[發明專利]基于雙層梳齒驅動MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器

有效

• 申請號: 201410116359.5
• 申請日: 2014-03-26
• 公開（公告）號: CN103901609A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發明（設計）人: 張智海;張文凱;路遠;高玲肖
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G02B26/08
• 分類號: G02B26/08;B81B3/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及MEMS光調制器技術領域，具體涉及一種MEMS閃耀光柵光調制器和陣列。

背景技術

當光柵刻劃成鋸齒形狀的線槽斷面時，光能量集中于某一光譜級上。由此方向探測，可得到最大光譜強度，這種現象便稱為閃耀，這種光柵就是閃耀光柵。在閃耀光柵中，起衍射作用的是一個光滑的平面，它與光柵表面有一夾角，稱為閃耀角。閃耀光柵具有零級分光、衍射效率高的特性，所以它的研究就越來越受到人們的關注。閃耀光柵可應用于光譜儀、光通信、精密測量、激光整形、顯示等領域。

傳統的閃耀光柵其光器陣列一旦刻劃完成，其光柵參數就固定了，光柵衍射角度也就不可調諧。而隨著MEMS(微機電系統)器件和硅微加工技術的迅速發展，各種可調諧的閃耀光柵隨之產生。這類器件相對于傳統器件，具有可大批量制造、單位成本低、體積微小、方便靈活、性能可靠等優勢，獲得高速的發展和廣泛的應用。它們通過調諧不同的光柵參數，達到改變衍射角度的目的。比如改變閃耀光柵常數（光柵條的間距）或閃耀光柵角度都可以達到調諧目的。典型的例子如西北工業大學提出的申請號為200910021322.3的中國發明專利中的周期可調微機械光柵就是通過調節光柵周期也就是光柵常數的方式。但是，調諧閃耀光柵常數的調制器，因為其光柵條寬固定，所以在調諧拉開光柵條間距的同時會產生較大的空隙，降低了衍射效率。另一類器件，通過調諧閃耀光柵角度可以得到更高的衍射效率。這類器件又分成兩種類型：閃耀光柵陣列整體旋轉型和閃耀光柵陣列中光柵條單獨旋轉型。但是，現有的這兩類器件受限于MEMS加工工藝，其驅動方式大多采用靜電驅動，如西北工業大學提出的申請號為201310019811.1的中國發明專利中的閃耀角可調微機械光柵和重慶大學提出的申請號為200510020184.9的中國發明專利中的懸臂梁式閃耀光柵光調制器的結構就是用靜電驅動。由于靜電驅動要求驅動電極和光柵面之間的間距較小才能以小于硅片擊穿電壓產生偏轉效果，并且由于吸合現象使得這個間距只有約1/3左右的行程可用，所以光柵條轉動角度都比較小，使得光調制器調諧能力受限。同時靜電扭轉光柵條的驅動方式施力點在光柵條正下方，容易造成光柵條在扭轉時受應力影響而變形，降低衍射效率。而且靜電下拉光柵條時，容易由于吸合現象的產生導致光柵條粘附到底面而產生失效。也有使用外加磁場或SMA（形狀記憶合金）驅動的可調諧閃耀光柵，但驅動方式限制了其調諧頻率（開關速度）不高。

發明內容

有鑒于此，為了解決上述問題，本發明提出一種雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器，可應用于光譜儀、光通信、精密測量、激光整形、顯示等領域。

發明解決其技術問題所采用的技術方案如下：

本發明提出的雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵，改進了閃耀光柵的光學性能和閃耀光柵的機械性能，其加工采用體硅加工工藝，主要構成如下：

1.雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵：包括硅襯底以及設置于硅襯底上的絕緣層，光柵通過彈性懸臂梁懸空支撐于絕緣層上方,主要由梳齒驅動（動齒、定齒）、光柵鏡面、柔性梁、2個柱子、驅動電路組成。其中，光柵鏡面與梳齒的動齒連接在一起，然后通過柔性梁與柱子連接，兩個柱子固定在襯底表面，雙層梳齒驅動由動齒和定齒組成，動齒交叉懸浮在定齒上方。

進一步，所述的動齒分布在柔性梁兩側，交叉懸浮在兩側各自的定齒上方，動齒和兩側各自的定齒上均分別裝設電極，驅動電路在動齒和兩側定齒間交替施加電壓，使得光柵面可以兩面偏轉。

進一步，雙層梳齒驅動結構布局在中心的有效衍射光柵面兩端，而且寬度小于光柵帶寬。

實現前述雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器結構可以有很多不同加工工藝，其中一種推薦的加工工藝包括如下步驟：

1)用深槽反應離子刻蝕把掩膜板1覆蓋的地方刻蝕成底部梳齒圖形；

2)經過鍵合、器件層的研磨∕拋光、熱氧化后，把硅襯底與頂部硅層連接起來形成SOI晶片；

3)用自對準掩膜板2刻蝕出頂部梳齒圖形，并對步驟2）中得到的氧化層進行刻蝕；

4)用HF去除自對準掩膜板和氧化層。

5)頂層光柵鏡面濺射蒸鍍鋁或者金作為反射面。

本發明還提供所述的雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器陣列，所述雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器陣列由至少2個雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器并列而成，其中每一個雙層梳齒驅動的MEMS大轉角可動閃耀光柵光調制器均可在驅動電路控制下獨立動作。