可编程相位光栅的结构设计与制作工艺

　微光机电系统(MOEMS,也称optical MEMS,即光学微机电系统)是近年来兴起的一个多学科交叉的研究领域。与光学相结合的MEMS能提供各种可发生衍射、反射或折射的微光学元件,如光栅、微镜、透镜等,并可以通过精确的驱动和控制使微光学元件实现一定程度或范围的动作,从而使光学元件的尺寸大幅度减小,并形成新颖的功能部件或系统[1]。目前国内外的MOEMS研究取得了相当多的进展,典型的如数字微镜阵列芯片(DMD)、光栅光阀(GLV)以及已广泛开展研究的光开关、光调制器等[2,3]。

可编程相位光栅技术在全光网络通信的多频光合成/分离技术、光互连技术以及用于宇航空间光通信的光舵技术等领域有较广的应用。另外,可编程相位光栅也可作为微型光谱仪的新颖色散器件。MOEMS技术的发展为可编程相位光栅的实现提供了可能性。本文介绍了一种新型的基于MEMS的可编程相位光栅的原理、设计及制作,其加工工艺与IC工艺兼容,有利于结构器件与控制电路、检测电路及信号处理电路的集成。

1　结构设计

如图1所示,基于MEMS的可编程相位光栅是由一种静电驱动的可控变形光带阵列组成,其“可编程”的含义是指:通过驱动电路的编程控制,光带结构能够按照预期要求在一定程度内发生变形,使得光栅的等效特征参数发生改变,从而对光场光波的相位进行控制,使得特定波长的光波空间相位按要求重新分布,产生预期的衍射和干涉能量分布特性。基于MEMS的可编程相位光栅的基本结构元素是可控变形的光带(图2)。未被驱动时,光带由于本身的残余应力保持张紧状态,且所有光带构成公共上电极;光带下方的硅衬底上设置集成下电极,光带与驱动电极之间、光带与检测电极之间分别构成平行平板电容。若在光带和下电极之间加上一定的电压,产生的静电力就能够使光带下拉,光带发生形变。当按照所需的调制状态对驱动电路进行编程,各光带则在静电力的驱动下而发生相应的形变,同时,谐振式检测电路将及时检测到由于变形引起的光带电极与检测电极之间的电容变化,从而可以得知光带的变形量,并依据反馈信息更加精确地控制光带变形。所以,光带在一定距离内能够进行形变量可连续控制的移动。当所有的光带在程序和电路控制下形成一定的编程状态,即可使光场光波的空间相位按要求重新分布,产生预期的衍射和干涉能量分布,此分布特性与入射光的波长密切相关。

2　结构的仿真与优化

光带结构在力学上其本质是两端固定微梁结构。对应于微梁结构变形的微分方程为[4]:

式(1)中:以微梁的一端为坐标轴横轴的起点,沿微梁的长度方向为横轴方向,则x是指微梁上各点的位置,y(x)是表征微梁上各点变形程度的函数;U是微梁与电极间所施加的电压,T是微梁中的内应力,ε0是真空的介电常数,ε是微梁(氮化硅材料)的相对介电常数,E是弹性模量,I是弯曲截面系数,t是厚度,h是微梁未变形时其底部到衬底的距离,即气隙的厚度。从两式可以看出,影响微梁变形的因素有t、h和U等。由式(1)不能求出y(x)的解析解。本文采用自相容迭代Green函数法求得数值解[5]。