[发明专利]百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器及其阵列

说明书

技术领域

本发明涉及MEMS光调制器技术领域，具体涉及一种MEMS闪耀光栅光调制器和阵列。

背景技术

光栅也称衍射光栅，利用多缝衍射原理让光发生色散，是光学系统中广泛应用的重要衍射元件，也是光谱分析设备的核心器件。它是一块刻有很非常多的平行等宽、等距离狭缝的平面玻璃或金属片，光栅夹缝一般为每毫米几十到几千条。单色平行光通过光栅后会形成暗条纹较宽、亮条纹较细的图样，称为谱线。谱线的位置随波长而定。复色平行光通过光栅后，波长不同的谱线出现在不同在位置形成光谱，光谱是多缝衍射与单缝干涉共同作用的结果。当光栅刻划成锯齿形状的线槽断面时，光能量集中于某一光谱级上。由此方向探测，可得到最大光谱强度，这种现象便称为闪耀，这种光栅就是闪耀光栅。在闪耀光栅中，起衍射作用的是一个光滑的平面，它与光栅表面有一夹角，称为闪耀角。最大光强对应的波长称为闪耀波长。闪耀光栅具有零级分光的特性，有很高的光谱分辨力和衍射效率，成为实用衍射光栅的主要类型，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、单色仪、显示等方面。

近几年，随着硅微加工技术的迅速发展和制作硅光栅技术的提高，对新型光栅的研究发展也受到更加广泛的重视。在这样的背景下，一种新型的光栅—可动闪耀光栅诞生了。可动闪耀光栅是基于MOEMS（微光机电技术）的新型光学器件，它的应用可以大大降低现有光谱仪的价格和尺寸。新型可动闪耀光栅的优点是：采用梳齿驱动，转动角度大，可以用来制作集成光谱仪，这使得制作集成式微型光谱仪、集成光开关成为可能。

传统的闪耀光栅其光器阵列一旦刻划完成，其光栅参数就固定了，光栅衍射角度也就不可调谐。而随着MEMS(微机电系统)器件和硅微加工技术的迅速发展，各种可调谐的闪耀光栅随之产生。这类器件相对于传统器件，具有可大批量制造、单位成本低、体积微小、方便灵活、性能可靠等优势，获得高速的发展和广泛的应用。它们通过调谐不同的光栅参数，达到改变衍射角度的目的。比如改变闪耀光栅常数（光栅条的间距）或闪耀光栅角度都可以达到调谐目的。典型的例子如西北工业大学提出的申请号为200910021322.3的中国发明专利中的周期可调微机械光栅就是通过调节光栅周期也就是光栅常数的方式。但是，调谐闪耀光栅常数的调制器，因为其光栅条宽固定，所以在调谐拉开光栅条间距的同时会产生较大的空隙，降低了衍射效率。另一类器件，通过调谐闪耀光栅角度可以得到更高的衍射效率。这类器件又分成两种类型：闪耀光栅阵列整体旋转型和闪耀光栅阵列中光栅条单独旋转型。但是，现有的这两类器件受限于MEMS加工工艺，其驱动方式大多采用静电驱动，如西北工业大学提出的申请号为201310019811.1的中国发明专利中的闪耀角可调微机械光栅和重庆大学提出的申请号为200510020184.9的中国发明专利中的悬臂梁式闪耀光栅光调制器的结构就是用静电驱动。由于静电驱动要求驱动电极和光栅面之间的间距较小才能以小于硅片击穿电压产生偏转效果，并且由于吸合现象使得这个间距只有约1/3左右的行程可用，所以光栅条转动角度都比较小，使得光调制器调谐能力受限。而且静电下拉光栅条时，容易由于吸合现象的产生导致光栅条粘附到底面而产生失效。也有使用外加磁场或SMA（形状记忆合金）驱动的可调谐闪耀光栅，但驱动方式限制了其调谐频率（开关速度）不高。

发明内容

为了更好地解决上述问题，本发明提出一种百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，可应用于光谱仪、光通信、精密测量、激光整形、显示等领域。

本发明提出的百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器，发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

百叶窗式MEMS大转角可调闪耀光栅光调制器包括硅衬底以及设置于硅衬底上的绝缘层、梳齿驱动、光栅镜面、弹性悬臂梁、可动框架、柔性梁、光栅镜面、双层梳齿驱动结构、弹性悬臂梁、偏压施加装置及多个柱子；所述光栅镜面通过弹性悬臂梁及可动框架悬空支撑于绝缘层上方，光栅镜面的一侧通过支撑梁和2个柱子固定在衬底表面,另一侧通过变形梁与可动框架连接，可动框架由柔性梁支撑在绝缘层上方，由双层梳齿驱动结构驱动，双层梳齿驱动结构由定齿和动齿组成，定齿通过柱子固定在衬底表面，动齿与可动框架是一体的，动齿布置在定齿上方，与定齿交错，所述偏压施加装置，可产生不同电平、不同频率的驱动电压施加在动齿与定齿之间，使动齿发生偏转和移动，带动可动框架，可动框架通过变形梁拉动光栅镜面，产生偏转。

进一步，所述的双层梳齿驱动结构有两部分，分布在可动框架两侧，其一侧施加电压可以使可动框架通过变形梁拉动光栅镜面偏转，另一侧施加电压可以使光栅镜面的偏转回复。