微型可编程相位光栅结构设计及有限元分析

　　1　引　　言

　　20世纪90年代以来,MEMS技术迅速发展,导致光学系统尺度的减小,促使MEMS与微光学相结合形成MOEMS[1]。在此背景下,各种可编程光栅的研究相继展开。基于MOEMS的微型光谱仪已经成为目前光谱仪研究发展的方向,而光栅正是现代光谱分析仪的主要色散器件,可编程光栅为微型光谱仪的发展开辟了新的道路。另外,可编程相位光栅技术在其它许多高新技术领域如用于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也可大展宏图。

　　2　可编程相位光栅结构模型设计

　　MOEMS设计中的关键问题在于应该注重用多个简单的元件完成复杂的工作[2]。对于微型可编程相位光栅,其“可编程”的含义是指:通过驱动电路的编程控制,结构元素能够按照预期在一定程度内发生变形,使得光栅的栅距、闪耀角等参数发生改变,从而可以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。为此考虑用简单的结构或元件实现其要求。

　　有两种结构形式可以发生变形:一种是指整个结构由可变形材料(如光导热塑材料、某些合成橡胶构成的弹性材料)组成;另一种是指整个结构由许多独立的变形单元构成,通过寻址并驱动后,被寻址的变形单元全部或部分地发生位移或转角的变化[3.4]。由于前一种需要高的寻址电压或偏压,且敏感度差,故不适于与高密度硅基寻址电路集成。故采用后一种结构形式。计一种如图1所示的可变形的矩形光带结构作为变形单元。为了有效地驱动该结构发生变形,需要确定合适的驱动方式。理想的光带驱动希望具备:驱动力大、能有效地控制光带稳定在所要求的合理变形状态、功耗低、简单易实现等特征。一般来说,驱动方式主要有静电力驱动、磁力驱动、热应力驱动等三种,其中静电驱动力较小,但功耗小,反应快,而且容易控制。磁力虽较大但功耗也大、热应力驱动所需时间长且较难控制。据此,采用较普遍应用且容易实现连续控制的静电力驱动方式。

　　据此,光栅结构设计结果见图1。光带3两端固定在二氧化硅材料的支撑柱1上,并由于光带本身的残余应力2保持张紧状态。光带下方的硅衬底4上设置集成电极。在光带和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并发生形变,且位移量是可以由电压控制的。加工时,将光带按阵列的方式排列起来,并布置驱动电路。使用时,按照所需的调制状态对驱动电路进行编程,各光带在静电力的驱动下而发生预期的位移,呈现出相应的状态。当所有的光带在编程控制下形成一定的控制状态时,就可以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特性,该特性与入射光的具体波长有关,从而可以实现对入射光的相位调制。