光栅光阀新结构的光学性能分析【开题报告+文献综述+毕业设计】.Doc

PAGE I 毕业设计开题报告 电子信息科学与技术 光栅光阀新结构的光学性能分析 一、选题的背景与意义 光栅光阀（Gragting light value ，GLV）是一种基于微型机电系统(MEMS) 工艺的一种新型器件--光调制器,利用其表面具有的可选择的变形部分(可动光阀) ,提供衍射光栅。GLV技术由斯坦福大学教授David Bloom及其研究组于1992年发明，1994年成立了SLM公司(现为Cypress公司子公司)来推广这一技术的应用。GLV技术可提供高速度、高可靠性，并可通过大批量生产来获得低成本。GLV技术提供了完成光的开关、调制和衰减的一种可靠方法。基于GLV技术的器件同时结合了高速度、高精度、高可靠性和容易制造等特点，已经在仿真、显示、直接制版和光通信等要求苛刻的市场领域中得到了实际应用和验证。目前更多新应用正在开发之中。 早期的GLV结构和制作材料比较简单，其典型结构主要由3根可动梁（或称辐条）和3根固定梁交叉相间组成像素阵列，再与一块基底组成。可动梁的材料为SiN2，基底材料为硅，基底与可动梁之间镀上一层反射材料（空气层），如铝膜。 为了在现有实验条件下尽可能的满足较小黑区范围，提高光学效率的要求，并且尽可能的简化制造工艺，改进了传统GLV结构，产生了光栅光阀的新结构。光栅光阀结构仍然由基底、可动梁、固定梁以及金属铝层组成。但是这种光栅光阀结构中固定梁的材料不是传统光栅光阀中的氮化硅，而是蒸镀的铝膜；初始状态下固定梁和可动梁也不同时悬空在同一平面上，而是紧贴着基底表面，固定梁与可动梁之间的初始高度差就是空气层（被掏空的牺牲层）厚度。在制作过程中，可动梁与固定梁并非同步制作，而是先用光刻、离子刻蚀、化学腐蚀等工艺淘空牺牲层完成可动梁的悬空结构，再蒸镀铝层完成固定梁的制作。这样分层的结构一方面有效的提高了器件工作区的填充因子数值，减小了可动梁与固定梁之间的黑区范围，从而提高了衍射效率；另一方面简化了器件的制作工艺，在现有的实验条件下降低了加工制作的难度。实际上，GLV的核心就是可动梁的形变量的大小，通过改变其移动距离，从而获得相位光栅。 由理论推算和分析得知，衍射光强是一个与可动梁的形变量、衍射角以及外加电压相关的量。本课题主要利用模拟仿真软件对影响衍射光强的相关参数进行分析测试，并进一步验证分析这些参数对整个GLV器件的影响关系，并通过进一步的验证分析出这些参数对GLV器件的影响，从而通过改善结构或制造材料而获得更佳的GLV器件产品。这对GLV实际的制作具有指导性的意义。 研究的基本内容与拟解决的主要问题： 基本内容 本课题设计了一种光栅光阀的新结构，它的优点是黑区工作范围小，衍射效率高，制作工艺简单。根据所设计的光栅光阀结构参数，推导计算光程差公式，得到光栅光阀的衍射光强分布。通过运用Matlab软件模拟计算GLV结构的衍射光强与可动梁型变量、外加电压、入射波长以及光栅周期等参数之间的关系，并绘制关系图形。该课题提出的光栅光阀新结构以及对其衍射光强影响因素的分析计算和模拟，可为开发新的GLV技术产品提供理论依据。 拟解决的主要问题 对光栅光阀器件的认识和理解，提出一种光学效率高、制作工艺简单的光栅光阀新结构。 掌握光栅光阀新结构的光学特性，并计算得到GLV衍射光强的方程表达式，了解影响衍射光强分布的参数。 利用Matlab的数值计算功能对GLV光学参数进行仿真计算，得到GLV衍射光强与可动梁型变量、入射波长、光栅周期以及外加电压之间的关系图，进一步了解新结构光栅光阀的光学特性以及影响因素，对实际器件的制作参数选择具有一定的指导价值。 研究的方法与技术路线： 本课题提出一种光栅光阀的新结构，推导了新结构光栅光阀的衍射光强方程，分析其的光学性能，并利用Matlab软件进行数值计算，得到衍射光强与可动梁型变量、入射波长、光栅周期以及外加电压等参数之间的关系。 研究的方法 光栅光阀工作时的光学简图如图1所示。 图1 光栅光阀光学简图 其中和分别为入射角和衍射角，光栅的周期为Λ，可动梁与固定梁之间的高度差为h。 由夫琅禾费衍射理论以及光栅的周期性可以得到： 式中E 是衍射复振幅，C 是归一化常数，是光栅的传递函数，是入射光波长， 是波矢量，，N 是光栅的周期数， F 是一个周期内的传递函数。 图2和图3是光栅光阀入射光和衍射光光程差示意图。通过图2和图3，经过数学计算可以计算出入射光程差、衍射光程差以及总的光程差表达式，并由此可以推导出相位差表达式，最后推导出衍射光强的公式以及衍射效率的相关公式。 图2 入射光光程差示意图 图3 衍射光光程差示意图 技术方法和步骤 首先，了解GLV的基本结构和工作原理，通过熟知GLV的工作原理以及光学性能，理解光栅