空间光调制器及其制备方法与流程

本发明涉及光学领域，特别是涉及一种空间光调制器及其制备方法。

背景技术：

光学信息处理技术以光学器件为基础，利用光波承载信息，采用并行方式处理信息，具有信息容量大、信息处理速度快的优点，在飞速发展的信息时代具有重要的应用价值，在光通信、生物传感器、光学计算机和数字全息成像等领域具有重要作用。

空间光调制器在光学信息处理系统中是一种重要的光学器件，具有多个像素单元，能够调节光波的振幅和相位等光学参量，使光学参量在空间中形成一维或二维分布。目前空间光调制器的种类主要是液晶空间光调制器。液晶空间光调制器的主要功能材料是液晶，还包括导向层和封框胶。封框胶等连接结构容易移动，存在固定稳定性弱的问题。液晶的使用温度通常不超过50℃。液晶、导向层和封框胶都是温度稳定性较低的有机物，在光照和较高温度下使用容易老化，存在使用温度低、使用寿命短的问题。液晶空间光调制器的调制机理通常采用液晶的电致双折射效应，由于液晶材料、液晶层的厚度的最小均匀性和液晶层最小厚度的限制，液晶空间光调制器存在调制速度低的缺点，调制速度通常在百赫兹量级。

由于液晶空间光调制器包含的结构零件较多，液晶空间光调制器的制备方法存在加工步骤多、加工难度高、生产成本高和成品率低的缺点。液晶空间光调制器的制备步骤通常包括硅基互补金属氧化物半导体集成电路的制备步骤和液晶面板贴合封装的步骤。硅基互补金属氧化物半导体集成电路的制备步骤通常包括第一次沉积氧化硅、第一次图形化、离子注入、去除剩余氧化硅、第二次沉积氧化硅、沉积氮化硅、第二次图形化、第三次沉积氧化硅、沉积氮化硅、第三次图形化以及制备接触孔、栅极和电极等，共包括9次沉积、3次离子注入和7次图形化等19个步骤，成品率为90％。液晶面板贴合封装的步骤包括制备导向层、曝光导向层、涂布封框胶、液晶灌注和涂布封口胶等5个步骤，成品率为30％。因此，液晶空间光调制器的制备步骤共24个，成品率为27％，成品率较低，生产成本高。其中，图形化的次数较多、对准偏差较大，接触孔的制备难度大，涂布封框胶对准偏差较大，因此液晶空间光调制器的加工难度高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，降低空间光调制器的加工难度，提高空间光调制器的成品率，本发明公开一种空间光调制器及其制备方法，具体方案如下。

一种空间光调制器，包括：

反射层，用于对入射波进行反射；

调制层，设置在所述反射层上，所述调制层的光学性质可调节，包括像素调制单元；

电极层，设置在所述调制层上，包括调制电极，所述调制电极设置在所述像素调制单元上，所述调制电极通过改变施加在所述像素调制单元的电压完成改变调制层的光学性质。

根据本发明的一些实施例，所述调制电极的数量为多个，多个所述调制电极呈阵列排布在所述电极层上。

根据本发明的一些实施例，所述反射层包括至少两层分层，每层所述分层的折射率均不同；所述反射层材质包括以下之一：导体、半导体或绝缘体。

根据本发明的一些实施例，所述反射层的层数为偶数层，层数编号为奇数的分层的材质为sio2，厚度为240nm的正整数倍，折射率为1.5；层数编号为偶数的分层的材质为ta2o5，厚度为190nm的正整数倍，折射率为2.0。

根据本发明的一些实施例，所述调制层的材质包括以下之一：热光材料、电光材料、声光材料或磁光材料。

根据本发明的一些实施例，所述电极层还包括：

公共电极焊盘，通过引出电极与所述调制电极连接；

像素电极焊盘，通过引出电极与所述调制电极连接；

其中，所述公共电极焊盘与外接电源的负极连接，所述像素电极焊盘与外接电源的正极连接；或者，

所述公共电极焊盘与外接电源的正极连接，所述像素电极焊盘与外接电源的负极连接。

根据本发明的一些实施例，所述电极层的材质包括以下之一或组合：金属、合金和透明导电氧化物。

一种空间光调制器的制备方法，包括：

在衬底层上制备反射层；

在反射层上制备调制层，将所述调制层进行图形化制备像素调制单元；

在所述调制层上制备电极层，将所述电极层进行图形化制备调制电极、引出电极、公共电极焊盘和像素电极焊盘；

在所述电极层上制备绝缘层，将所述绝缘层进行图形化；

其中，所述调制电极设置在所述像素调制单元上，所述公共电极焊盘与外接电源的负极连接，所述像素电极焊盘与外接电源的正极连接；或者，

所述公共电极焊盘与外接电源的正极连接，所述像素电极焊盘与外接电源的负极连接。

根据本发明的一些实施例，将所述调制层进行图形化之前还包括，将所述调制层的下表面进行减薄和抛光，将所述反射层的上表面和所述调制层的下表面进行键合。

根据本发明的一些实施例，制备所述反射层、制备所述调制层、制备所述电极层和制备所述绝缘层包括物理法或化学法；所述物理法包括以下之一：磁控溅射法、离子束溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法或分子束外延法；所述化学法包括以下之一：化学气相沉积法、电化学法、溶胶凝胶法或水热法。

通过上述技术方案，通过采用调制电极通过改变所述像素调制单元的电压完成改变调制层的光学性质，进而实现对光波的调制，相较于液晶空间光调制器，同时，因为采用了使用无机物作为固体状态的反射层、调制层、电极层以及绝缘层，具有稳定性高，鲁棒性高，使用寿命长和调制速度高的特点。

附图说明

图1示意性示出了本发明实施例的空间光调制器结构示意图；

图2示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器结构示意图；

图3示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的俯视示意图；

图4示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器的俯视示意图；

图5示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的制备方法的流程图；

其中，100表示衬底层；200表示反射层，201-208分别表示反射层的奇数分层和偶数分层；300表示调制层，301表示像素调制单元；400表示电极层，401表示公共电极焊盘，402表示像素电极焊盘，403表示引出电极，404表示调制电极；500表示绝缘层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明的目的在于提供一种空间光调制器及其制备方法，利用所述空间光调制器可以解决固定稳定性弱、使用温度低、使用寿命短和调制速度低的问题，利用所述空间光调制器的所述制备方法可以解决加工步骤多、加工难度高、成品率低和生产成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明公开一种空间光调制器及其制备方法，具体方案如下。

图1示意性示出了本发明实施例的空间光调制器结构示意图。

如图1所示，一种空间光调制器，包括：反射层200、调制层300和电极层400。

根据本发明的一些实施例，反射层200用于对入射波进行反射，具体的，光波依次穿过电极层400和调制层300，在反射层200发生反射，再依次穿出调制层300和电极层400，完成对光波的调制。

根据本发明的一些实施例，反射层200包括至少两层分层，每层分层的折射率均不同；反射层200材质包括以下之一：导体、半导体或绝缘体。

根据本发明的一些实施例，反射层200的层数为偶数层，层数编号为奇数的分层的材质为sio2，厚度为240nm的正整数倍，折射率为1.5；层数编号为偶数的分层的材质为ta2o5，厚度为190nm的正整数倍，折射率为2.0。

图2示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器结构示意图。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，可选地，反射层200包括8层。

其中，编号为奇数的分层(如：分层201、分层203、分层205和分层207)的材质为sio2，厚度为240nm的正整数倍，折射率为1.5。

编号为偶数的分层(如：分层202、分层204、分层206和分层208)的材质为ta2o5，厚度为190nm的正整数倍，折射率为2.0。

通过上述结构，可以使得反射层200在1550nm波长光波的反射率为95％。

根据本发明的一些实施例，反射层200由高折射率材料和低折射率材料的分层间隔组成，可以实现较高的反射率。

根据本发明的一些实施例，反射层200位于调制层300的下方，反射层200具有较高的反射率，所以反射层200可以将从上方入射穿过调制层300的光波反射回到上方，从而实现光波的调制，构成反射式空间光调制器。

根据本发明的一些实施例，反射层200的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，反射层200为导体al。al的厚度为200nm，在1550nm波长的反射率为90％。

根据本发明的一些实施例，调制层300设置在反射层200上，调制层300的光学性质可调节，包括像素调制单元301。

根据本发明的一些实施例，调制层300的光学性质可调节，包括折射率或吸收系数。

根据本发明的一些实施例，像素调制单元301的形状包括立方体、长方体、圆柱体或梯形锥体。

根据本发明的一些实施例，像素调制单元301的数量为多个，相邻的两个像素调制单元301之间设置有间隙。

根据本发明的一些实施例，调制层300的材质包括以下之一：热光材料、电光材料、声光材料或磁光材料。

根据本发明的一些实施例，调制层300为导体、半导体或绝缘体。

根据本发明的一些实施例，调制层300的结构为薄膜结构、纳米结构、超晶格结构或光子晶体结构。

根据本发明的一些实施例，调制层300包括以下之一：si、ge、ito、azo、zno、gan、aln、zns、sic、alp、gap、au、ag、pt、vo2、linbo3、litao3、batio3、ta2o5或sio2。

根据本发明的一些实施例，调制层300的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，可选地，调制层300为batio3。batio3的厚度为500nm。batio3是一种电光材料，其电光系数为105pm/v，在1550nm波长的折射率为2.1。可以理解的是，调制层300位于电极层400的下方，调制层300具有较大的电光系数，所以通过电极层400对调制层300施加电压，可以改变调制层300的折射率，从而改变入射光通过调制层的光程差，实现光波的调制。

根据本发明的一些实施例，可选地，调制层300为vo2。vo2的厚度为100nm。vo2是一种热光材料，在1550nm波长的折射率为2.1。可以理解的是，调制层300位于电极层400的下方，所以通过对电极层400施加电压产生的热量可以使调制层300的温度发生改变，从而改变调制层300的折射率，进而改变入射光通过调制层300的光程差，实现光波的调制。

图3示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的俯视示意图；图4示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器的俯视示意图。

根据本发明的一些实施例，可以结合图2进行描述，如图3和图4所示，电极层400设置在调制层300上，包括调制电极404，调制电极404设置在像素调制单元301上，调制电极404通过改变施加在像素调制单元301的电压完成改变调制层300的光学性质。

根据本发明的一些实施例，调制电极404的数量为多个，多个调制电极404呈阵列排布在电极层上。

根据本发明的一些实施例，调制电极404的形状包括立方体、长方体、圆柱体或梯形锥体。

根据本发明的一些实施例，调制电极404的形状与像素调制单元301的形状一致。

根据本发明的一些实施例，可选地，电极层400为au。au的厚度为100nm。au材料的电阻率为2.4×10^-8ω·m。调制电极404的长度为1mm，宽度为1μm，间距为1mm。

根据本发明的一些实施例，可选地，公共电极焊盘401的长度和宽度都为100μm。

根据本发明的一些实施例，可选地，像素电极焊盘402的长度和宽度都为100μm，竖直方向的较小的间距为10μm。

根据本发明的一些实施例，引出电极403的宽度为1μm，引出电极和调制电极在竖直方向的较小的间距为1μm。

根据本发明的一些实施例，电极层共有16个调制电极404，呈4*4阵列排布，对应的，每个调制电极404下方对应一个像素调制单元301。公共电极焊盘401的数量是1个，公共电极焊盘401用于连接外部电源的负极，通过引出电极403与每一个调制电极404的一端连接。像素电极焊盘402的数量是16个，像素电极焊盘402用于连接外部电源的正极，每一个像素电极焊盘402通过引出电极403与一个调制电极404的另一端连接。可以理解的是，电极层400位于调制层300的上方，公共电极焊盘401和每个像素电极焊盘402可以独立控制每个像素调制单元301上的电压，从而独立控制调制层300的折射率，进而实现光波在空间的二维分布。

根据本发明的一些实施例，电极层400还包括公共电极焊盘401、引出电极403和像素电极焊盘402。

根据本发明的一些实施例，公共电极焊盘401、像素电极焊盘402、引出电极403和调制电极404之间均设置有间隙。

根据本发明的一些实施例，电极层400的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，调制电极404的长度为1nm至1mm，宽度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，公共电极焊盘401的长度为1nm至1mm，宽度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，像素电极焊盘402的长度为1nm至1mm，宽度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，引出电极403的长度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，两个相邻的调制电极404的间距为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，引出电极403和调制电极404在竖直方向的间距为1nm到1mm。

根据本发明的一些实施例，公共电极焊盘401通过引出电极403与调制电极404连接。

根据本发明的一些实施例，像素电极焊盘402通过引出电极403与调制电极404连接。

根据本发明的一些实施例，公共电极焊盘401与外接电源的负极连接，像素电极焊盘402与外接电源的正极连接；或者，

公共电极焊盘401与外接电源的正极连接，像素电极焊盘402与外接电源的负极连接。

根据本发明的一些实施例，电极层400的材质包括以下之一或组合：金属、合金和透明导电氧化物。

根据本发明的一些实施例，电极层400包括ag、cu、au、al、pt、ni、cr、ti或ito。

根据本发明的一些实施例，电极层400为au。au的厚度为100nm。au材料的电阻率为2.4×10^-8ω·m。调制电极404的宽度为1μm。

根据本发明的一些实施例，如图4所示，调制电极404的形状为正方形框架或正方形结构，如图4中所示，301表示调制层300内位于调制电极404下方区域内部分结构，调制电极404的正方形的边长为1mm。公共电极焊盘401的长度和宽度都为100μm。像素电极焊盘402的长度和宽度都为100μm，竖直方向的较小的间距为10μm。引出电极403的宽度为1μm。引出电极和调制电极在竖直方向的较小的间距为1μm。电极层共有16个调制电极404，呈4*4阵列排布，对应的，每个调制电极404下方对应一个像素调制单元301。公共电极焊盘401的数量是1个，公共电极焊盘401用于连接外部电源的负极，通过引出电极403与每一个调制电极404的一端连接。像素电极焊盘402的数量是16个，像素电极焊盘402用于连接外部电源的正极，每一个像素电极焊盘402通过引出电极403与一个调制电极404的另一端连接。可以理解的是，电极层400位于调制层300的上方，公共电极焊盘401和每个像素电极焊盘402可以独立控制每个像素调制单元301上的电压，从而独立控制调制层300的折射率，进而实现光波在空间的二维分布。

图2示意性示出了本发明另一实施例的空间光调制器结构示意图。

根据本发明的一些实施例，如图2所示，空间光调制器还包括衬底层100，衬底层100设置在反射层200的下面。

根据本发明的一些实施例，衬底层100为导体、半导体或绝缘体。

根据本发明的一些实施例，衬底层的材质包括al、si、sio2或al2o3。

根据本发明的一些实施例，衬底层100的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，衬底层100为si材料。衬底层的厚度为0.4mm。衬底层主要用于承载，有利于实现高度集成。衬底层的价格比较便宜，能降低生产成本。

根据本发明的一些实施例，空间光调制器还包括绝缘层500，绝缘层500设置在电极层400的上面。

根据本发明的一些实施例，绝缘层500为单晶材料、多晶材料或非晶材料。

根据本发明的一些实施例，绝缘层500包括以下之一：sio2、tio2、ta2o5、al2o3或si3n4。

根据本发明的一些实施例，绝缘层500的厚度为1nm至1mm。

根据本发明的一些实施例，绝缘层500为al2o3。al2o3的厚度为200nm，在1550nm波长的折射率为1.9。可以理解的是，绝缘层具有优良的绝缘性能和耐磨性能，从而能够防止电极短路、防止电极层的表面被氧化、保护调制层表面。

根据本发明的一些实施例，反射层200、调制层300和电极层400都是固体，且反射层200、调制层300和电极层400都是无机物。无机物固体的使用温度通常高于液晶等有机物，具有使用温度高的优点。同时，无机物固体的抗老化性通常高于有机物，具有使用寿命长的优点，并且，反射层200、调制层300和电极层400的位置及相对位置均为固定不可变的，因此，本发明公开的空间光调制器相较于现有技术中的液晶空间光调制器，具有稳定性高，鲁棒性高，使用寿命长的特点。

另外，调制层300是固体，且调制层300是无机物。无机物固体调制层300的厚度的最小均匀性优于液晶层，无机物固体调制层300的最小厚度比液晶层的厚度小1个量级，具有调制速度高的优点，所以，本申请的空间光调制器的调制速度比液晶空间调制器的调制速度高4个量级以上，相较于现有技术中液晶空间光调制器的调制速度在百赫兹量级，本发明公开的空间光调制器的调制速度可以达到兆赫兹量级。

图5示意性示出了本发明实施例的空间光调制器的制备方法的流程图。

如图5所述，本发明还公开了一种空间光调制器的制备方法，包括：

s1：在衬底层100上制备反射层200；

s2：在反射层200上制备调制层300，将调制层300进行图形化制备像素调制单元301；

s3：在调制层300上制备电极层400，将电极层400进行图形化制备调制电极404、引出电极403、公共电极焊盘401和像素电极焊盘402；

s4：在电极层400上制备绝缘层500，将绝缘层500进行图形化；

其中，调制电极404设置在像素调制单元301上，公共电极焊盘401与外接电源的负极连接，像素电极焊盘402与外接电源的正极连接；或者，

公共电极焊盘401与外接电源的正极连接，像素电极焊盘402与外接电源的负极连接。

根据本发明的一些实施例，图形化的工艺方法包括光刻和刻蚀。

根据本发明的一些实施例，将调制层300进行图形化之前还包括，将调制层300的下表面进行减薄和抛光，将反射层200的上表面和调制层300的下表面进行键合。

根据本发明的一些实施例，制备反射层200、制备调制层300、制备电极层400和制备绝缘层500包括物理法或化学法；物理法包括以下之一：磁控溅射法、离子束溅射法、电子束蒸发法、热蒸发法或分子束外延法；化学法包括以下之一：化学气相沉积法、电化学法、溶胶凝胶法或水热法。

根据本发明的一些实施例，本发明公开的空间光调制器的制备方法包括4次沉积和3次图形化，共7个小步骤，远远地少于现有技术中液晶空间光调制器的加工步骤(24个)，因此，本发明公开的空间光调制器的制备方法简化了加工工艺，提高了生产效率，降低了生产成本。

另外，本发明公开的空间光调制器的制备方法只包括沉积和图形化等加工难度较低的工艺，图形化的次数较少、对准偏差较小，不存在接触孔和封框胶的制备，具有加工难度低的优点，进一步降低了成产成本和提高了生产效率。

通过本发明公开的空间光调制器的制备方法生产空间光调制器的成品率可以高达90％，相较于现有技术中液晶空间光调制器的成品率27％，提高了产率，降低了损耗与成本。

本发明公开的空间光调制器的调制机理为：利用调制层300的光学性质的变化调制经过空间光调制器的光波的光学参量。采用入射光照射空间光调制器，通过电极层400对调制层300施加某种能量(例如：电和热等)改变调制层300的光学性质(例如：折射率和吸收系数等)，从而改变空间光调制器的反射光的光学参量(例如：相位和振幅等)。反射层200位于调制层300的下方，反射层200对某个波长或某段波长具有较高的反射率，所以反射层200可以将从上方入射穿过调制层300的光波反射回到上方，从而实现光波的调制。电极层400位于调制层300的上方，公共电极焊盘401和每个像素电极焊盘402可以独立控制每个像素调制单元301的电压，从而独立控制调制层300的折射率，进而实现光波在空间的二维分布。

通过上述技术方案，通过采用调制电极通过改变像素调制单元的电压完成改变调制层的光学性质，进而实现对光波的调制，同时，因为采用了使用无机物作为固体状态的反射层、调制层、电极层以及绝缘层，相较于液晶空间光调制器，具有结构简单，稳定性高，鲁棒性高，使用寿命长以及调制速度高的特点，调制速度可以达到兆赫兹量级。配合其对应的制备方法，具有加工步骤少、加工难度低、成品率高，生产成本低等诸多的有益效果。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。