一种液晶器件、光学调制装置和系统的制作方法

本技术涉及光通信领域，并且更具体地，涉及一种液晶器件、光学调制装置和系统。

背景技术：

1、光束偏转技术是一种对光束传播方向进行精准控制的技术。光学相控阵技术凭借轻小化、多路同时控制、电控可编程等特点在众多光束偏转技术中占据独特优势，其实现方式是对波前相位进行调制，使光束在特定方向上偏转，以达到光束扫描的目的。

2、其中，相位型硅基液晶(liquid crystal on silicon，lcos)作为液晶光学相控阵器件，可以使入射光传输后产生等效于光栅的效果，实现高分辨率空间光相位调制，进而改变光束的传播方向。虽然液晶光学相控阵器件能够实现一定范围内高精度、非机械式、稳定的光束扫描，但由于存在较大的像素尺寸以及光学回程区，导致其偏转角度受到限制，并且在大角度偏转下易产生较高的插损。

3、因此，如何实现lcos器件的大角度偏转，且保持低插损是亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种液晶器件、光学调制装置和系统，能够实现入射光的大角度偏转，且保持器件的低插损。

2、第一方面，提供了一种液晶器件，包括：硅基背板、液晶层、透明盖板、超构表面结构以及包覆层。其中，液晶层位于透明盖板和包覆层之间，包覆层位于超构表面结构和液晶层之间，超构表面结构位于包覆层与硅基背板之间。

3、其中，超构表面结构以及包覆层的材料是不同的。示例性的，超构表面结构的材料可以是硅，包覆层的材料对应的可以是氧化硅或氮化硅。

4、需要说明的是，在本技术实施例中，超构表面结构(metasurface)也可以称为超表面结构。应理解，超构表面结构是一种具有光束偏转功能的横向亚波长尺寸量级的超薄微纳光学结构，用于实现高效光聚焦和光束整形，可以在不到一个光学波长的薄膜结构层上实现全2π相位的准确控制，从而实现对光波、电磁波相位、偏振方式、传播模式等特性的灵活有效调控。

5、具体地，超构表面结构用于对光信号的偏转角度进行调节。其中，具体的光束偏转角度可以通过设计不同的微纳结构进行灵活调节，比如通过改变微纳结构的尺寸、材料、在硅基背板上的空间排布等，最终实现大角度范围的光束偏转扫描。包覆层用于平化超构表面结构。其中，平化是指对微纳结构(超构表面结构)的表面进行填平，使其表面平整，有利于兼容后续液晶层的封装工艺。

6、本技术所揭示的液晶器件，以传统lcos器件为例，通过在硅基背板与液晶层之间制备一层或多层超构表面结构，引入光束预倾角(a)，以实现对光束传播方向预倾斜。与传统液晶器件相比，在光束偏转角度方面多出一个调节的自由度，使得可以通过改变预倾角的度数来灵活调节器件光束扫描范围。利用超构表面结构对光束的静态偏转，以及传统lcos器件的液晶层对光束动态偏转扫描(-b～b)，提升整体光束角度扫描范围(a-b～a+b)。

7、另外，本技术所揭示的液晶器件实现大角度光束扫描的功能来源于超构表面结构的引入，不依赖器件液晶层的调制，其衍射效率和插损与传统器件相比无差别，能够在保持低插损的前提下，大幅度增加器件的扫描角度范围。

8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，液晶器件为硅基液晶lcos器件。

9、可选地，液晶器件是液晶显示器(liquid crystal display，lcd)。其中，lcd的构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，下玻璃基板上设置薄膜场效应晶体(thinfilm transistor，tft)，上玻璃基板上设置彩色滤光片，通过改变tft上的信号与电压来控制液晶分子的转动方向，从而实现控制每个像素点偏振光出射与否而达到显示目的。

10、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，透明盖板上靠近液晶层的一侧包括电极层#1。

11、其中，电极层#1用于保护液晶层，以及使光信号透过并导电。

12、可选地，在液晶层与包覆层之间包括电极层#2。也就是说，液晶层包括导向材料，可以在零电压情况下固定液晶分子的排列方向。因此，在液晶层上下两侧均有电极层。例如，电极层#1为负极，电极层#2为正极。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，电极层#1为氧化铟锡(indium tinoxide，ito)层。

14、其中，ito层具有很好的导电性和透明性，能够使光信号透过并导电。

15、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，硅基背板包括驱动电路、反射层和钝化层，反射层和钝化层位于超构表面结构和驱动电路之间。

16、示例性的，反射层的材料可以是铝al，用于提高硅基背板的反射率。钝化层的材料可以是介质材料sio2或者sin，用于防止al金属氧化。

17、示例性的，驱动电路可以是cmos芯片，用于在反射层与透明盖板之间施加电压，以驱动调制液晶层(例如，液晶分子的旋转角度)，达到对光束进行相位调制的目的。

18、可选地，硅基背板还包括电极层#2和像素阵列。其中，驱动电路、电极层#2、像素阵列、反射层和钝化层可以集成在硅基背板上；或者，电极层#2和像素阵列集成在驱动电路上，且驱动电路、反射层和钝化层集成在硅基背板上。

19、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，超构表面结构包括多个元胞，多个元胞中的每个元胞包括多个微纳结构，多个微纳结构的表面积沿同一方向逐渐增加。

20、应理解，微纳结构是具有亚波长量级尺寸的超薄结构，每个微纳结构对入射光具有特定的相位延迟，不同微纳结构的尺寸和空间排布可以生成特定的相位梯度。

21、其中，多个微纳结构的表面积沿同一方向逐渐增加，可以理解为：多个微纳结构的几何参数(例如，半径r、边长(例如，长和宽)、周长)沿同一方向逐渐增加。

22、示例性的，当微纳结构的形状为矩形，则对应的几何参数可以是长、宽或周长；当微纳结构的形状为圆柱形，则对应的几何参数可以是r或周长。

23、在该实现方式中，超表面结构一般是按照元胞进行周期排布的，即同一超构表面结构的多个元胞的周期通常是相同的，且每个元胞内的多个微纳结构的几何参数沿同一方向逐渐变化。例如，超表面结构#1包括元胞#1和元胞#2，则元胞#1和元胞#2分别包括6个微纳结构，且这6个微纳结构的表面积在元胞内沿着同一方向(例如，从左至右)依次增加。

24、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，液晶器件包括多个超构表面结构，其中，任意两个超构表面结构位于硅基背板的不同区域，且任意两个超构表面结构的元胞的周期不同。

25、具体地，根据闪耀光栅公式tanθ＝λ/t可以得出，光束偏转角度θ反比于光栅周期t。其中，λ表示入射光波长。

26、通过改变相位梯度可以灵活调节光束偏转角度θ，利用超构表面结构的元胞的周期不同，可以产生不同相位梯度(例如，0～2π)，进而引入不同的预倾角(a)，以实现-90°到90°角度范围的光束偏转。

27、示例性，超构表面结构#1包括元胞#1和元胞#2，元胞#1和元胞#2分别包括10个微纳结构，尺寸依次为1nm至10nm逐渐增加，相位梯度为0～2π。类似地，超构表面结构#2包括元胞#3和元胞#4，元胞#3和元胞#4分别包括8个微纳结构，尺寸依次为1nm至8nm逐渐增加，相位梯度为0～π。此时，超构表面结构#1(元胞#1)和超构表面结构#2(元胞#3)的元胞的周期是不同的。

28、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，任意两个超构表面结构的元胞内的微纳结构的数量不同。

29、示例性，超构表面结构#1的元胞包括10个微纳结构，超构表面结构#2的元胞包括8个微纳结构。

30、基于上述方案，通过改变微纳结构的数量可以调节预倾角a，进而产生不同的相位梯度实现不同范围的光束偏转，例如-90～90°。

31、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，任意两个超构表面结构的元胞内的微纳结构的尺寸不同，微纳结构的尺寸与入射光的波长相关联。

32、应理解，微纳结构的尺寸与入射光的波长相关联，可以理解为微纳结构的尺寸变化范围一般为λ/4至λ/2，λ为入射光的波长，即微纳结构的尺寸大于或等于入射光波长的四分之一，且小于或等于入射光波长的二分之一。

33、示例性的，入射光的波长为400nm，则微纳结构的尺寸范围可以是100nm至200nm。

34、基于上述方案，通过改变微纳结构的尺寸可以调节预倾角a，进而产生不同的相位梯度实现不同范围的光束偏转，例如-90～90°。

35、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，液晶器件还包括反射器件。其中，反射器件，用于将完成第一级光调制后的入射光照射至液晶器件的第二区域，以进行第二级光调制。其中，第一级光调制是基于入射光照射至液晶器件的第一区域进行的，第二区域与第一区域位于硅基背板的不同区域。

36、示例性的，该反射器件可以是透镜，且该透镜的一侧具有中心镂空的反射镜镀膜。

37、基于上述方案，将入射光两次照射到液晶器件的硅基背板的两个不同区域进行2级光调制，可以整体扩展液晶器件的光束偏转能力。例如，第一级光调制的角度范围是-b～b，第二级光调制的角度范围是a-b～a+b，其中a是由于超构表面结构引入的预倾角。

38、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，微纳结构的形状包括矩形、圆柱形或椭圆柱形中的至少一个。

39、也就是说，同一元胞内，或者不同超构表面结构的元胞内的微纳结构的形状可以相同，也可以不同，本技术对此不作具体限定。但是，从cmos工艺设计角度来看，同一元胞内的多个微纳结构的形状通常是相同的。

40、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，微纳结构的材料包括金、银、铝、硅、氮化镓或氧化钛中的至少一个。

41、也就是说，同一元胞内，或者不同超构表面结构的元胞内的微纳结构的材料可以相同，也可以不同，本技术对此不作具体限定。但是，从cmos工艺设计角度来看，同一元胞内的多个微纳结构的材料通常是相同的。

42、第二方面，提供了一种光学调制装置，包括：反射器件，以及上述第一方面或第一方面任一种可能的实现方式中的液晶器件。其中，反射器件用于将完成第一级光调制的入射光照射至液晶器件的第二区域，以进行第二级光调制，第一级光调制是基于入射光照射至液晶器件的第一区域进行的。

43、其中，第二区域与第一区域上的超构表面结构不同，也就是说，任意两个超构表面结构位于硅基背板的区域不同。

44、应理解，第一区域和第二区域可以看做是硅基背板上的不同区域，例如参见图4所示的硅基背板的分区的结构示意图，第一区域和第二区域上的超构表面结构不同可以理解为两个区域上的超表面结构的元胞中的微纳结构尺寸、材料、形状等互不相同，以及超构表面结构的元胞的周期不同等。

45、即，将具有光束偏转功能的亚波长量级的超构表面结构集成到硅基背板上，以实现对光束传播方向预倾斜。其中，具体的光束偏转角度a(或者说，预倾角a)可以通过不同设计的微纳结构(比如，通过改变微纳结构的尺寸、材料、空间排布等)进行灵活调节，最终实现大角度范围的光束偏转扫描。

46、可选地，该反射器件是透镜，且该透镜的一侧具有中心镂空的反射镜镀膜。

47、示例性的，第一区域为液晶器件的硅基背板的中央区域，该区域上无超表面结构，依靠器件本身的液晶驱动，实现-b～b的偏转角度扫描。然后，经过反射镜选择性地将光束照射到液晶器件的其他区域(该区域上具有超表面结构)进行第二级光调制，由于超构表面结构引入预倾角，使得液晶器件的整体扫描范围可以从之前的-b～b扩充为a-b～a+b。其中，通过制备不同设计的微纳结构可以产生不同的预倾角a(例如，-90～90°)

48、结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，光学调制装置应用于波长选择开关(wavelength selective switch，wss)。

49、示例性的，该光学调制装置还可以应用于车灯、激光雷达、光交换、无人驾驶、激光投影、激光显示、激光加工等领域，本技术对此不作具体限定。

50、第三方面，提供了一种光学调制系统，包括：上述第二方面或第二方面任一种可能的实现方式中所述的光学调制装置。

51、第四方面，提供了一种液晶器件调制方法，包括：入射光照射至液晶器件的第一区域，以进行第一级光调制；调制后的入射光经过反射器件照射至液晶器件的第二区域，以进行第二级光调制。

52、其中，液晶器件包括硅基背板、液晶层、透明盖板、超构表面结构以及包覆层，透明盖板位于液晶层上，液晶层位于透明盖板和包覆层之间，包覆层位于超构表面结构和液晶层之间，超构表面结构位于包覆层和硅基背板之间，任意两个超构表面结构位于硅基背板的区域不同，也就是说，第二区域与第一区域上的超构表面结构是不同的。

53、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，超构表面结构包括多个元胞，多个元胞中的每个元胞包括多个微纳结构，多个微纳结构的表面积沿同一方向逐渐增加。

54、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，液晶器件包括多个超构表面结构，其中，任意两个超构表面结构位于硅基背板的不同区域，且任意两个超构表面结构的元胞的周期不同。

55、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，液晶器件为硅基液晶lcos器件。

56、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，透明盖板上靠近液晶层的一侧包括电极层#1。其中，电极层#1用于保护液晶层，以及使光信号透过并导电。

57、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，电极层#1为氧化铟锡ito层。其中，ito层具有很好的导电性和透明性，能够使光信号透过并导电。

58、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，硅基背板包括驱动电路、反射层和钝化层，反射层和钝化层位于超构表面结构和驱动电路之间。

59、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，任意两个超构表面结构的元胞内的微纳结构的数量不同。

60、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，任意两个超构表面结构的元胞内的微纳结构的尺寸不同，微纳结构的尺寸范围与入射光的波长相关联。具体地，微纳结构的尺寸大于或等于入射光波长的四分之一，且小于或等于入射光波长的二分之一

61、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，微纳结构的形状包括矩形、圆柱形或椭圆柱形中的至少一个。

62、结合第四方面，在第四方面的某些实现方式中，微纳结构的材料包括金、银、铝、硅、氮化镓或氧化钛中的至少一个。

63、第五方面，提供了一种液晶器件的制备方法，其特征在于，包括：提供硅基背板和液晶层；在液晶层上制备透明盖板；在硅基背板上制备超构表面结构以及包覆层，包覆层置于超构表面结构和液晶层之间。

64、第六方面，提供了一种波长选择开关wss，包括：m个输入端口，上述第一方面或第一方面任一种可能的实现方式中所述的液晶器件，以及n个输出端口。

65、其中，光信号从m个输入端口中的至少一个输入端口输入，经过lcos器件调制后，从n个输出端口中的至少一个输出端口输出，m和n为正整数，m和n中至少有一个大于1。

66、应理解，本技术所揭示的液晶器件(例如，硅基液晶lcos器件)可应用在wss中，属于光交换器件，通过调光引擎实现输入光信号从不同端口输出。

67、第七方面，提供了一种激光雷达，包括：上述第一方面或第一方面任一种可能的实现方式中所述的液晶器件。

68、第八方面，提供了一种芯片，包括：上述第一方面或第一方面任一种可能的实现方式中所述的液晶器件。