基于超颖材料结构的空间光调制器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种空间光调制器及其制备方法，尤其涉及一种基于超颖材料和导电 氧化物的反射式空间光调制器及其制备方法，属于空间光调制器技术领域。
【背景技术】
[0002] 光信息处理是近年来发展的一种新兴技术，具有处理速度快、信息流量大等优点， 尤其是光波的抗干扰性很好，可以以并行方式传输和处理所荷载的信息，因此在信息和国 防等领域具有重大应用价值。空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件，具 体地说，就是在信号源的控制下，对光波的某种特性（如振幅、相位、偏振和频率等）的一维 或二维分布进行空间和时间的变换或调制，从而将源信号所载荷的信息写进入射光之中的 器件。目前空间光调制器的实现技术主要包括电吸收调制、电光调制、液晶和MEMS等技术。 其中，液晶和MEMs调制的低速操作不能满足高速调制的应用；电吸收型调制一般基于砷化 镓量子阱材料，成本高，而且由于整体结构往往需要数十层异质材料的外延，工艺复杂，而 多层材料均匀性问题亦限制了阵列大小，调制深度也受到限制；电光调制一般基于非线性 晶体材料或聚合物，器件体积大，驱动电压高。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种基于超颖材料结构的空间光调制器及其制备方法，以 克服现有技术中的不足。
[0004] 为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
[0005] -种基于超颖材料结构的空间光调制器，包括光功能元件阵列和控制电路，所述 光功能元件包含超颖材料结构，所述超颖材料结构包括金属纳米结构层和金属反射镜层， 所述金属纳米结构层和金属反射镜层之间设有介质层与非金属导电材料层，并且所述超颖 材料结构的阻抗2等于或接近（〈±5%)376.7〇，其中2 = ^^,￡、11分别是所述超颖材 料结构的有效介电常数和磁导率。
[0006] 作为可行的实施方案之一，所述超颖材料结构还包括衬底和/或透明保护层，并 且所述衬底、金属反射镜层、介质层、非金属导电材料层、金属纳米结构层和透明保护层沿 设定方向依次分布。
[0007] 进一步的，所述金属纳米结构层和/或金属反射镜层可包括且不限于金、钼、银、 铜、铝、钛中的任意一种形成的单一金属层或任意两种以上形成的合金层。
[0008] 进一步的，所述金属纳米结构层和/或金属反射镜层包括两种以上单一金属层、 两种以上合金层或一种以上单一金属层与一种以上合金层层叠形成的叠加结构。
[0009] 进一步的，所述金属纳米结构层包括一维或者二维光栅，所述光栅的周期为 100-2000纳米，厚度为5-100纳米。
[0010] 进一步的，所述金属反射镜层的厚度在50纳米以上，优选在200nm以下。
[0011] 进一步的，所述介质层的厚度为5-100纳米，材质包括二氧化硅、氮化硅、氟化镁 或硒化锌。
[0012] 进一步的，用于形成所述非金属导电材料层的材料可选自且不限于铟锡氧化物、 氧化锌、氧化锡、氧化铟、氮化钛、氮化锆、单层或多层石墨烯。
[0013] 进一步的，所述透明保护层主要由对入射波低吸收的材料形成，例如，二氧化硅、 氮化硅或氧化铝。
[0014] 作为较为优选的实施方案之一，前述基于超颖材料结构的空间光调制器的制备方 法可以包括如下步骤：
[0015] (1)利用标准CMOS工艺在硅片上制备包括控制电路的衬底；
[0016] (2)通过金属薄膜沉积法在衬底上制备金属反射镜层；
[0017] (3)通过薄膜沉积法在金属反射镜层上制备介质层和非金属导电材料层；
[0018] (4)通过薄膜沉积法和微纳加工方法在非金属导电材料层上制作金属纳米结构 层；
[0019] (5)通过薄膜沉积方法在金属纳米结构层上制备透明保护层；
[0020] (6)通过微纳加工方法制备互联电极。
[0021] 本发明基于超颖材料构建了一种新型的空间光调制器，其中，超颖材料的电磁特 性主要依赖于亚波长结构本身，具有很大的设计自由度，可以在较大波长范围实现吸收峰 的控制。
[0022] 而且，通过优化设计亚波长结构可以使得超颖材料的有效介电常数和磁导率在特 定波长都接近于自由空间的介电常数和磁导率，进而获得零反射。
[0023] 优选的，通过将前述亚波长结构和反射镜结合，还可以实现特定波段电磁波的完 全局域。
[0024] 又及，根据Drude模型，
【主权项】
1. 一种基于超颖材料结构的空间光调制器，包括光功能元件阵列和控制电路， 其特征在于，所述光功能元件包含超颖材料结构，所述超颖材料结构至少包括金属 纳米结构层和金属反射镜层，所述金属纳米结构层和金属反射镜层之间设有介质层 与非金属导电材料层，并且所述超颖材料结构的阻抗Z等于或接近376. 7Q，其中
e、U分别是所述超颖材料结构的有效介电常数和磁导率。
2. 根据权利要求1所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在于，所述超颖 材料结构还包括衬底和/或透明保护层，并且，所述衬底、金属反射镜层、介质层、非金属导 电材料层、金属纳米结构层和透明保护层沿设定方向依次分布。
3. 根据权利要求1所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在于，所述金属 纳米结构层和/或金属反射镜层至少包括金、钼、银、铜、铝、钛中的任意一种形成的单一金 属层或任意两种以上形成的合金层。
4. 根据权利要求3所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在于，所述金属 纳米结构层和/或金属反射镜层包括两种以上单一金属层、两种以上合金层或一种以上单 一金属层与一种以上合金层层叠形成的叠加结构。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在 于，所述金属纳米结构层包括一维或者二维光栅，所述光栅的周期为100-2000纳米，厚度 为5-100纳米。
6. 根据权利要求1-4中任一项所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在 于，所述金属反射镜层的厚度在50纳米以上。
7. 根据权利要求1-4中任一项所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在 于，所述介质层的厚度为5-100纳米，材质包括二氧化硅、氮化硅、氟化镁或硒化锌。
8. 根据权利要求1-4中任一项所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在 于，用于形成所述非金属导电材料层的材料包括铟锡氧化物、氧化锌、氧化锡、氧化铟、氮化 钛、氮化锆、单层或多层石墨烯。
9. 根据权利要求1-4中任一项所述的基于超颖材料结构的空间光调制器，其特征在 于，所述透明保护层主要由对入射波低吸收的材料形成，所述对入射波低吸收的材料包括 二氧化硅、氮化硅或氧化铝。
10. 权利要求1-9中任一项所述基于超颖材料结构的空间光调制器的制备方法，其特 征在于，包括如下步骤： (1) 利用标准CMOS工艺在硅片上制备包括控制电路的衬底； (2) 通过金属薄膜沉积法在衬底上制备金属反射镜层； (3) 通过薄膜沉积法在金属反射镜层上制备介质层和非金属导电材料层； (4) 通过薄膜沉积法和微纳加工方法在非金属导电材料层上制作金属纳米结构层； (5) 通过薄膜沉积方法在金属纳米结构层上制备透明保护层； (6) 通过微纳加工方法制备互联电极。
【专利摘要】本发明公开了一种基于超颖材料结构的空间光调制器及其制备方法。该空间光调制器包括光功能元件阵列和控制电路，所述光功能元件包含超颖材料结构，所述超颖材料结构至少包括金属纳米结构层和金属反射镜层，所述金属纳米结构层和金属反射镜层之间设有介质层与非金属导电材料层；其制备方法包括：在衬底上制备控制电路，然后制备金属反射镜层、介质层、非金属导电材料层，然后再加工形成金属纳米结构层和透明保护层，并进行电互联。本发明空间光调制器结构简单，集成度高，易于制作，成本低廉，能实现高速调制，调制深度易于调控，并且最低可以将驱动电压控制在1V以下。
【IPC分类】G02F1-01
【公开号】CN104570402
【申请号】CN201310476509
【发明人】陈沁 , 宋世超
【申请人】中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年10月12日
【公告号】WO2015051722A1