层反射镜9以及N型电极13，其中，有源区层7用于产生光线，光线发射激光器还具有光线发射区14，光线经由光线发射区14出射。

当在P型电极5以及N型电极13的两端接上外接电源以使光线发射激光器正向导通，P型电极5中的空穴以及N型电极13中的电子向有源区层7传输，空穴和电子在有源区层7相遇，进而发生复合，将电势能转换为光能，从而产生光线。

在一些实施例中，上层反射镜6以及下层反射镜9可以为DBR（DistributedBraggReflection，分布式布拉格反射镜），上层反射镜6以及下层反射镜9均由两种不同折射率的薄膜交替堆叠而成。在一些实施例中，两种不同折射率的薄膜可以呈周期性堆叠，也就是说，上层反射镜6以及下层反射镜9均可以包括多层薄膜，多层薄膜由两种不同折射率的薄膜周期***替堆叠而成。当有源区层7产生的光线依次经过下层反射镜9以及上层反射镜6时，将依次经过具有不同折射率的层，不同折射率的层将光线进行反射，由于折射率不同，使得反射回的光线的相位角发生变化，因此，各层反射回来的光线因相位角的改变而进行建设性干涉，之后互相结合在一起，得到强烈的反射光。也就是说，设置上层反射镜6以及下层反射镜9可以在一定波长范围内减少反射，增强通光量。

在一些实施例中，依次层叠的P型电极5、上层反射镜6、有源区层7以及氧化层8的截面形状为圆形，且P型电极5、上层反射镜6、有源区层7以及氧化层8的截面积小于下层反射镜9的截面积，且小于N型电极13的截面积，从而使得P型电极5、上层反射镜6、有源区层7以及氧化层8形成台柱，将光线发射激光器所产生的光线间隔开来。

在一些实施例中，P型电极5在平行于上层反射镜6表面方向上的截面形状可以为环形，光线发射区14位于P型电极5所围成的区域内，从而使得P型电极5不会阻挡光线的发射。

参考图8，在一些实施例中，还包括：透镜层104，透镜层104位于发光器件101与相位控制层103之间，光线经由透镜层104传输至光栅阵列层102。

参考图9，透镜层104起到对发射的光线起到准直的作用，从而提高光线的质量，使得不同光线发射激光器所发射的光线均为垂直于光栅阵列层102入射，保证每个光线发射激光器所发射的光线为平行光出射。如此，使得不同光线的初始发射角度一致，有利于相位控制层103对光栅单元10的温度进行调节，以调制出射光线之间的相位差，从而精准调节出射光线的出射角度。此外，设置透镜层104还有利于减小或者抑制出射光线的旁瓣效应，减小出射光线的衰减。

在一些实施例中，透镜层包括：微透镜阵列或者超构透镜中的任一者。

微透镜阵列是由许多形状相同的微米尺寸子透镜按一定规律排列而成的阵列，每个子透镜的参数相同，使得每个子透镜的光学性能相同，从而每个子透镜可以相互独立的传输光学信号，使得每个激光器所发射的光线为并行光路，同时还能对光线起到匀光的作用。

超构透镜具有纳米级结构的超颖表面，利用纳米级结构聚光让光线投射到期望的地方，通过纳米级结构的形状，大小和角度和整个平面阵列的空间排列方式，使得光与纳米级结构中呈纳米尺度排列的偏原子的局部相互作用，实现对穿过结构化平面的波前的相位，幅度和偏振态的控制。在横向尺寸上，超构表面的单元都是亚波长的结构，因此其具有亚波长尺度的及高分辨率；在纵向上，超构表面的作用距离极短，可以在一个近似的平面上控制光波的波前分布。

参考图8，在一些实施例中，还包括：驱动层105，驱动层105用于驱动发光器件101发光，且驱动层105还用于向相位控制层103提供控制信号，相位控制层103基于控制信号调节多个光栅单元10（参考图2）的温度。驱动层105通过向发光器件101施加驱动电压，以使发光器件101发光。在一些实施例中，当相位控制层103的加热部22（参考图4）为热阻丝时，控制信号可以为电信号，例如可以是电压信号。如此，可以将电信号转化为光信号，从而实现电信号驱动，由于电信号非常灵敏，使得电信号即使产生微小的改变，也能够控制热阻丝的温度发生变化，进而使得出射光线的出射角度可以发生极小的变动，增大出射角度的调控范围，增强出射光线的出射角度的分辨率。此外，还可以达到低延时、高速开关控制的效果，同时还能够抵御外界环境变化，提高光场调控器件的可靠性。

参考图10以及图11，在一些实施例中，发光器件包括：多个发光单元30，发光单元30用于发射光线，相位控制层103（参考图8）包括：多个温控单元20，每一温控单元20与一光栅单元10正对，驱动层105（参考图8）包括：第一层行/列信号走线41，位于相位控制层103（参考图8）与发光器件101（参考图8）之间，包括：第一行信号走线411以及第一列信号走线412，第一层行/列信号走线41被配置为：选中一条第一行信号走线411以及一条第一列信号走线412向一发光单元30提供驱动信号，发光单元30基于驱动信号发射光线；第二层行/列信号走线42，包括：第二行信号走线421以及第二列信号走线422，位于相位控制层103（参考图8）朝向发光器件101（参考图8）的一侧，第二层行/列信号走线42被配置为：选中一条第二行信号走线421以及一条第二列信号走线422向一温控单元20提供控制信号，温控单元20基于控制信号调节光栅单元10的温度。优选的，发光单元与行信号走线和列信号走线正投影相交处对应。

在一些实施例中，一条第一行信号走线411与一条第一列信号走线412分别与一发光单元30形成电连接，其中，第一行信号走线411可以与发光单元30的正极电连接，例如可以是光线发射激光器的P型电极，第一列信号走线412可以与发光单元30的负极电连接，例如可以是光线发射激光器的N型电极，从而构成回路。在一些实施例中，第一行信号走线411、第一列信号走线412与发光单元30之间可以通过硅通孔互连结构形成电连接。

若需要点亮某一发光单元30，则可以通过选通想要点亮的发光单元30所对应的第一行信号走线411，第一行信号走线411内的驱动信号通过相交的第一列信号走线412传输到对应的发光单元30中，以点亮发光单元30。在一些实施例中，可以对第一层行/列信号走线41中的第一行信号走线411逐行扫描，从而可以快速选中需要点亮的发光单元30。在另一些实施例中，也可以对第一层行/列信号走线41中的第一行信号走线411隔行扫描，通过不同的扫描模式，对发光单元30的点亮与否进行精确地有选择性地控制。

在一些实施例中，一条第二行信号走线421与一条第二列信号走线422分别与一温控单元20形成电连接，其中，第二行信号走线421可以与温控单元20的正极电连接，第二列信号走线422可以与温控单元20的负极电连接，从而构成回路。在一些实施例中，第二行信号走线421、第二列信号走线422与温控单元20之间可以通过硅通孔互连结构形成电连接。

若需要调控某一温控单元20，可以通过选通需要调控的温控单元20所对应的第二行信号走线421，第二行信号走线421内的控制信号通过相交的第二列信号走线422传输到对应的温控单元20中，从而对温控单元20的温度进行调节。在一些实施例中，可以对第二层行/列信号走线42中的第二行信号走线421逐行扫描，从而可以快速选中需要调控温度的温控单元20。在另一些实施例中，也可以对第二层行/列信号走线42中的第二行信号走线421隔行扫描，通过不同的扫描模式，对温控单元20的温度进行精确地有选择性地控制。

也就是说，通过寻址的方式，可以精确地访问到每一个发光单元30以及每一个温控单元20，进而实现对发光单元30以及温控单元20精准的控制。

参考图10，在一些实施例中，发光单元30与光栅单元10不一一对应，即可以设置发光单元30不与光栅单元10正对，如此，不仅可以降低工艺难度，还可以灵活调节发光单元的数量，满足不同的需求。这是因为，发光单元30发出的出射光线具有发散性，即使发光单元30不位于光栅单元10的正下方，发散的出射光线也能从不同角度入射至光栅单元10中。

在一些实施例中，也可以设置光栅单元10与发光单元30一一正对，即，一发光单元30可以位于一光栅单元10的正下方。

在一些实施例中，光场调控器件还包括：衬底，驱动层105可以位于衬底中，通过CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）制造工艺，利用光刻/刻蚀/沉积/研磨等工艺做出第一层行/列信号走线41以及第二层行/列信号走线42的结构。在一些实施例中，衬底可以为半导体衬底，例如可以为晶圆。

在一些实施例中，还包括：封装结构（未图示），封装结构将发光器件101、光栅阵列层102、相位控制层103以及驱动层105封装在内，以使光场调控器件为固态硬件，从而可以最大限度地防止外界环境对光栅阵列层102的温度产生影响，进一步提高光场调控器件的可靠性。

具体地，在一些实施例中，光场调控器件还包括：衬底以及透镜层104，则封装结构还将衬底以及透镜层104密封在内。

在一些实施例中，还包括：相位检测装置（未图示），相位检测装置用于检测透过每一光栅单元10的出射光线的相位，并基于检测结果生成补偿信号；控制装置，控制装置用于接收补偿信号，并基于补偿信号生成控制信号。通过相位检测装置对出射光线的相位进行检测，可以获取出射光线的真实相位，从而对相位控制层103调节出射光线的相位这一动作提供结果的反馈，若出射光线的相位与期望相位之间存在偏差，则可以通过相位检测装置生成的补偿信号，对出射光线的相位进行相应的补偿，使得出射光线的相位符合预期，进一步提高光场调控器件对出射光线角度控制的精准度以及可靠性。

在一些实施例中，在采用相位控制层103进行温度调节之前，需要调控透过不同光栅单元10的出射光线的初始相位相同，从而有利于后续对透过不同光栅单元10的出射光线赋予相同的相位差，来调控出射光线的角度。基于此，可以采用相位检测装置在相位控制层103进行温度调节之前，对透过不同光栅单元10的出射光线的初始相位进行检测，并将检测结果与预设相位进行比对，生成补偿信号。可以理解的是，不同的光栅单元10对应于不同的补偿信号，从而可以基于不同的补偿信号，对未达到预设相位的出射光线以及超出预设相位的出射光线所对应的光栅单元10分别进行温度补偿，以使所有出射光线的初始相位一致。

在一些实施例中，在采用相位控制层103对光栅单元10的温度进行调节以调制出射光线的相位之后，也可以采用相位检测装置对出射光线的相位进行检测，从而对出射光线相位调制的结果进行验证，若出射光线的相位与期望相位之间存在偏差，则可以通过相位检测装置生成的补偿信号，对出射光线的相位进行相应的补偿，使得出射光线的相位符合预期，进一步提高光场调控器件对出射光线角度控制的精准度以及可靠性。

在一些实施例中，可以间隔固定的频率周期，采用相位检测装置对经调制之后的出射光线的相位进行检测，例如可以在对第一层行/列信号走线41中的第一行信号走线411进行一轮扫描之后，对出射光线的相位进行检测，从而实现一定规律的相位梯度控制，进而有利于各发光单元30间的干涉效应。一轮扫描指的是对对第一层行/列信号走线41中的所有第一行信号走线411按照所设定的扫描模式扫描一次。

上述实施例提供的光场调控器件中，在光栅阵列层102下方设置相位控制层103，相位控制层103用于调节至少两个光栅单元10的温度，从而改变至少两个光栅单元10的折射率，使得通过两个光栅单元10出射的出射光栅的光程差发生变化，使得透过两个光栅单元10出射的出射光线之间产生相位差，进而改变出射光线的出射角度。由于依靠相位控制层103对出射光线的出射角度进行调节，省去了微机械结构，可以避免应力、环境等外界条件对光场调控器件的性能造成影响，进而提高光场调控器件对出射光线角度调制的准确性，提高光场调控器件的可靠性。

相应地，本公开实施例还提供一种光场调控器件的制备方法，可用于制备上述实施例提供的光场调控器件。

光场调控器件的制备方法包括：

参考图8，首先，提供衬底，在衬底中形成驱动层105，驱动层105用于驱动发光器件101发光，且驱动层105还用于向相位控制层103提供控制信号，相位控制层103基于控制信号调节多个光栅单元10的温度。参考图10以及图11，在一些实施例中，驱动层105包括：第一层行/列信号走线41，包括：第一行信号走线411以及第一列信号走线412，第一行信号走线411与第一列信号走线412位于不同层且相交，第一层行/列信号走线41用于驱动发光器件101发光；第二层行/列信号走线42，包括：第二行信号走线421以及第二列信号走线422，第二行信号走线421与第二列信号走线422位于不同层且相交，第二层行/列信号走线42用于向相位控制层103提供控制信号。

继续参考图8，在一些实施例中，可以采用大马士革工艺在衬底中形成驱动层105，例如可以利用光刻/刻蚀/沉积/研磨等工艺做出第一层行/列信号走线以及第二层行/列信号走线的结构。

接着，在驱动层105表面形成发光器件101，参考图7，发光器件101包括：多个光线发射激光器，光线发射激光器用于发射光线，光线发射激光器包括：沿光栅阵列层102指向发光器件101方向依次层叠的P型电极5、上层反射镜6、有源区层7、氧化层8、下层反射镜9以及N型电极13。在一些实施例中，可以采用沉积工艺以及刻蚀工艺在驱动层105表面形成依次层叠的P型电极5、上层反射镜6、有源区层7、氧化层8、下层反射镜9以及N型电极13。

继续参考图8，透镜层104可以采用单独的制备工艺制备而成，再将制备而成的透镜层104通过精密对准工序覆盖到发光器件101表面。在一些实施例中，透镜层104可以采用光刻胶热回流方法、激光直写方法、微喷打印法、溶胶-凝胶法、反应离子刻蚀法、灰度掩模法、热压模成型法或者光敏玻璃热成型法中的任一者形成。

制备完透镜层104之后，制备光栅阵列层102以及相位控制层103，在一些实施例中，光栅阵列层102可以单独制备。在一些实施例中，光栅阵列层102的制备方法可以为：提供基底，用于制备光栅单元10，基底的材料可以为PET、PP、PVC或者TPU中的任一者，在基底上刻划出一系列平行等距的划痕，刻过的地方形成非透光部12（参考图2），未刻的地方形成透光部11（参考图2）。

参考图3以及图4，在一些实施例中，相位控制层103包括：出光部21，光线经由出光部21入射至光栅单元10；加热部22，加热部22环绕出光部21，且加热部22与光栅单元10的***区正对。出光部21可以为热阻丝，出光部21可以为中空结构。也就是说，可以将热阻丝固定于光栅单元10的***区，热阻丝所围成的区域形成出光部21。

参考图10，在制备完光栅阵列层102以及相位控制层103后，可以采用硅通孔互连结构43实现相位控制层103与驱动层105以及发光器件101与驱动层105的电连接。在一些实施例中，在衬底的***区使用反应离子刻蚀制作出微米级直径的通孔，在通孔侧壁形成阻挡层，具体可以采用热氧化工艺在通孔侧壁形成氧化硅层；或者采用扩散工艺在通孔侧壁形成氮化钽层；通过电镀工艺在通孔内填充导电主体部，例如铜。然后经过化学机械研磨工艺对导电主体部进行表面磨平，导电主体部作为相位控制层103与驱动层105相连接的键合点以及作为发光器件101与驱动层105相连接的键合点。

在一些实施例中，在形成硅通孔互连结构43后，为了形成更好的电连接，在硅通孔互连结构与相位控制层103、驱动层105以及发光器件101的连接处制备微凸块，例如可以为铜/锌凸点。

最后，采用封装工艺对衬底、驱动层105、发光器件101、透镜层104、相位控制层103以及发光阵列层进行密封处理，形成封装结构，从而可以最大限度地防止外界环境对光栅阵列层102的温度产生影响，进一步提高光场调控器件的可靠性。

相应地，本公开实施例还提供一种光场调控方法，包括：提供光场调控器件，光场调控器件由上述实施例提供；相位控制层103（参考图1）调节不同光栅单元10（参考图2）的温度；发光器件101（参考图1）提供光线，光线透过光栅单元10出射至外界，形成出射光线。

利用相位控制层103调节至少两个光栅单元10的温度，光栅单元10的折射率随着温度的变化而变化。调节两个光栅单元10温度不同，使得两个光栅单元10的折射率不同，利用上述原理，可以调节出射光线的出射角度。相较于采用微机械结构而言，由于温度不受应力的影响，因此，可以避免应力原因对相位控制层103的温度调节产生影响，使得即使在外界应力影响下，也可以保持相位控制层103对光栅单元10的温度的精准调控，提高光场调控器件的可靠性。

在一些实施例中，相位控制层调节多个光栅单元10的温度包括：生成控制信号，相位控制层103接收控制信号，并响应于控制信号调节每一光栅单元10的温度，以使透过相邻的光栅单元10的出射光线的相位之间具有预设相位差。如此，使得每一个光栅单元10的温度被精准控制，如此，可以精确控制相邻的两个光栅单元10之间的温度差，使得透过相邻的两个光栅单元10之间的出射光线的相位差符合预期，进而可以精确控制出射光线的出射角度。

在一些实施例中，相位控制层103包括多个温控单元20（参考图2），每一温控单元20与一光栅单元10（参考图2）对应，用于控制每一光栅单元10的温度。在一些实施例中，温控单元20包括出光部21（参考图4），光线经由出光部21入射至光栅单元10；加热部22（参考图4），加热部22环绕出光部21，且加热部22与光栅单元10的***区正对。在一些实施例中，加热部22为热阻丝。对热阻丝施加电压，即可以调节热阻丝的温度。也就是说，对相邻的两个温控单元20施加的电压差可以转化为透过相邻的两个光栅单元10的光线的相位差。

参考图12，在一些实施例中，当光栅单元10（参考图2）的数量为多个时，可以通过调节每一光栅单元10的温度以在透过相邻的两个光栅单元10的出射光线之间赋予相同的相位差。例如，当光栅单元10为4个，且4个光栅单元10间隔排布，可以设置透过第二个光栅单元10的出射光线与透过第一个光栅单元10的出射光线之间的相位差为

，透过第三个光栅单元10的出射光线与透过第一个光栅单元10的出射光线之间的相位差为

，透过第四个光栅单元10的出射光线与透过第一个光栅单元10的出射光线之间的相位差为

，以此类推，第n个光栅单元的出射光线与透过第一个光栅单元10的出射光线之间的相位差为

。

不同的相位差对应于不同的电压差，因此，可以通过对不同光栅单元10对应的温控单元20施加不同的电压，以使不同的温控单元20具有不同的温度，进而在透过不同的光栅单元10的出射光线之间形成相位差。例如，第一个光栅单元10对应的温控单元20可以施加V1的电压，第二个光栅单元10对应的温控单元20可以施加V2的电压，第三个光栅单元10对应的温控单元20可以施加V3的电压以及第四个光栅单元10对应的温控单元20可以施加V4的电压，以此类推，第n个光栅单元10对应的温控单元20可以施加Vn的电压。

在一些实施例中，发光器件101包括多个发光单元30（参考图10），每一发光单元30用于发射光线。可以设置第一层行/列信号走线41驱动发光器件101的发光单元30以及设置第二层行/列信号走线42的温控单元20（参考图10）调节温度，第一层行/列信号走线41包括：第一行信号走线411以及第一列信号走线412，第一层行/列信号走线41用于驱动发光器件101发光；第二层行/列信号走线42包括：第二行信号走线421以及第二列信号走线422，第二层行/列信号走线42用于向温控单元20提供控制信号。

若需要点亮某一发光单元30，则可以通过选通想要点亮的发光单元30所对应的第一行信号走线411，第一行信号走线411内的驱动信号通过相交的第一列信号走线412传输到对应的发光单元30中，以点亮发光单元30。在一些实施例中，可以对第一层行/列信号走线41中的第一行信号走线411逐行扫描，从而可以快速选中需要点亮的发光单元30。在另一些实施例中，也可以对第一层行/列信号走线41中的第一行信号走线411隔行扫描。

若需要调控某一温控单元20，可以通过选通需要调控的温控单元20所对应的第二行信号走线421，第二行信号走线421内的控制信号（例如电压信号）通过相交的第二列信号走线422传输到对应的温控单元20中，从而对温控单元20的温度进行调节。在一些实施例中，可以对第二层行/列信号走线42中的第二行信号走线421逐行扫描，从而可以快速选中需要调控温度的温控单元20。在另一些实施例中，也可以对第二层行/列信号走线42中的第二行信号走线421隔行扫描。

在一些实施例中，相位控制层调节多个光栅单元10的温度的步骤之前还包括：检测透过每一光栅单元10的出射光线的初始相位，并获取透过相邻的两个光栅单元10的出射光线的初始相位的相位差；基于初始相位的相位差生成初始补偿信号；基于初始补偿信号调节光栅单元10的温度以使透过每一光栅单元10的出射光线的初始相位相同。如此，有利于后续对透过不同光栅单元10的出射光线赋予相同的相位差，来调控出射光线的角度。可以理解的是，不同的光栅单元10对应于不同的初始补偿信号，从而可以基于不同的初始补偿信号，对未达到预设相位的出射光线以及超出预设相位的出射光线所对应的光栅单元10分别进行温度补偿，以使所有出射光线的初始相位一致。

在一些实施例中，在采用相位控制层103对光栅单元10的温度进行调节以调制出射光线的相位之后，也可以采用相位检测装置对出射光线的相位进行检测，从而对出射光线相位调制的结果进行验证，若出射光线的相位与期望相位之间存在偏差，则可以通过相位检测装置生成的补偿信号，对出射光线的相位进行相应的补偿，使得出射光线的相位符合预期，进一步提高光场调控器件对出射光线角度控制的精准度以及可靠性。

在一些实施例中，可以间隔固定的频率周期，采用相位检测装置对经调制之后的出射光线的相位进行检测，例如可以在对第一层行/列信号走线41中的第一行信号走线411进行一轮扫描之后，对出射光线的相位进行检测，从而实现一定规律的相位梯度控制，进而有利于各发光单元30间的干涉效应。一轮扫描指的是对第一层行/列信号走线41中的所有第一行信号走线411按照所设定的扫描模式扫描一次。

相应地，本公开实施例还提供一种控制***，应用于上述实施例提供的光场调控器件，参考图13，控制***用于生成控制信号，相位控制层103（参考图1）响应于控制信号调节至少两个光栅单元10（参考图2）的温度。控制***包括：上位机51、存储单元52、控制单元53、数模转换单元54以及信号生成单元55；其中，上位机51用于预先设定程序，该程序可以用于预先设定工作模式，例如可以用于设定光栅单元10的预设温度；存储单元52与上位机51通信连接，存储单元52用于存储上位机51中所设定的程序数据；控制单元53与存储单元52通信连接，用于对存储与上位机51中的程序数据进行解调，获取第一控制信号；数模转换单元54与控制单元53通信连接，用于接收第一控制信号，并对第一控制信号进行数模转换，获取第二控制信号；信号生成单元55与数模转换单元54通信连接，用于接收第二控制信号，并响应于控制信号，获取控制信号；将控制信号传输至信号生成单元55，信号生成单元55基于控制信号驱动相位控制层103发热。在一些实施例中，控制信号可以为电压值信号，信号生成单元55可以为可控电压源模块，信号生成单元55响应于电压值信号输出相应的电压值至相位控制层103，以调控相位控制层103的温度。

在一些实施例中，存储单元52可以是ROM（Read OnlyMemory，只读存储器）或者RAM（Random Access Memory，随机存取存储器），例如可以为DRAM（动态随机存储器，DynamicRandom Access Memory）、SRAM（静态随机存储器，StaticRandom-Access Memory）或者SDRAM（同步动态随机存储器，Synchronous Dynamic Random-Access Memory）。

在一些实施例中，控制单元53可以是MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）或者FPGA（Field ProgrammableGate Array，现场可编程逻辑门阵列）中的任一者。

在一些实施例中，数模转换单元54可以为数模转换器，用于将数字信号转化为模拟信号，数模转换单元54与控制单元53之间可以通过I2C接口进行数据传输，具体可以通过I/O端口实现通信连接。

在一些实施例中，若相位控制层103包括多个温控单元20（参考图2），每一温控单元20包括：热阻丝，热阻丝用于调节光栅单元10的温度，则可以设置信号生成单元55为可控的电流源或者电压源，第二控制信号为电流值或者电压值，热阻丝在导通条件下温度升高。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本公开的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本公开的精神和范围。任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，均可作各种变动与修改，因此本公开的保护范围应当以权利要求限定的范围为准。

Claims (18)

1.一种光场调控器件，其特征在于，包括：

发光器件，所述发光器件用于提供光线；

光栅阵列层，所述光栅阵列层位于所述发光器件上方，包括：多个光栅单元，所述光线透过所述光栅单元出射至外界，形成出射光线；

相位控制层，嵌入于所述光栅阵列层底部，用于调节不同所述光栅单元的温度以调制所述出射光线的出射角度。

2.根据权利要求1所述的光场调控器件，其特征在于，所述相位控制层包括：多个温控单元，每一所述温控单元与一所述光栅单元正对，被配置为：调节每一所述光栅单元的温度以使相邻的两个光栅单元的温度之间具有温度差，且所述光场调控器件基于所述温度差调制所述出射光线的相位。

3.根据权利要求2所述的光场调控器件，其特征在于，所述温控单元包括：

出光部，所述光线经由所述出光部入射至所述光栅单元；

加热部，所述加热部环绕所述出光部，且所述加热部与所述光栅单元的***区正对。

4.根据权利要求3所述的光场调控器件，其特征在于，所述加热部为热阻丝。

5.根据权利要求1或2所述的光场调控器件，其特征在于，所述光栅单元包括透光部以及非透光部，所述光线透过所述透光部出射，所述非透光部包括至少一个光栅结构，所述光栅结构的形状为楔形。

6.根据权利要求5所述的光场调控器件，其特征在于，在沿所述透光部指向所述非透光部的方向上，所述透光部的宽度与所述非透光部的宽度之比为1:2~4:5。

7.根据权利要求6所述的光场调控器件，其特征在于，在沿所述透光部指向所述非透光部的方向上，所述透光部的宽度为10μm~30μm，所述非透光部的宽度为20μm~40μm。

8.根据权利要求1或2所述的光场调控器件，其特征在于，所述光栅单元具有超颖表面。

9.根据权利要求1所述的光场调控器件，其特征在于，所述发光器件包括：多个光线发射激光器，所述光线发射激光器用于发射所述光线，所述光线发射激光器包括：沿所述光栅阵列层指向所述发光器件方向依次层叠的P型电极、上层反射镜、有源区层、氧化层、下层反射镜以及N型电极，其中，所述有源区层用于产生所述光线，所述光线发射激光器还具有光线发射区，所述光线经由所述光线发射区出射。

10.根据权利要求1或9所述的光场调控器件，其特征在于，还包括：透镜层，所述透镜层位于所述发光器件与所述相位控制层之间，所述光线经由所述透镜层传输至所述光栅阵列层。

11.根据权利要求10所述的光场调控器件，其特征在于，所述透镜层包括：微透镜阵列或者超构透镜中的任一者。

12.根据权利要求1所述的光场调控器件，其特征在于，还包括：驱动层，所述驱动层用于驱动所述发光器件发光，且所述驱动层还用于向所述相位控制层提供控制信号，所述相位控制层基于所述控制信号调节多个所述光栅单元的温度。

13.根据权利要求12所述的光场调控器件，其特征在于，所述发光器件包括：多个发光单元，所述发光单元用于发射所述光线，所述相位控制层包括：多个温控单元，每一所述温控单元与一所述光栅单元正对，所述驱动层包括：

第一层行/列信号走线，位于所述相位控制层与所述发光器件之间，包括：第一行信号走线以及第一列信号走线，所述第一层行/列信号走线被配置为：选中一条第一行信号走线以及一条第一列信号走线向一所述发光单元提供驱动信号，所述发光单元基于所述驱动信号发射所述光线；

第二层行/列信号走线，位于所述相位控制层朝向所述发光器件的一侧，包括：第二行信号走线以及第二列信号走线，所述第二层行/列信号走线被配置为：选中一条第二行信号走线以及一条第二列信号走线向一所述温控单元提供所述控制信号，所述温控单元基于所述控制信号调节所述光栅单元的温度。

14.根据权利要求12所述的光场调控器件，其特征在于，还包括：封装结构，所述封装结构将所述发光器件、所述光栅阵列层、所述相位控制层以及所述驱动层封装在内，以使所述光场调控器件为固态硬件。

15.根据权利要求12所述的光场调控器件，其特征在于，还包括：

相位检测装置，所述相位检测装置用于检测透过每一所述光栅单元的所述出射光线的相位，并基于检测结果生成补偿信号；

控制装置，所述控制装置用于接收所述补偿信号，并基于所述补偿信号生成所述控制信号。

16.一种光场调控方法，其特征在于，包括：

提供光场调控器件，所述光场调控器件如上述权利要求1-15中任一项所述；

相位控制层调节不同光栅单元的温度；

发光器件提供光线，所述光线透过所述光栅单元出射至外界，形成出射光线。

17.根据权利要求16所述的光场调控方法，其特征在于，所述相位控制层调节多个光栅单元的温度包括：生成控制信号，所述相位控制层接收所述控制信号，并响应于所述控制信号调节每一所述光栅单元的温度，以使透过相邻的所述光栅单元的所述出射光线的相位之间具有预设相位差。

18.根据权利要求17所述的光场调控方法，其特征在于，所述相位控制层调节多个光栅单元的温度的步骤之前还包括：

检测透过每一所述光栅单元的所述出射光线的初始相位，并获取透过相邻的两个所述光栅单元的所述出射光线的所述初始相位的相位差；

基于所述初始相位的相位差生成初始补偿信号；

基于所述初始补偿信号调节所述光栅单元的温度以使透过每一所述光栅单元的所述出射光线的初始相位相同。

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