专利名称：电光波导光学相位调制器列阵及其制备方法
技术领域：
本发明涉及光学相位调制器，特别是一种采用电光效应的波导型光学相位调制器列阵及其制备方法。该器件是光学相控阵的核心部件，属于光学工程领域，主要应用于需要使光束在空间高速扫描应用的场合。
背景技术：
在激光光电子的许多应用中，需要光束在空间扫描。传统的方法是采用一个转镜或振镜。这种采用机械运动的方法所获得的扫描速度和精度比较低。为了提高扫描速度，减小器件的体积和重量，适应空间应用的需要，人们正在对光学相控阵技术进行深入的研究。光学相控阵是一种使光束波面的光相位产生周期性调制的光学器件。其基本原理如图1所示。当相位调制器列阵1的各个单元获得一个在空间上线性分布的随时间变化的相位时，将使光束波面在空间发生偏转，产生光束扫描的效果。在这一技术中，没有机械运动部件，因此可以获得很高的扫描速度。光学相控阵技术的关键是一个相位调制器列阵。人们已经利用不同的材料和技术，演示了光学相控阵性能。
在先技术之一，(P.F.Mcmanamon，et.al.Proceedings of the IEEE，1996，Vol.84，No.2，pp268-298)采用液晶制作相位调制器列阵。它具有驱动电压低、列阵周期小(光束扫描角度大)等优点，但是调制速度低、热稳定性差、工作波长范围受限制。在先技术之二，(E.Shekel，et.al.，LEOS2002，paper WA2)采用AlGaAs半导体异质结材料作波导型相位调制器列阵，该结构具有调制速度高，列阵周期小等优点，但是光束耦合效率低，列阵尺寸规模小，光功率受限制，工作波长范围小。在先技术之三，(R.A.Meyer，APPLIED OPTICS，1972，Vol.11，No.3，pp613-616)采用电光晶体做相位调制器，它具有调制速度快等优点，但存在工作电压高、材料成本高等缺点。针对晶体材料价格高，体积小的问题，人们已经和正在开发具有电光效应的透明陶瓷材料。其中掺镧锆钛酸铅(PLZT)是一种倍受重视的材料。在先技术之四，(J.A.Thomas et.al.OPTICSLETTERS，1995，Vol.20，No.13，pp1510-1512)利用PLZT材料的横向电光效应制作相位调制器列阵1，其结构如图2所示。由于利用横向电光效应，在光路上具有相位调制作用的距离很短，因此要求工作电压很高。同时，由于采用了叉指电极的结构，列阵每一个单元的尺寸比较大，因此光束偏转的角度比较小。在先技术之五，(Q.W.Song et.al.，APPLIEDOPTICS，1996，Vol.35，No.17，pp3155-3162)采用PLZT材料的纵向电光效应制作相位调制器列阵1，其结构如图3所示。该结构用透明电极施加电压，在光路上的材料都具有电光效应。但是，在该结构中，电极的尺寸与光路的长短也存在矛盾，即增大光路长度时，必须增大电极线度，否则列阵单元之间的串扰会产生不利影响。因此列阵单元的尺寸不能降下来，以致光束偏转的角度也比较小。同时，在采用PLZT的在先技术四和五中，PLZT都是以体块材料的形式使用，因此工作电压都比较高。
发明内容
针对上述在先技术的问题，本发明提出一种波导型电光材料相位调制器列阵及其制备方法。
本发明的技术解决方案如下一种电光波导光学相位调制器列阵，特征在于其构成自下而上依次是衬底、下电极、电光薄膜波导和上电极，所述的电光薄膜波导包括下包层、电光波导层和上包层，所述的上包层和电光波导层被多条直线形隔离沟隔成多条条形列阵结构，所述的上电极呈多条条形电极结构，所述的下电极为接地电极；所述的上电极的条形电极通过电极引线分别与驱动电压源相连，该驱动电压源再与计算机相连。
所述的隔离沟的深度自上电极、上包层、达电光波导层底部，但是不隔断下电极。
所述的电光波导光学相位调制器列阵的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)在衬底材料上生长下电极材料，该衬底材料的基本要求是同电光波导材料具有良好的热膨胀系数的匹配，所述的电极材料是以金、铂为主的合金材料，或具有导电性的化合物材料；(2)在下电极材料上生长下包层材料；(3)在下包层材料上制备电光波导材料，所述的下包层材料的折射率应低于电光波导材料的折射率；(4)在电光波导材料上面生长上包层材料，该上包层材料与下包层材料相同；(5)在上包层材料上生长上电极材料，该上电极材料与下电极材料相同；(6)采用半导体器件平面工艺的光刻技术制备隔离沟，形成包括上电极在内的多条条形列阵结构；(7)在垂直于条形电极的方向切割成片子，该片子自下而上依次是衬底、下电极、下包层、电光波导层、上包层和上电极，所述的上电极具有多条条形列阵结构，经研磨并抛光切割端面，蒸镀相应波长的增透膜；
(8)在上电极的各个条形电极上点焊电极引线，并完成列阵器件的封装。
所述生长的方法为真空蒸发方法、溅射方法、或溶胶—凝胶方法。
所述的电光波导材料是透明的电光陶瓷材料；采用溶胶—凝胶和烧结工艺制备，也可以用真空溅射和蒸发工艺制备。
所述的电光波导材料是电光晶体，采用芯片键合工艺与衬底和电极材料融合在一起，然后采用机械加工、抛光的工艺将晶体材料减薄到波导所需要的厚度。
本发明的相位调制器列阵的优点是1、由于采用薄膜材料，减小了电极间距，在获得相同电光效应的要求下，工作电压可以大大降低。
2、采用条形波导结构，光束行进方向与电极平行，相比在先技术，工作距离大为增加。因此在获得相同相移的要求下，所需要的电光双折射可以相应地减小，从而也可大大降低工作电压。
3、采用波导结构和工艺，在光束侧向排列的列阵单元之间的间距可以大大减小，因而可以增加列阵密度，带来增大光束扫描的角度范围的好处。
4、采用电光陶瓷和电光晶体材料的电光双折射效应，与液晶和半导体材料相比，具有稳定性好、调制速度快、工作波长范围大等优点。
图1是光学相控阵的基本原理；图2是采用横向电光效应结构的示意图；图3是采用纵向电光效应结构的示意图；图4是本发明的电光波导相位调制器列阵的基本结构示意图；图5是图4部分结构放大示意图；
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
先请参阅图4和图5，图4是本发明的电光波导相位调制器列阵的基本结构示意图，图5是图4部分结构放大示意图，由图可见，本发明电光波导光学相位调制器列阵的构成自下而上依次是衬底2、下电极3、电光薄膜波导1和上电极4，所述的电光薄膜波导1包括下包层11、电光波导层10和上包层12，所述的上包层12和电光波导层10被多条直线形隔离沟13隔成多条条形列阵结构，所述的上电极4呈多条条形电极结构，所述的下电极3为接地电极；所述的上电极4的条形电极通过电极引线41分别与驱动电压源5相连，该驱动电压源5再与计算机6相连。
所述的隔离沟13的深度自上电极4、上包层12、达电光波导层10底部，但是不隔断下电极3。
所述的电光波导光学相位调制器列阵的制备方法，包括下列步骤(1)在衬底材料上生长下电极材料，该衬底材料的基本要求是同电光波导材料具有良好的热膨胀系数的匹配，所述的电极材料是以金、铂为主的合金材料，或具有导电性的化合物材料；(2)在下电极材料上生长下包层材料；(3)在下包层材料上制备电光波导材料，所述的下包层材料的折射率应低于电光波导材料的折射率；(4)在电光波导材料上面生长上包层材料，该上包层材料与下包层材料相同；(5)在上包层材料上生长上电极材料，该上电极材料与下电极材料相同；(6)采用半导体器件平面工艺的光刻技术制备隔离沟，形成包括上电极在内的多条条形列阵结构；
(7)在垂直于条形电极的方向切割成片子，该片子自下而上依次是衬底、下电极、下包层、电光波导层、上包层和上电极，所述的上电极具有多条条形列阵结构，经研磨并抛光切割端面，蒸镀相应波长的增透膜；(8)在上电极的各个条形电极上点焊电极引线，并完成列阵器件的封装。
所述生长的方法为真空蒸发方法、溅射方法、或溶胶—凝胶方法。
所述的电光波导材料是透明的电光陶瓷材料；采用溶胶—凝胶和烧结工艺制备，也可以用真空溅射和蒸发工艺制备。
所述的电光波导材料是电光晶体，采用芯片键合工艺与衬底和电极材料融合在一起，然后采用机械加工、抛光的工艺将晶体材料减薄到波导所需要的厚度。
所述的隔离沟13采用半导体器件平面工艺的光刻方法来制备，在上电极4上制备多条形列阵结构。对于不同化学性质的电光材料，要采用不同的光刻步骤和工艺。对于没有腐蚀困难的材料可以采用常规光刻工艺实现。对于难以腐蚀的材料，可以采用图形凸印(Imprinting)的工艺直接制备在尚未烧结的溶胶—凝胶材料上；也可以采用剥离技术(Lift-off)先制作光刻胶的图形，再制备有关波导层的材料，然后用溶剂去除光刻胶，同时去除其上面的材料，留下需要的图形；也可采用几种不同工艺相结合的方法来制备。
本发明的电光波导相位调制器列阵的实施例1是采用掺镧锆钛酸铅(PLZT)材料制备。PLZT是一种集压电、铁电、电光、光致伸缩等特性于一体的铁电透明陶瓷材料。它在可见和近红外波段范围内都有很好的透明度。通过组分设计可以获得线性电光系数优于LiNbO3单晶十几倍，或者具有很强的二次电光特性的PLZT透明材料。目前国内外已经获得PLZT材料的二次电光系数可达10-16～10-15m2/V2量级。利用其电控双折射效应，可以实现对入射光的相位、强度、偏振的控制。PLZT可以采用化学合成和高温烧结方法制备，获得体块材料，再作进一步的加工。PLZT薄膜材料可以采用溶剂—凝胶技术制备，也可以采用真空溅射方法制备。
权利要求
1.一种电光波导光学相位调制器列阵，特征在于其构成自下而上依次是衬底(2)、下电极(3)、电光薄膜波导(1)和上电极(4)，所述的电光薄膜波导(1)包括下包层(11)、电光波导层(10)和上包层(12)，所述的上包层(12)和电光波导层(10)被多条直线形隔离沟(13)隔成多条条形列阵结构，所述的上电极(4)呈多条条形电极，所述的下电极(3)为接地电极；所述的上电极(4)的条形电极通过电极引线(41)分别与驱动电压源(5)相连，该驱动电压源(5)再与计算机(6)相连。
2.根据权利要求1所述的电光波导光学相位调制器列阵，其特征在于所述的隔离沟(13)的深度自上电极(4)、上包层(12)、达电光波导层(10)底部，但是不隔断下电极(3)。
3.权利要求1所述的电光波导光学相位调制器列阵的制备方法，其特征在于包括下列步骤(1)在衬底材料上生长下电极材料，该衬底材料的基本要求是同电光波导材料具有良好的热膨胀系数的匹配，所述的电极材料是以金、铂为主的合金材料，或具有导电性的化合物材料；(2)在下电极材料上生长下包层材料；(3)在下包层材料上制备电光波导材料，所述的下包层材料的折射率应低于电光波导材料的折射率；(4)在电光波导材料上面生长上包层材料，该上包层材料与下包层材料相同；(5)在上包层材料上生长上电极材料，该上电极材料与下电极材料相同；(6)采用半导体器件平面工艺的光刻技术制备隔离沟，形成包括上电极在内的多条条形列阵结构；(7)在垂直于条形电极的方向切割成片子，该片子自下而上依次是衬底、下电极、下包层、电光波导层、上包层和上电极，所述的上电极具有多条条形列阵结构，经研磨并抛光切割端面，蒸镀相应波长的增透膜；(8)在上电极的各个条形电极上点焊电极引线，并完成列阵器件的封装。
4.根据权利要求3所述的电光波导光学相位调制器列阵的制备方法，其特征在于所述生长的方法为真空蒸发方法、溅射方法、或溶胶—凝胶方法。
5.根据权利要求3所述的电光波导光学相位调制器列阵的制备方法，其特征在于所述的电光波导材料是透明的电光陶瓷材料；采用溶胶—凝胶和烧结工艺制备，也可以用真空溅射和蒸发工艺制备。
6.根据权利要求3所述的电光波导光学相位调制器列阵的制备方法，其特征在于所述的电光波导材料是电光晶体，采用芯片键合工艺与衬底和电极材料融合在一起，然后采用机械加工、抛光的工艺将晶体材料减薄到波导所需要的厚度。
全文摘要
一种波导型电光材料相位调制器列阵及其制备方法，该电光波导光学相位调制器列阵的构成自下而上依次是衬底、下电极、电光薄膜波导和上电极，所述的电光薄膜波导包括下包层、电光波导层和上包层，所述的上包层和电光波导层被多条直线形隔离沟隔成多条条形列阵结构，所述的上电极呈多条条形电极结构，所述的下电极为接地电极；所述的上电极的条形电极通过电极引线分别与驱动电压源相连，该驱动电压源再与计算机相连。其制备方法包括上述各层材料的生长、光刻制备隔离沟、切割、端面研磨抛光、镀增透膜、点焊电极引线等步骤。
文档编号G02F1/035GK1721919SQ20051002579
公开日2006年1月18日 申请日期2005年5月13日 优先权日2005年5月13日
发明者董作人, 方祖捷, 瞿荣辉, 刘峰, 叶青, 秦世博 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所