CN114047651B - 空间光调制器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种空间光调制器，包括：绝缘调制层(300)；导电调制层(400)，设置于绝缘调制层(300)上，并包括多个调制电极；电极层(200)，设置于绝缘调制层(300)下，并包括多个与多个调制电极配合的配合电极；其中，绝缘调制层(300)、导电调制层(400)的调制电极和电极层(200)的配合电极形成多个像素单元，通过改变施加在每个像素单元的调制电极和配合电极的电压，使得像素单元所在的导电调制层(400)的载流子积累到导电调制层(400)和绝缘调制层(300)的界面处，从而调制像素单元所在的导电调制层(400)的光学性质，从而实现像素单元的光调制功能，提高调制速度。

Description

空间光调制器及其制备方法

技术领域

本公开涉及光学技术领域，具体地，涉及一种空间光调制器及其制备方法。

背景技术

空间光调制器是一种能够调节光波的波长和振幅等光学参量的光学器件。空间光调制器在光学计算机、空间光通信、生化传感器和数字全息成像等领域具有重要作用。随着信息时代的快速发展，空间光调制器有望促进光学宽带网络等产品的性能提升。

传统的空间光调制器的结构比较复杂，包含有机材料，稳定性较低。由于材料和结构的性能限制，空间光调制器存在调制速度低的缺点。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，图形化的次数较多，使得液晶空间光调制器的制备方法加工步骤多、加工难度高、生产成本高和成品率低。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种空间光调制器及其制备方法，以解决上述至少之一的技术问题。

为了实现上述目的，本公开的一个方面，提供了一种空间光调制器，包括：绝缘调制层；导电调制层，设置于绝缘调制层上，并包括多个调制电极；电极层，设置于绝缘调制层下，并包括多个与多个调制电极配合的配合电极；其中，绝缘调制层、导电调制层的调制电极和电极层的配合电极形成多个像素单元，通过改变施加在每个像素单元的调制电极和配合电极的电压，使得像素单元所在的导电调制层的载流子积累到导电调制层和绝缘调制层的界面处，从而调制像素单元所在的导电调制层的光学性质。

根据本公开的实施例，空间光调制器还包括：衬底，设置于电极层下。

根据本公开的实施例，其中，绝缘调制层由单晶材料、多晶材料或非晶材料制成，包括氧化铪、氧化铝、氧化硅中的至少之一；绝缘调制层的相对介电常数高于3.9。

根据本公开的实施例，其中，导电调制层由透明导电材料制成，包括氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌磷中的至少之一；电极层由金属单质或合金制成；衬底由半导体或绝缘体制成，包括Si、氧化硅、氧化铝中的至少之一。

根据本公开的实施例，其中，绝缘调制层的厚度为1nm到100nm；导电调制层的厚度为1nm到1000nm。

根据本公开的实施例，其中，电极层的配合电极和导电调制层的调制电极形成为长方体和梯形椎体。

根据本公开的实施例，其中，导电调制层(400)包括p型导电调制层或n型导电调制层。

根据本公开的实施例，其中，导电调制层的每个调制电极的图形表面为长方形，长度为2mm，宽度为1μm，相邻的两个调制电极的间距为10μm。

本公开的另一个方面，提供了一种用于制备上述空间光调制器的制备方法，包括：S1：在衬底上方制备电极层；S2：将电极层进行图形化；S3：在图形化的电极层的上方制备绝缘调制层；S4：将绝缘调制层进行图形化；S5：在图形化的绝缘调制层的上方制备导电调制层；S6：将导电调制层进行图形化。

根据本公开的实施例，空间光调制器的制备方法还包括，将与电极层接触的绝缘调制层的下表面进行减薄和抛光，并将相互接触的电极层上表面和绝缘调制层的下表面进行键合。

根据本公开的上述实施例的空间光调制器及其制备方法，通过改变施加在每个像素单元的调制电极和配合电极的电压，从而调制像素单元所在的导电调制层的光学性质，进而实现了对光波的调制；同时，本公开实施例的空间光调制器制备方法简化了加工工艺，提高了生产效率，降低了生产难度和生产成本。

附图说明

图1是本公开实施例的空间光调制器结构示意图；

图2是本公开另一实施例的空间光调制器结构示意图；

图3是本公开实施例的空间光调制器的俯视图；

图4是本公开实施例的空间光调制器的仰视图；

图5是本公开实施例的空间光调制器的像素单元的俯视图；

图6是本公开实施例的空间光调制器的制备方法的流程图。

附图标记说明

100 衬底

200 电极层

300 绝缘调制层

400 导电调制层

a、b、c、d、e、f 像素单元

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开作进一步的详细说明。

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，有机材料稳定性较低，由于材料和结构的性能限制，存在使用温度低、使用寿命短及调制速度低的缺点。

为此，根据本公开的一个方面总体上的发明构思，提供一种空间光调制器，包括包括：绝缘调制层；导电调制层，设置于绝缘调制层上，并包括多个调制电极；电极层，设置于绝缘调制层下，并包括多个与多个调制电极配合的配合电极；其中，绝缘调制层、导电调制层的调制电极和电极层的配合电极形成多个像素单元，通过改变施加在每个像素单元的调制电极和配合电极的电压，使得像素单元所在的导电调制层的载流子积累到导电调制层和绝缘调制层的界面处，从而调制像素单元所在的导电调制层的光学性质。

根据本公开的另一个方面总体上的发明构思，提供一种空间光调制器的制备方法，包括：S1：在衬底上方制备电极层；S2：将电极层进行图形化；S3：在图形化的电极层的上方制备绝缘调制层；S4：将绝缘调制层进行图形化；S5：在图形化的绝缘调制层的上方制备导电调制层；S6：将导电调制层进行图形化。

在上述空间光调制器及其制备方法中，采用了使用无机物作为固体状态的电极层、绝缘调制层和导电调制层，提高了空间光调制器的稳定性和使用寿命；通过改变施加在每个像素单元的调制电极和配合电极的电压，从而调制像素单元所在的导电调制层的光学性质，进而实现了对光波的调制；同时，本公开的空间光调制器制备方法简化了加工工艺，提高了生产效率，降低了生产难度和生产成本。

以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。

图1是本公开实施例的空间光调制器结构示意图。

如图1所示，该空间光调制器可以包括：绝缘调制层300；导电调制层400，设置于绝缘调制层300上，并包括多个调制电极；电极层200，设置于绝缘调制层300下，并包括多个与所述多个调制电极配合的配合电极；其中，绝缘调制层300、导电调制层400的调制电极和电极层200的配合电极形成多个像素单元，通过改变施加在每个像素单元的调制电极和配合电极的电压，使得像素单元所在的导电调制层400的载流子积累到导电调制层400和绝缘调制层300的界面处，从而调制像素单元所在的导电调制层400的光学性质。

根据本公开的实施例，本公开的空间光调制器的调制机理为：利用导电调制层400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，光波依次穿过导电调制层400和绝缘调制层300，在电极层200发生反射形成反射光，再依次穿出绝缘调制层300和导电调制层400。通过对导电调制层400的调制电极和电极层200的配合电极施加电压，能使导电调制层400的载流子积累到导电调制层400和绝缘调制层300的界面处，从而使导电调制层400的光学性质(例如：折射率和吸收系数等)发生变化，进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)，完成对光波的调制。

图2是本公开另一实施例的空间光调制器结构示意图。

如图2所示，根据本发明的一些实施例，空间光调制器还包括衬底100，设置于所述电极层200下。

根据本公开的实施例，绝缘调制层300由单晶材料、多晶材料或非晶材料制成，包括氧化铪、氧化铝、氧化硅中的至少之一；绝缘调制300的相对介电常数高于3.9；

根据本公开的实施例，导电调制层400由透明导电材料制成，包括氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌磷中的至少之一；电极层200由金属单质或合金制成；衬底100由半导体或绝缘体制成，包括Si、氧化硅、氧化铝中的至少之一。

根据本公开的实施例，绝缘调制层300的厚度为1nm到100nm；导电调制层400的厚度为1nm到1000nm。

根据本公开的实施例，电极层200的配合电极和导电调制层400的调制电极形成为长方体和梯形椎体。

根据本公开的实施例，导电调制层400包括p型导电调制层或n型导电调制层；p型导电调制层和电源正极连接，n型导电调制层和电源负极连接。

根据本公开的实施例，衬底100厚度为1nm至2mm。

根据本公开的实施例，衬底100为Si材料，衬底100的厚度为0.2mm，衬底100主要用于承载，有利于实现高度集成；衬底100的价格比较便宜，能降低生产成本。

根据本公开的实施例，所述绝缘调制层300的材质为氧化铪，绝缘调制层300的厚度为50nm，相对介电常数为25。可以理解的是，绝缘层具有优良的绝缘性能，从而能够防止电极短路，同时用于形成载流子积累的界面。

根据本公开的实施例，导电调制层400的材质为氧化铟锡，导电调制层400的厚度为50nm，导电调制层400根据导电类型为n型导电调制层，电子浓度为10²⁰cm^-1。

根据本公开的实施例，电极层200和导电调制层400的形状包括但不限于长方体和梯形椎体，电极层200的厚度为1nm到5μm。

根据本公开的实施例，电极层200的材质为金属Al，Al的厚度为300nm，在1550nm波长的反射率为93％。电极层200具有电极功能，同时用于对入射波进行反射，光波依次穿过导电调制层400和绝缘调制层300，在电极层200发生反射，再依次穿出绝缘调制层300和导电调制层400，完成对光波的调制。

图3是本公开实施例的空间光调制器的俯视图。

如图3所示，根据本公开的实施例，导电调制层400的每个调制电极的图形表面为长方形，长度为2mm，宽度为1μm，相邻的两个调制电极的间距为10μm。

图4是本公开实施例的空间光调制器的仰视图；

如图3所示，根据本公开的实施例，电极层200的图形表面为长方形，长度为2mm，宽度为1μm，间距为10μm。

根据本公开的一些实施例，电极层200、绝缘调制层300和导电调制层400都是无机物固体，无机物固体的使用温度通常高于液晶等有机物，使用温度较高。同时，无机物固体的抗老化性通常高于有机物，使用寿命较长。并且，电极层200、绝缘调制层300和导电调制层400的位置及相对位置均为固定不可变的，因此，本公开的空间光调制器稳定性高，使用寿命长。另外，无机物固体导电调制层400的厚度的最小均匀性优于液晶层，厚度比液晶层小，调制速度较高。所以，本公开实施例的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是本公开实施例的空间光调制器的像素单元的俯视图。

如图5所示，俯视图中竖向阴影部分为导电调制层400，竖向非阴影区则为绝缘调制层300；结合图4的空间光调制器的仰视图，可知横向虚线部分为绝缘调制层300，横向实线区域为电极层200。如此，绝缘调制层300、导电调制层400的调制电极和电极层200的配合电极形成多个像素单元，通过改变施加在每个像素单元的调制电极和所述配合电极的电压，使得像素单元所在的导电调制层400的载流子积累到导电调制层400和绝缘调制层300的界面处，从而调制像素单元所在的导电调制层400的光学性质，从而实现像素单元的光调制功能。

图6是本公开实施例的空间光调制器的制备方法的流程图。

如图6所示，一种用于制备上述空间光调制器的制备方法，包括：S1：在衬底上方制备电极层200；S2：将电极层200进行图形化；S3：在图形化的电极层200的上方制备绝缘调制层300；S4：将绝缘调制层300进行图形化；S5：在图形化的绝缘调制层300的上方制备导电调制层400；S6：将导电调制层400进行图形化。

根据本公开的实施例，空间光调制器的制备方法还可以包括，将与所述电极层200接触的所述绝缘调制层300的下表面进行减薄和抛光，并将相互接触的所述电极层200上表面和所述绝缘调制层300的下表面进行键合。

根据本公开的实施例，制备电极层200、绝缘调制层300和导电调制层400的方法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。

根据本公开的实施例，图形化的工艺方法包括光刻和刻蚀。

根据本公开的实施例，本公开的空间光调制器的制备方法包括3次沉积和3次图形化，共6个步骤，远远地少于现有技术中液晶空间光调制器的24个加工步骤，因此，本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。

根据本公开的实施例，空间光调制器的制备方法的图形化的次数较少、对准偏差较小，不存在接触孔和封框胶的制备，加工难度低，进一步降低了生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％，提高了产率，降低了成本。

根据本发明的上述实施例的空间光调制器，通过对导电调制层400的调制电极和电极层200的配合电极施加电压，能使导电调制层400的载流子积累到导电调制层400和绝缘调制层300的界面处，从而使导电调制层400的光学性质发生变化，进而改变空间光调制器的反射光的光学参量，完成对光波的调制。同时，因为电极层200、绝缘调制层300和导电调制层400采用无机物固体材料制成，使空间光调制器具有调制速度高、稳定性高和使用寿命长的特点。

根据本发明的上述实施例的空间光调制器的制备方法，在衬底上方制备电极层、将电极层进行图形化、在图形化的电极层的上方制备绝缘调制层、将绝缘调制层进行图形化、在图形化的绝缘调制层的上方制备导电调制层、将导电调制层进行图形化，提高空间光调制器的调制速度，加工步骤少、加工难度低、成品率高，所以生产成本低。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

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

Claims (10)

1.一种空间光调制器，包括：

绝缘调制层(300)；

导电调制层(400)，设置于所述绝缘调制层(300)上，并包括多个调制电极；

电极层(200)，设置于所述绝缘调制层(300)下，并包括多个与所述多个调制电极配合的配合电极；

其中，所述绝缘调制层(300)、所述导电调制层(400)的调制电极和所述电极层(200)的配合电极形成多个像素单元，通过改变施加在每个像素单元的所述调制电极和所述配合电极的电压，使得所述像素单元所在的导电调制层(400)的载流子积累到所述导电调制层(400)和所述绝缘调制层(300)的界面处，从而调制所述像素单元所在的导电调制层(400)的光学性质。

2.根据权利要求1所述的空间光调制器，还包括：

衬底(100)，设置于所述电极层(200)下。

3.根据权利要求2中的空间光调制器，其中，

所述绝缘调制层(300)由单晶材料、多晶材料或非晶材料制成，包括氧化铪、氧化铝、氧化硅中的至少之一；所述绝缘调制层(300)的相对介电常数高于3.9。

4.根据权利要求2中的空间光调制器，其中，

所述导电调制层(400)由透明导电材料制成，包括氧化铟锡、氧化锌铝、氧化锌磷中的至少之一；

所述电极层(200)由金属单质或合金制成；

所述衬底(100)由半导体或绝缘体制成，包括Si、氧化硅、氧化铝中的至少之一。

5.根据权利要求1-2中任一所述的空间光调制器，其中，

所述绝缘调制层(300)的厚度为1nm到100nm；

所述导电调制层(400)的厚度为1nm到1000nm。

6.根据权利要求1-2中任一所述的空间光调制器，其中，

所述电极层(200)的配合电极和所述导电调制层(400)的调制电极形成为长方体和梯形椎体。

7.根据权利要求1-2中任一所述的空间光调制器，其中，

所述导电调制层(400)包括p型导电调制层或n型导电调制层。

8.根据权利要求1-2中任一所述的空间光调制器，其中，

所述导电调制层(400)的每个调制电极的图形表面为长方形，长度为2mm，宽度为1μm，相邻的两个调制电极的间距为10μm。

9.一种用于制备上述权利要求1-8任意一项所述空间光调制器的制备方法，包括：

S1：在衬底上方制备电极层(200)；

S2：将电极层(200)进行图形化；

S3：在图形化的电极层(200)的上方制备绝缘调制层(300)；

S4：将绝缘调制层(300)进行图形化；

S5：在图形化的绝缘调制层(300)的上方制备导电调制层(400)；

S6：将导电调制层(400)进行图形化。

10.根据权利要求9所述的空间光调制器的制备方法，还包括，

将与所述电极层(200)接触的所述绝缘调制层(300)的下表面进行减薄和抛光，并将相互接触的所述电极层(200)上表面和所述绝缘调制层(300)的下表面进行键合。

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