CN1304874C - 光栅平动式光调制器及阵列 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光栅平动式光调制器及阵列，光调制器包括：一有绝缘层和负电极硅基底，一镀于负电极之上的底层反射面，一位于底层反射面之上，四边与悬臂梁连接而被支撑的顶层反射面，该顶层反射面被均匀蚀刻出镂空矩形槽，形成光栅，一将下拉电压加在顶层反射面与底层反射面之间的偏压施加装置。该器件是利用深度可变的矩形槽光栅对入射光的相位进行调制，具有出光效率高、调制速度快、对比度高、亮度高、均匀性好等优点，同时制造工艺简单，良品率高，有效利用面积大。

Description

光栅平动式光调制器及阵列

技术领域

本发明涉及一种光束调制器件，更具体的说，本发明涉及一种光栅平动式光调制器及阵列，该器件是利用深度可变的矩形槽光栅对入射光的相位进行调制。

背景技术

随着数字技术的发展，大屏幕显示，尤其是高清晰数字电视技术的成熟，许多的设计者和发明者已经设法开发可以单独使用或与其他调制器一起使用的光调制器，其中基于MOEMS技术制造的光调制器以其优良的性能获得高速的发展和广泛的应用。它们在应用于显示设备上时具有共同的优点：出光效率很高，清晰度高，调制速度快，灰度级较多，能与数字电视技术指标兼容，对比度、亮度和均匀性都非常出色，信号易于处理等等。

在这类器件中，以数字式微反射镜器件(DMD)及光栅光阀(GLV)为代表，它们的商业应用已取得了巨大的成功。DMD是由MOEMS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，分析力特别高。GLV与DMD不同之处在于，它是利用光栅衍射原理实现光线调制，其响应速度更高，电路简单，制造工艺简单，良品率高。

但是，DMD和GLV也有不足之处。

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。

GLV的缺点在于：它较难保证构成光栅的带状物处于同一平面内；光栅带之间的间隙影响衍射效率；可动光栅上真正有效的衍射区太小；特别是单个像素长度大、面积大，使得GLV只能作线阵，须加光学扫描机构才能用于光学成像***，这就增加了光学机构的复杂性和装配难度，增加了整机的成本。

对比现有光调制器技术，各有其优缺点，能否有一种光调制器，在兼有上述光调制器优点的同时，又能避免其缺点，做到像素上有效光学面积高，易于集成面阵，工艺简单，良品率高，这成为我们发明的初衷。

发明内容

为了克服DMD工艺复杂的缺点以及GLV的有效衍射面积低、难以集成为面阵的缺点，本发明的目的在于提供一种光栅平动式光调制器，采用类似于GLV的衍射原理，对入射光进行相位调制，增大器件的有效利用面积，提高光学效率和对比度，简化制造工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提出的光栅平动式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，其上淀积刻蚀有绝缘层和负电极；

一镀于负电极之上的底层反射面；

一位于底层反射面之上，四边与悬臂梁连接而被支撑的顶层反射面，顶层反射面是在弹性基底上镀上金属反射物形成的，该顶层反射面被均匀蚀刻出镂空矩形槽，形成光栅，两反射面之间留有合适的间距，顶层反射面为正电极；

使顶层反射面悬浮于底层反射面上方的悬臂梁，该悬臂梁在顶层反射面的四边外侧或正下方，以四角旋转对称支撑的形式与顶层反射面四边相连接，将顶层反射面支撑在底层反射面之上。

顶层反射面和底层反射面之间的间距可变，在两者之间不加电压时，间距为nλ/2；加固定偏置电压V₁时，间距为(2n-1)λ/4；若取n＝1，则当施加电压范围在0-V₁之间时，间距在λ/2至λ/4之间线性可调。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，顶层反射面作垂直平动，形成衍射效果不同的点阵。

本发明由于其简单的双层结构，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。同时其四边的悬臂梁，以四角旋转对称支撑的形式与顶层反射面相连接，并与顶层反射面相平行布局，使得顶层反射面中心有效光栅的面积足够大，解决了GLV有效面积不足的问题。其垂直平动的运动方式保证了在下降时，整个顶层反射面都是平坦的。在集成阵列时，相邻的悬臂梁可以交互排列在一条线上，减少了像素间隙。

本发明的优点是：出光效率高、调制速度快、对比度高、亮度高、均匀性好，同时制造工艺简单，良品率高，有效利用面积大。

这种光调制器可广泛用于显示、投影、印刷、光通讯、光谱仪上。

附图说明

图1是本发明的单像素光栅平动式光调制器结构图。

图2a是单像素光栅平动式光调制器的中间剖面构造图。

图2b是单像素光栅平动式光调制器在未加电状态的衍射示意图。

图3a是单像素光栅平动式光调制器加电后产生垂直平动的示意图。

图3b是单像素光栅平动式光调制器加电后的示意图衍射示意图。

图4是由图1所示的光栅平动式光调制器形成阵列的示意图。

图5是单像素光栅平动式光调制器的一种变形形式的结构图。

图6是由图5所示的光栅平动式光调制器形成阵列的示意图。

图7是单像素光栅平动式光调制器的另一种变形形式的结构图。

图8是图7所示变形形式构成调制器阵列的示意图。

图中：1.硅衬底，2.氧化物，3.绝缘层，4.负电极 5.底层反射面 6.顶层反射面、7、悬臂梁，8.偏压施加装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1中，在硅衬底1上淀积生长一层氧化物2，再淀积刻蚀绝缘层3、负电极4，镀上底层反射面5，通过淀积牺牲层，形成顶层反射面6，再在其上刻蚀所需要的光栅，该光栅即为正电极，最后释放牺牲层就可以得到如图1所示结构。入射光线实际上接受到了顶层光栅和镂空的底层光栅的双重调制，该调制效果随两层光栅间距不同而变化，其原理类似于矩形槽相位光栅。而其间距可通过偏压施加装置8来调节。顶面反射层6通过四根旋转对称的悬臂梁7支撑，悬臂梁7共四根，通过立柱支撑于硅衬底1上，位于四方形顶层反射面6的四边外侧，并与顶层反射面在同一平面内平行布局，保持一定间隙，臂的长度不超过顶层反射面单边边长的一半，四根悬臂梁7由顶面反射层6四边中间相对的位置沿一个方向向顶面反射层的四角延伸，并连接这四个角，形成独特的旋臂式支撑结构，即达到了为顶层反射面6提供柔性支撑的效果，又使得顶层反射面6中心的有效光栅面积足够大，解决了GLV有效面积不足的问题。由于这种光栅平动式光调制器具有简单的双层结构，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。

图2a和图2b中，偏压施加装置8给出偏压V＝0，底层反射面5和顶层反射面6之间未加电压，即两者保持初始间距：λ的整数倍，其中λ为入射光波长。因此入射光束经顶层反射面6和底层反射面5反射得到的两束光线在相位上相差2π，相遇干涉后，光强集中在衍射图像的零级。

图3a和图3b中，底层反射面5和顶层反射面6之间通过偏压施加装置8加电压V＝V1，顶层反射面6受静电力的作用被拉下λ/4距离，经顶层反射面和底层反射面反射得到的两束光线的相位差为π/2，这样得到的衍射光强，在零级处几乎为零，而在±1级处得到最大光强。因此，±1级处的光强大小随平板下降的位移变化，收集±1级的光强，则实现了对入射光的开关或调制作用。由于悬臂梁具有足够的柔性，顶层反射面6上的光栅保持平坦，有效地解决了GLV的带状光栅下拉不平坦的问题。

图4显示了由多个单像素悬臂式光栅光调制器形成的阵列。由于顶层反射面6由悬臂梁7在以四角旋转对称支撑的形式与连接支撑，悬臂梁7的长度不超过单像素宽度的一半，所以相邻的悬臂梁7可以交互排列在一条线上，减少了像素间隙，提高了像素的填充率。在对不同波长λ优化设计不同机构尺寸的像素后，可以实现彩色图像的显示。

本发明中对顶层反射面的旋臂支撑的具体形式还有多种形式，图5和图7就是另外两种变形结构。

图5所示的结构与图1的不同之处是，四根悬臂梁7由顶层反射面6四角相对的位置沿一个方向向顶层反射面的四边中部延伸，并与这四边的中部连接，形成旋臂式支撑。这种结构在形成面阵时，见图6，相邻的悬臂梁也可以交互排列在一条线上，减少了像素间隙，提高了像素的填充率。

图7所示的结构是为进一步克服悬臂梁占用有效光栅面积的缺点，将悬臂梁7隐藏在顶层反射面6之下，其它结构与图1中所示结构无异。此时，四根悬臂梁7通过立柱支撑于硅基底1上，并且平行于四方形调制器的四边布置，与顶层反射面在垂直方向上保持一定间隙，并且通过悬臂梁顶端向上的立柱与其上方的顶层反射面相连接。这种方法即达到了同样的柔性支撑效果，又使得顶层反射面6可以设计出更大的光学有效面积。同时，因为悬臂梁更接近底层反射面5，所以有更好的电驱动特性，下降时顶层反射面6更加平坦。可是，性能的改进是要靠增加工艺复杂性来完成的。图8是以图7所示结构的单像素光栅平动式光调制形成阵列，由于隐藏的悬臂梁的结构，使像素间的缝隙相对于有效光学面积大大减少，增强了像素填充率。

偏压施加装置8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。

以上采用实施例对本发明进行了描述。那些只有在本领域的技术人员阅读了本公开文件之后才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 (6)

1.一种光栅平动式光调制器，其特征在于它包括：

a.一硅基底，其上淀积刻蚀有绝缘层和负电极；

b.一镀于负电极之上的底层反射面；

c.一位于底层反射面之上，四边与悬臂梁连接而被支撑的顶层反射面，顶层反射面是在弹性基底上镀上金属反射物形成的，该顶层反射面被均匀蚀刻出镂空矩形槽，形成光栅，两反射面之间留有合适的间距，顶层反射面为正电极；

d.使顶层反射面悬浮于底层反射面上方的悬臂梁，该悬臂梁下部支撑在硅基底上，位于在顶层反射面的四边外侧，以四角旋转对称支撑的形式与顶层反射面四边相连接，将顶层反射面支撑在底层反射面之上；

e.将下拉电压加在顶层反射面与底层反射面之间的偏压施加装置，可产生不同电平、不同频率的驱动电压。

2.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于：顶层反射面悬浮于底层反射面之间的间距可变，在两者之间不加电压时，间距为nλ/2；加固定偏置电压V₁时，间距为(2n-1)λ/4；施加电压范围在0-V₁之间时，间距在nλ/2至(2n-1)λ/4之间线性可调。

3.根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于：悬臂梁位于顶层反射面的四边外侧，并与其在同一平面内平行布局，臂的长度不超过顶层反射面单边边长的一半。

4、根据权利要求1所述的光调制器，其特征在于：悬臂梁位于顶层反射面四边的正下方，平行布局，臂的长度不超过顶层反射面单边边长的一半。

5.一种光栅平动式光调制器阵列，其特征在于使用多个权利要求1、2或4所述的光调制器按行和列排列成阵列，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，其上下反射面的间距均单独可调，形成衍射效果不同的点阵。

6、一种光栅平动式光调制器阵列，其特征在于使用多个权利要求3所述的光调制器按行和列排列成阵列，相邻光调制器的悬臂梁交互排列在一条线上，每个光调制器都可以独立施加偏置电压，其上下反射面的间距均单独可调，形成衍射效果不同的点阵。

Images