包括薄膜金属光栅的反射式液晶器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及液晶器件，具体而言，涉及基于反射式液晶的光调制器和采用形式双折射波片的相位可变延迟器，以及它们的制造方法。
【背景技术】
[0002]采用液晶的光学器件在业内已为人所熟知，并已用于多种应用场合，包括用以形成可变的光相位延迟和/或改变光束偏振状态的光相位调制器和相位可变延迟器。反射式液晶器件可以采用成熟的硅基液晶(LCoS)技术方便地制成。在一种典型的硅基液晶中，几微米(ym)厚的液晶层被夹在透明电极与反射式电极之间，后者在硅基底上形成，该硅基底还具有驱动器件所需的电路。当对电极施加电压时，电极之间的电场会影响高度各向异性的液晶分子的取向。场诱导液晶分子的取向会改变液晶层对入射光束的有效折射率，这会以某种取决于光的偏振的方式影响穿过液晶层传播的光束的光学相位。当入射到透明电极上的光束沿液晶分子的取向的优势方向(其被称为“指向矢”)或与之垂直的方向被线性偏振时，器件的液晶层在不改变光束偏振的条件下对光束施加可变的光相位延迟，且这两个正交的偏振的相移值不同。当入射光束以与液晶指向矢成锐角的方向线性偏振时，液晶层可以改变光束的偏振状态；例如，它可以通过在沿液晶指向矢方向和垂直于液晶指向矢的方向的光束的偏振分量之间引发光学相位差，由此转动线性光偏振。
[0003]通过在常规液晶层下方布置可独立控制的像素电极的阵列，可以构造出相位可变延迟器或相位调制器的阵列。当线性偏振的光束照射该阵列时，可对光束施加预定的光学相位模式，在没有任何运动部件的条件下，实现光束的可变聚焦或转向。相位可变延迟器阵列已在光束扫描/转向、光学像差校正等方面有多种应用。
[0004]在入射光的偏振状态未被准确控制的应用场合中，液晶可变相位延迟器和光相位调制器对光束偏振的灵敏性可能是一个缺点。可通过在两个电极之间加入四分之一波片的方式克服或减轻此灵敏度。位于反射式液晶器件的反射式电极处的四分之一波片以双程方式作为半波片工作，在光穿过液晶层的来往行程的一半处，将光的偏振状态切换为正交的偏振。在这种布置中，沿液晶指向矢方向或与之垂直的方向线性偏振的光，一次以其原始偏振状态和一次以其正交偏振状态穿过液晶层，至少在理论上形成一种与偏振状态无关的工作方式。
[0005]此解决方案的一个缺点是，在液晶器件的电极之间添加波片会增加电极之间的距离，由此会提高器件的工作电压。例如，典型的石英四分之一波片比典型的液晶层要厚很多，因此添加它会使所需工作电压超出翻倍的水平。此外，此类波片难以被加入到硅基液晶内。对于用于液晶器件的常规波片，具备高折射率对比度的形式双折射(FB)亚波长光栅可能代表了一种更好的替代品；可参见诸如14/547，183号美国专利申请。例如，针对在λ =1.55 μπι下工作的四分之一波片，可采用厚度在I微米量级的基于气隙的FB结构实现。然而，这些结构可能因为其易碎性而难以商业化生产。作为替代方式，具有方波的反射模式亚波长金属光栅或类似的浮雕可被用作波片。尽管它们所需的浮雕深度小于基于交替电介质的FB光栅，在LCOS像素电极的表面上实现它们还是会使LCoS加工工艺大大复杂化，并会降低器件产量。
[0006]相应地，可以理解的是，涉及降低反射式液晶器件的偏振灵敏度以及涉及可能被包括在此类器件中的光波片的现有解决方案和技术可能存在着显著的问题和缺点。
【发明内容】
[0007]本发明的一个目的是提供一种包括形式双折射结构的改进型或替代型反射式液晶器件，例如相位可变延迟器或光相位调制器。
[0008]根据本公开内容，在诸如相位可变延迟器等液晶器件内部、在平坦反射式电极与液晶(LC)层之间设置亚波长金属光栅，其光栅线采用平行的、间隔开布置的金属条带的形式，并且采用所选小厚度的透光不导电隔离层将反射式电极与金属光栅隔开。亚波长金属光栅与反射式电极一起在反射中充当薄的半波片，这样可以降低液晶器件的偏振灵敏度，而不需要改动反射式电极。形成亚波长金属光栅的金属条带可以是薄金属膜的条带。
[0009]本公开内容的一个方面涉及一种液晶器件，其包括:具有反射顶面的第一电极；设置在第一电极的反射顶面上的隔离层，其中隔离层在液晶器件的工作波长上实质上为透明；设置在隔离层上的亚波长金属光栅，亚波长金属光栅由多个平行的金属条带构成，金属条带彼此隔开，并从由隔离层所限定的预定距离处沿第一电极的反射顶面延伸，以与第一电极的反射顶面形成反射式形式双折射(FB)波片；设置在亚波长金属光栅上的液晶层；以及设置在液晶层上方的与第一电极相对的第二电极，其中第二电极在所述工作波长上为透明，使得当在第一电极与第二电极之间施加电压时，液晶层会对入射到第二电极上的光赋予可变的光学相移。
[0010]本公开内容还提供了一种用于制造相位可变延迟器的方法，其包括:
[0011]a)在基底的反射顶面上沉积透光材料的间隔层，该基底包括具有平的顶面的第一电极和设置在第一电极的平的顶面上方以形成基底的反射顶面的电极钝化层；
[0012]b)在间隔层上形成亚波长金属光栅，亚波长金属光栅包括多个平行的、间隔开的金属条带，使得亚波长金属光栅与基底的反射顶面形成具有预定延迟的反射式形式双折射波片；
[0013]c)在亚波长金属光栅上沉积光栅盖层；
[0014]d)在光栅盖层上沉积具有指向矢的液晶(LC)层；以及
[0015]e)在液晶层上沉积与第一电极相对的透明的第二电极，使得当在第一电极与第二电极之间施加电压时，液晶层会对入射到第二电极上的光赋予可变的光学相移。
[0016]根据本公开内容的一个方面，间隔层的厚度可被选择为使得间隔层与电极钝化层的组合光学厚度为从第二电极入射到亚波长金属光栅上的光提供基本为半波片的双程延迟。
【附图说明】
[0017]对于本文所公开的示例实施例，将参照附图进行更详细的说明，附图中相同的编号指代相同的元件，且其中:
[0018]图1A为采用波纹反射器的反射式形式双折射(FB)波片的示意侧视图；
[0019]图1B为图1A中反射式FB波片的示意透视图；
[0020]图2为采用被光耦合到平面反射器的亚波长金属光栅的反射式FB波片的示意侧面横截面图；
[0021]图3为具有由亚波长金属光栅形成的反射式FB波片的液晶(LC)器件的侧面横截面图；
[0022]图4为具有在多个像素电极上延伸的光栅线的图3中的液晶器件的一个实施例的顶视图；
[0023]图5为在相邻像素电极之间的光栅线中有间隙的图3中的液晶器件的一个实施例的顶视图；
[0024]图6为使用平面反射器制造反射式FB波片的方法的流程图；
[0025]图7为具有在平的LCoS基底上形成的反射式FB波片的液晶器件的一个单元的侧面横截面图；
[0026]图8为示出一个示例生产过程的各个步骤中的液晶器件的侧面横截面图的示意图；
[0027]图9为在一个实施例中，制造图8中的液晶器件的一种示例方法的流程图。
【具体实施方式】
[0028]在以下说明中，为进行解释而非限制的目的，阐述了特定的细节，例如特定的光学和电气部件、组件、技术、材料等，以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员应可显见，本发明可以以与这些具体细节不同的其他实施例实现。在其他实例中，对已为人所熟知的方法、器件、部件和电路的详细说明被省略，以免对本说明造成模糊。应注意，除明确声明处之外，本文中所使用“第一”、“第二”等术语并不意味着排序，而只是用以将一个元件与其他元件加以区别。术语“透明”或透光”等指对于波长为目标工作波长的光基本透明。术语“亚波长”在与光栅同时使用时，是指有小于目标工作波长的节距或周期。本文所使用的术语“光栅”不一定意味着具有准确的周期性，其涵盖光栅线的间距在整个光栅上变化的光栅；在此类非周期性或准周期性光栅中，除非另有说明外，术语“节距”指光栅线的中心之间的平均距离。尽管本介绍内容在说明时结合了各种实施例和示例，但这并不意味着本介绍内容将局限于这些实施例。相反，本介绍内容涵盖本领域技术人员可以理解的各种替代方式、改动和等效方式。
[0029]参见图1A，其中示出了一种反射式形式双折射(FB)波片(WP)IlO的截面侧视图。FB WP 110由亚波长反射光栅111和透光盖层113组成。在图1B中以透视图示出的反射光栅111体现为金属层、金属板或金属片，在其一面上形成有多个平行的直脊115。在图1B中，这些脊被示为沿笛卡儿坐标系(x，y，z)的“z”坐标延伸。其之间有凹槽117的脊115以小于波片的工作波长λ的周期或节距P生成周期性波纹状反光表面119。可以由电介质等透明材料形成的可选层113可以覆盖住金属光栅111，并可选地充填凹槽117。
[0030]在工作中，入射到FB WP 110上的光束101被从亚波长金属光栅111的波纹状反光表面119反射回来，并具有取决于入射光束的偏振状态的相位延迟。也就是说，沿脊115的光(即图1B中的“ζ”轴线性偏振的光)在经光栅111反射后，将与在正交于脊115的方向的光(即沿图1B中的“X”轴方向线性偏振的光)具有不同的相位延迟。其中光的电场沿脊115 (或基本沿光栅的光栅线)的方向的光偏振在本文中被称为TE (Transverse Electric，横向电场)偏振，而其中电场沿垂直于光栅脊115 (或基本垂直于光栅的光栅线)的方向的光偏振在本文中被称为TM (Transverse Magnetic，横向磁场)偏振。
[0031]以长度或入射光波长为单位测得的TE偏振与TM偏振之间的反射相位延迟之差在本文中可被称为波片延迟。FB WP 110的延迟值取决于脊115的深度d、其宽度a与凹槽117的宽度b之比a/b、或“填充因子”a/p，以及光栅周期或节距P = (a+b)与入射光束101的波长λ之比ρ/λ，ρ/λ优选小于I。当以波长为单位测量时，FB