一种硅基液晶空间光调制器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种硅基液晶空间光调制器及制备方法，该空间光调制器从下到上依次包括

【技术实现步骤摘要】
一种硅基液晶空间光调制器及制备方法


[0001]本专利技术涉及激光加工和光通信
，具体为一种硅基液晶空间光调制器及制备方法
。

技术介绍

[0002]硅基液晶空间光调制器，即
Liquid Crystal on Silicon(LCOS)
是一种基于
CMOS
工艺的反射式液晶装置
。
通常，单片
LCOS
上由数百万个像素
(pixel)
构成，每个像素的大小为几个或者几十个微米
。
通过控制每个像素上的电压，可以操控液晶材料的偏转，从而实现对入射光相位及强度的控制
。LCOS
最初的应用场景主要在显示领域，与其他显示技术相比，基于
LCOS
的显示设备更容易实现高的分辨率和充分的色彩表现
。
随着对空间光调制器的研究逐渐深入，
LCOS
的应用范围也不断扩大
。
特别近几年，空间相位调制作为一种新型的光学引擎，
LCOS
已经逐渐应用于激光加工和光通信领域：包括相位光学整形，多点加工，波长选择开关等等
。
[0003]作为一种新型空间光调制器，
LCOS
可以实现对空间光像素级的相位控制，从而根据应用场景来实现相应的功能
。
传统的
LCOS
空间光调制器如图1所示，其物理结构从下到上依次包括
CMOS
硅基背板
、
>铝电极层
、
下取向层
、
液晶分子层
、
上取向层，
ITO
电极层，玻璃基板以及表面抗反射层
。
当在铝电极层以及
ITO
电极层之间加上电压后，液晶分子在电场的作用下会产生偏转，不同的电压强度或者加载电压的方式会导致液晶分子产生不同的偏转角度和工作模式
。
由于液晶分子的光学各向异性，不同的偏转角度意味着不同的折射率以及光学相位
。
因此，当入射光照射到液晶层不同位置时，由于加载电压的不同会产生不同的光学相位延迟，从而实现对入射光的空间相位调制
。
[0004]在
LCOS
的
CMOS
背板上镀了一层矩阵式的铝电极，分别对应
LCOS
器件的每一个像素
。
加载在每一个铝电极上的电压都可以通过驱动单独控制，由于每个像素上所加的电压值都不一样，相邻铝电极之间必须要留一定的空间
(gap
区域
)
来减少相邻两个像素的电场干扰
(
边缘场效应
)。
因此，当入射光传播至
LCOS
背板时，入射到铝电极上的光的反射率接近
100
％，而入射到
gap
上的光只有少部分被反射，大部分光会透过硅基背板而被吸收损耗掉
。
当
LCOS
运用于激光加工和通信领域时，损耗的光能量会导致光的利用效率降低，同时被
CMOS
背板吸收的光会引起背板电路发热，从而降低空间光调制的效果
。
增加每个像素铝电极的面积填充率
(
电极区域与像素区域的比值
)
可以减少入射光的损耗，提高反射率，但增加像素铝电极面积会增加器件大大小，减少
gap
区域面积会导致边缘场效应，增加串扰，降低器件的性能
。
因此，在设计
LCOS
器件结构时，需要在光学能量损耗和边缘场效应导致的性能降低之间做一个平衡的选择
。
[0005]现有的技术为了有效增加
LCOS
器件的反射率，通常会在下取向层和铝电极之间加入由两种或多种绝缘介质周期性排列组成的
Bragg
反射镜结构
。
在此类设计中，每一层材料的厚度都被设计为四分之一的光学波长除以材料在该波长的折射率
。
我们以激光加工的工作波长
1064nm
为例，以
ZrO2
和
SiO2
分别作为高折射率和低折射率材料
。
该结构的反射率与
多层结构的周期数成正比关系
。
为了实现超过
95
％的反射率，所需要的周期数达到数十层，这样该反射结构的结构就达到数微米，已经与液晶层的厚度接近
。
这种结构设计具有以下缺陷：
[0006]该反射层位于液晶层与铝电极之间，当在
ITO
电极和铝电极上加载电压时，数十层的由高介电常数材料组成的反射结构会造成巨大的电压损失
。
为实现相同的液晶偏转角度，需要加载更大的电压，造成能量损失
。
[0007]在加上数微米的反射层后，
LCOS
像素的面积与器件的厚度的比率会大幅降低，造成更强的边缘场效应，从而降低
LCOS
器件的调制性能
。
[0008]同时数十层的结构会在加工工艺上造成很大的难度，一是对下取向层的机械摩擦会破坏反射层的结构，破坏成品率；二是由于工艺的复杂性，无法制造出表面平整的多层膜结构，从而反射的效率也会大大降低
。
[0009]因此，在有效提升
LCOS
反射率的情况下，如何不降低器件的其他方面的性能，同时能够简化器件的封装工艺，成为当前急需解决的难题
。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种用以提高空间光调制器的性能
、
成品率以及简化器件封装的相位型
LCOS
空间光调制器及其制备方法
。
[0011]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：该空间光调制器从下到上依次包括
CMOS
硅基背板
、
铝电极层
、
超材料反射层
、
下取向层
、
液晶分子层
、
上取向层
、ITO
电极层
、
玻璃基板以及抗反射层，超材料反射层由低折射率材料包裹高折射率介质材料组成
。
[0012]作为优选，超材料反射层在一维方向上周期排列，周期为
300
‑
800nm
，超材料反射层的占空比为
50
％
‑
80
％，高折射率材料的厚度为
100
‑
500nm
，低折射率材料的厚度为
200
‑
1000nm
，所述超材料反射层在
Y
方向上的周期排列参数与以上描述相同，同时超材料反射层在
X
方向上周期排列，宽度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：该空间光调制器从下到上依次包括
CMOS
硅基背板
(1)、
铝电极层
(2)、
超材料反射层
(3)、
下取向层
(4)、
液晶分子层
(5)、
上取向层
(6)、ITO
电极层
(7)、
玻璃基板
(8)
以及抗反射层
(9)
，所述超材料反射层
(3)
由低折射率材料包裹高折射率介质材料组成
。2.
根据权利要求1所述的一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：所述超材料反射层
(3)
微结构在一维方向上周期排列，周期为
300
‑
800nm
，超材料反射层
(3)
的占空比为
50
％
‑
80
％，高折射率材料的厚度为
100
‑
500nm
，低折射率材料的厚度为
200
‑
1000nm
，所述超材料反射层
(3)
在
Y
方向上的周期排列参数与以上描述相同，同时超材料反射层
(3)
在
X
方向上周期排列，宽度为
100
‑
200nm
，周期为
300
‑
500nm。3.
根据权利要求1所述的一种硅基液晶空间光调制器，其特征在于：所述超材料反射层
(3)
由高折射率介质同时在
X
和
Y
方向周期排列，该结构由圆柱形单元在
XY
平面或者球形单元在三维排列而成，在二维圆柱结构中，高折射率材料的圆柱的直径为
200
‑
400nm
，高度为
200
‑
400nm
，周期为
300
‑
600nm
，低折射率包裹材料厚度为
300
‑
1000nm
；在三维球状结构中，直径为
200
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：李雪锋，李昆，杨海宁，
申请(专利权)人：剑芯光电苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：