可调马赫-曾德尔干涉仪阵列的制备方法
【专利摘要】本发明提供一种可调马赫-曾德尔干涉仪阵列的制备方法，所述制备方法利用塔尔博特效应对光强的重新分布在空间中的特殊构型—塔尔博特地毯，结合光取向技术，对液晶进行塔尔博特地毯型图案取向，基于该液晶塔尔博特地毯，可实现由液晶波导构成的马赫增德尔干涉仪阵列，对液晶波导马赫-曾德尔干涉仪单臂进行定域加场，即可调节干涉仪阵列的输出光谱。本发明具有易于加工，无需复杂的模板设计和光路系统简单等特性。
【专利说明】可调马赫-曾德尔干涉仪阵列的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电子【技术领域】，具体涉及一种可调马赫-曾德尔干涉仪阵列的制备 方法。
【背景技术】
[0002] 塔尔博特效应是一种近场衍射现象。单色光照射在光栅上，在特定的位置时（塔 尔博特距离），其衍射图案会重复原来的光栅结构。而且在1/4周期的地方，还可以得到光 栅周期翻倍的结构。如果沿着其传播方向来看，衍射光强分布的图案形成地毯型的分布，叫 做塔尔博特地毯。这种简单而又美丽的现象可以用于光刻，波前传感，距离测量等。
[0003] 光取向是一门新兴的技术，工艺简单，是一种无损的取向方法，在液晶显示行业具 有广阔的应用前景。具有光敏性质的单体分子，在偏振光的照射下，会倾向于沿着或垂直于 光偏振方向排列，取向层分子的有序性传递给液晶即导致了液晶取向。光取向在图案及分 区域取向上较传统方法具有明显的优势，它工艺简单快捷且成本低廉。采用光取向在液晶 里实现塔尔博特地毯型图案复制将是一种非常实用的方法。
[0004] 光通讯是一个庞大的产业，需要各种主动或被动的光子器件。在众多光子学器件 中，马赫-曾德尔干涉仪是一种基础元件，它可用于光开光、可调节光衰减器、光耦合器、光 波分复用器件等。因而实现马赫-曾德尔干涉仪及其阵列的快速廉价制备非常有意义。传 统的制备马赫-曾德尔干涉仪需要用到复杂的光刻模板或者昂贵低效的电子束刻蚀、离子 束刻蚀等手段，效率和成本都有待改进。开拓简便高效的制备技术具有重要的实用价值。
【发明内容】
[0005] 本发明目的在于利用塔尔博特效应光取向液晶实现可调马赫-曾德尔干涉仪阵 列的快速、廉价制备，以满足其在光通讯、传感、集成光学等领域的广阔应用。
[0006] 为达成上述目的，本发明提出一种可调马赫-曾德尔干涉仪阵列的制备方法，具 体包括下列步骤：
[0007] 1)设计优化光栅参数，选取恰当的周期和占空比，以获得所需的马赫-曾德尔干 涉仪臂宽度和臂长；
[0008] 2)根据设定参数值在基板指定位置制备微电极阵列，使之与器件最终电场设置相 匹配；
[0009] 3)在上述基板上旋涂光取向层并作退火处理；
[0010] 4)将光栅倾斜一定角度Θ置于光路中，确保在垂直于光传播方向的平面上跨越1 倍塔尔博特距离与1. 5倍塔尔博特距离，以在基片上获得塔尔博特地毯型的光强分布；
[0011] 5)进一步精确调节光栅的倾斜角度Θ，对塔尔博特地毯型图案进行拉伸或压缩， 获得预设的马赫-曾德尔干涉仪阵列的臂长，该过程用CCD实时监控；
[0012] 6)精确调节基板在X-y坐标系内的位置，使预设电极与光强分布（衍射仪单臂位 置）精确匹配，确保器件最终的可电调谐性；
[0013] 7)曝光0. 5-10分钟，将塔尔博特地毯图案光取向转移至光取向层；
[0014] 8)将两篇取向好的玻璃基板对准制成液晶盒，并灌入液晶，即制作完成基于液晶 的可调马赫-曾德尔干涉仪阵列。
[0015] 本发明具有如下有益效果：
[0016] (1)利用液晶光取向技术，避免了电子束曝光及离子束刻蚀等工艺效率低、成本高 昂的不足，且与其它半导体加工工艺完美兼容；
[0017] (2)利用塔尔博特光刻技术，通过设置简单的光栅结构就可获得复杂的塔尔博特 地毯型结构制备，光路简单且避免了使用复杂的光刻掩模；
[0018] (3)制备方案简便高效、廉价、可批量生产，器件性能稳定，各项指标达到光通信、 光纤传感、集成光学等领域的实用要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1塔尔博特光刻技术示意图。
[0020] 图2光场塔尔博特地毯型分布示意图。
[0021] 图3C⑶检测到的塔尔博特地毯型光场分布示意图。
[0022] 图4塔尔博特地毯型马赫-曾德尔干涉仪阵列的示意图。
[0023] 图5单个马赫-曾德尔干涉仪的双臂位相随施加电压的差值变化曲线。
[0024] 图6单个马赫-曾德尔干涉仪的输出光强随施加电压的变化曲线。
【具体实施方式】
[0025] 为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
[0026] 具体结构设计如附图1所示，光栅倾斜一定的角度Θ放置，一束光强分布均匀的 平行单色相干光从左往右照射在光栅上。由于塔尔博特效应，当光栅坚直放置时，在距离不 同的位置，光强会重新分布，产生相长或相消干涉，从而在传播平面上构建出不同的图案。 这样，在沿着光传播方向，会出现类似于地毯型的光强分布，叫做塔尔博特地毯，如附图2。 在整数倍塔尔博特距离（LT)处，光强分布会重复光栅的图案。
[0027] LT = 2 Λ2/ λ
[0028] 其中，Λ为光栅周期，λ为入射光的波长。而在本实施例中，由于光栅倾斜，涂有 光取向层的ΙΤ0玻璃基板上的不同位置与光栅的距离不同，可以将沿传播方向的塔尔博特 地毯变换到坚直方向上。在垂直于光传播方向上的塔尔博特地毯中的等效塔尔博特距离 为：
[0029] LTeff = LTcot θ = 2 Λ 2cot θ / λ
[0030] 这样，可以通过调节光栅的倾角θ来调节等效的塔尔博特距离。
[0031] 在设计中，我们使用的光栅周期为Λ = ΙΟΟμπι，占空比为η = 1:3。入射光波长 λ = 405nm。光栅倾斜角为Θ = 45°。此时：
[0032] LTeff = LT = 4. 94cm
[0033] 如附图3所示，通过C⑶成像，我们可以观察到光场在竖直平面上的塔尔博特地毯 型分布。
[0034] 在ΙΤ0玻璃基板上，我们旋涂一层光取向层（如SD1)。经过曝光0· 5-10分钟后， SD1会沿着与光偏振垂直的方向生成长链状分子。这样，通过光取向的方法，将塔尔博特地 毯图案的信息记录到ITO玻璃基板上。将曝光过后的玻璃基板，制作成盒厚约4 μ m的液晶 盒，并灌入液晶（E7)。这样，我们就得到了基于液晶的可调马赫-曾德尔干涉仪阵列。如附 图4所示，将做好的液晶盒置于偏光显微镜下，可以观察到许多Y型结的结构。
[0035] 液晶是一种光学性质可调的单轴光学晶体，在电场或磁场的作用下，液晶分子的 指向矢发生变化，从而引起有效折射率的改变。如附图5所示，液晶的有效双折射率随电 压而改变，其中液晶盒盒厚为d = 4μ m,取向方式为平行取向，所用液晶为E7。通过小区 域加电场，可以单独调节干涉仪某条臂，从而调节输出光谱。考虑一种有代表性的简单情 况，马赫-曾德尔干涉仪中，经过两条臂的光强是相等的，只是这两束光之间存在位相差： Δ φ = 2π Δ /?//M。施加电场部分的臂长为1 = 20 μ m，根据光的相干叠加原理，输出 光的光强为
[0036] I = cos2(2 π Λη?/λ )
[0037] 如附图6所示，可实现输出光强由最大调节到最小，其中信号光波长为1550nm。
[0038] 综上所述，本发明利用塔尔博特效应对光强的重新分布在空间中的特殊构型一塔 尔博特地毯，结合光取向技术，对液晶进行塔尔博特地毯型图案取向。基于该液晶塔尔博特 地毯，可实现由液晶波导构成的马赫增德尔干涉仪阵列。对液晶波导马赫-曾德尔干涉仪 单臂进行定域加场，即可调节干涉仪阵列的输出光谱。本发明具有易于加工，无需复杂的模 板设计和光路系统简单等特性。该项技术制备成本低、效率高、适于批量生产，器件的稳定 性和重复性都满足实用要求，在光通信、集成光学等领域都能发挥广泛应用。
[〇〇39] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技 术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因 此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
【权利要求】
1. 一种可调马赫-曾德尔干涉仪阵列的制备方法，其特征在于，包括下列步骤： D Lt = 2 Λ V λ，根据目标马赫-曾德尔干涉仪臂宽度LT及曝光波长λ选取光栅周期 Λ，并优化光栅占空比以获得最佳自成像效果； 2) 根据预设的参数对映的马赫-曾德尔干涉仪结构尺寸和位置在玻璃基板待调谐单 臂处制备微电极阵列，使之与马赫-曾德尔干涉仪阵列最终电场设置相匹配； 3) 在上述玻璃基板设有结构电极的一面旋涂光取向层并作退火处理； 4) 将光栅倾斜一定角度Θ置于光路中，确保基板平面跨越1倍塔尔博特距离与1.5倍 塔尔博特距离，以在玻璃基板上获得塔尔博特地毯型的光强分布； 5) 依据LTeff = LTcot Θ = 2 Λ 2cot θ / λ精确调节光栅的倾斜角度Θ，对塔尔博特地毯 型图案进行拉伸或压缩，获得预设的马赫-曾德尔干涉仪阵列的臂长LTrff，该过程用CCD实 时监控； 6) 透过显微观测系统结合CCD观测，利用精密位移台精确调节基板在x-y坐标系内的 位置，使预设电极与塔尔博特地毯单臂区域精确重合，确保马赫-曾德尔干涉仪阵列器件 良好的电调谐特性； 7) 曝光0. 5-10分钟，将塔尔博特地毯图案光取向转移至光取向层； 8) 将两片取向后的玻璃基板对准制成液晶盒，并灌入液晶，即制作完成基于液晶的可 调马赫-曾德尔干涉仪阵列。
【文档编号】G02F1/1333GK104090400SQ201410266788
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月16日 优先权日:2014年6月16日
【发明者】陆延青, 胡锡奎, 胡伟, 魏冰妍, 徐飞 申请人:南京大学