1、毕业设计文献综述电信多媒体光栅光阀新结构的光学性能分析摘要光栅光阀GLVGRATINGLIGHTVALVE技术最早由斯坦福大学DAVIDBLOOM教授及其研究小组于1992年提出，1994年成立了SLM（SILICONLIGHTMACHINE）公司来推广这一技术在投影显示方面的应用。光栅光阀是一种基于MEMS技术的衍射光器件，它是由一列悬空的粱组成的一个相位光栅。光栅光阀是光线反射元件,由一条条带状的反射面所组成,反射面在静电力的作用下进行上下移动,使得光栅光阀形成衍射光栅,工作在“开”态和“关”态,再加上其反射装置的超高切换速度,以达成影像的再生。衍射的作用使得光栅光阀在“开”、“关”态存在
2、一定的光能量的泄漏,降低以光栅光阀为核心器件的投影机的投影性能,所以有必要对光栅光阀的光学特性进行分析。本文主要讨论了GLV的基本特点和原理；综合GLV的特点并举例说明了它的典型应用，比如成像设备，包括投影系统、便携式通信设备、打印机、激光照排机、计算机直接制版机以及光纤通信等；介绍了MATLAB仿真软件的模拟分析方法，并比较分析MATLAB仿真软件的优势所在；最后讨论了由于GLV在不同领域得到的成功和应用，受到越来越多的重视，展示了其在数据传输速度、适用光谱范围、结构等方面的新的发展趋势。关键词光栅光阀（GLV）；微机电系统（MEMS）；衍射光栅；光学性能参数；计算机模拟仿真1引言光栅光阀G
3、LV是一种基于微机电系统技术的新型微型反射光栅,在静电力的作用下可动梁弯曲,从而获得所需要的光强分布，具有响应速度快、光学效率高、成像稳定、可经受极高光强等优点。光栅光阀是一种衍射型相位光栅器，于1992年首次被提出。1994年美国加州硅光机公司开始开发GLV产品，并于1998年进行了首次投影机的公开展示，后来GLV又不断的被成功运用到光通信、高清晰打印等领域，并在数字电视等方面有所新的发展和突破。2背景MEMS微型可编程光栅是一种全新概念下的光栅,具有软件可编程控制的高灵活性特点,并表现出独特的能量再分布能力,是一种新型的多功能光学器件。而MEMS技术的采用不仅实现了光栅的微型化和集成化,易
4、于构造大面阵光栅阵列,同时显著降低了制造成本、提高了器件的工作性能,并且使光学片上系统SYSTEMONACHIP,SOC的最终实现成为可能,其中,在结合了MEMS技术、微电子技术、精密机械加工技术和封装技术等的基础上发展起来的微型光谱仪就是最典型的例子。对于下一代的光通信技术而言,MEMS将会是一种成熟并且实用化的技术。基于MEMS的传感器,衰减器,光开关有高度集成的特点,因此这类器件将满足小尺寸,高速,低成本的要求。基于MEMS的光衰减技术现在主要有挡光式,反射式,反应时间都在MS量级。1998年基于VLSIVERYLARGESCALEINTEGRATION技术的GLVGRATINGLIGH
5、TVALVE被正式提为专利。在这项专利中,基底材料为硅,可活动的辐条RIBBON材料为SIN2,在辐条和基底之间再镀上反射材料,如铝膜,相邻的辐条和基底之间在镀上铝膜之后高度差为入射波长的1/2。辐条的厚度为入射波长的1/4。通过静电引力或斥力使辐条运动。由于辐条的移动距离相对波长比拟,因此这种MEMS器件的响应时间远远小于传统使用梳状电极或者转动微镜的响应时间,达达S量级。3GLV的基本工作原理光栅光阀是光线反射元件,由一条条带状的反射面所组成,反射面在静电力的作用下进行上下移动,使得光栅光阀形成衍射光栅,工作在“开”态和“关”态,再加上其反射装置的超高切换速度,以达成影像的再生。衍射的作用
6、使得光栅光阀在“开”、“关”态存在一定的光能量的泄漏,降低以光栅光阀为核心器件的投影机的投影性能。光栅光阀利用光反射原理，一个像素由彼此隔开的多个可动带状物和固定带状物组成,这些带状物上表面镀上具有高反射效率的膜。当可动带状物光阀和固定带状物在同一高度时,如图1A所示,该像素成为一个平面,此时光栅光阀起到一个平面镜的作用,当后续光能收集系统放置在如图1所示的位置,这时没有光进入光能量收集系统显示为“关”态当静电力开始作用,可动带状物向下弯,形成一个衍射光栅,显示为“开”态,如图1B所示,亮度会随着可动带状物下弯深度的不同来控制反射光与折射光的比例变化而变化,从而形成不同的灰度层次,也可以靠保持
7、在某种工作状态的时间来实现不同的灰度层次。A关态B开态图1GLV器件的工作原理4GLV的特点卓越的处理速度GLV晶片能够高速运动，因为晶片弯曲的最大距离只有光波波长的14。一个周期只需要20纳秒，也就是说晶片每秒可实现5000万次弯曲和弹回。这个速度是其它光阀产品响应速度的1000倍，这是其它光阀技术所无法比拟的。光学效率高，成像清晰非凡相对于其它光阀技术所采用的透射或反射成像，GLV利用光的衍射技术进行成像，它具有更高的光学效率。而GLV光栅光阀与激光光源共同使用，可轻易达到3O001的成像对比度。使得成像无比清晰这也是SONY公司利用GLV生产高清晰电视HDTV的原因之一。成像稳定，使用寿
8、命长GLV技术采用简单的机械和电子设计，从而决定了其内在品质是稳定可靠的。GLV可弯曲的晶片从不与其它物件接触，根本不存在磨损的问题。实验测试表明GLV晶片可以经受高于6X10次的弯曲弹回周期。这可以保证GLV可以连续15年每天24小时不停的正常运转。可扩展性用于形成衍射光栅的GLV芯片是可扩展的，将多个基本的GLV单元并排排列在一起，确保临近的GLV单元之间没有间隙，就可以使一个均匀照明线形阵列的输出是平滑均匀的扁平光线。GLV单元越多，同时成像的像素就越多，从而成像速度可以有无限的扩展空间。能经受极高的光能强度一般的光阀技术只能承受低于1瓦平方厘米的光强，而对于GLV技术而言，当光强增加到
9、几千瓦平方厘米时，其操作性能没有受到任何影响。具有这种特性的GLV技术对于采用大功率红外830NM激光进行成像的直接制版设备来说无疑是最佳的选择。制造成本低且容易实现与CMOS逻辑的集成GLV器件是采用标准CMOS工艺制造的，因此容易集成相关的驱动和外围电路。另外，单块晶圆上可以制造出多个器件，从而在大批量生产时，具有成本优势。但是GLV器件也存在一些不足,如光带的可调范围一般只有几百纳米、单个光带不能单独控制、像素单元中的衍射单元数少等。5GLV的典型应用由于GLV器件具有响应速度快约20NS、衍射效率高70、插入损耗低约15DB、可承受大的能量密度数十KW/CM2、可靠性高、使用寿命长、与
10、标准CMOS工艺兼容适合批量生产、成本低等显著优点,目前已经在投影显示、印刷制版、光通信等领域得到了广泛应用。投影显示方面由于其无与伦比的响应速度,只需要在一维像素单元阵列通常为1080像素的垂直方向上进行扫描就可以达到显示二维图像的目的,与目前广泛使用的LCD、DLP或LCOS等面投影器件相比,GLV器件的像素单元数大幅度减少,从而使成品率极大提高、成本显著降低同时,其高达30001的图像对比度使成像质量更高,并且通过扫描电路对扫描方向上的像素进行控制,就可以得到不同显示比例的画面,如4314401080、16919201980、235125381080以及各种特殊的高宽比。2000年,SL
11、M公司将GLV技术独家授权给SONY公司用于开发、制造高清晰的显示及投影设备,后者在2002年的日本CEATEC电子展上展示了第一款基于GLV技术的19201080HDTV逐行扫描投影机。印刷制版方面计算机直接制版COMPUTERTOPLATE,CTP技术取消了传统的胶片曝光过程,直接将图像数据曝光在涂有特殊感光/感热材料的铝基PS版上,从而避免了激光照排过程的许多缺点,可以获得更好的印刷效果。而GLV器件采用简单稳定的材料制作,外围结构和导体是硅、多晶硅和硅二极管等,更重要的是,在条状结构附近没有太靠近的逻辑或控制电路,使GLV器件可承受很大的功率密度。同时在CTP应用中,GLV器件具有的分
12、辨率高、数据量大、响应速度快的优异性能使其正好满足CTP制版机的要求。目前,德国爱克发AGFA公司和日本网屏SCREEN公司已经在其计算机直接制版系统中采用了基于GLV的光学部件。光通信方面GLV器件的快速响应速度、高的光学效率、精确和可重复的连续可调光衰减能力使其非常适合现代光学通信网络中所广泛使用的可变光学衰减器VARIABLEOPTICALATTENUATOR,VOA、动态增益均衡器DYNAMICGAINEQUALIZER,DGE和光开关应用。位于美国加州的LIGHTCONNECT公司是该领域的主要设备供应商。尽管已经获得了非常成功的商业化应用,GLV器件也存在一些不足,如光带的可调范围
13、一般只有几百纳米、单个光带不能单独控制、像素单元中的衍射单元数少等,因此限制了其在红外波段领域中的光谱成像、气体分析等应用。6GLV的计算机模拟由于在理论分析运算中，会遇到复杂难解的方程，因此利用MATLAB软件可以很方便快速地模拟出相关函数，从而得出其解或近似解，通过利用得到的解，在MATLAB仿真软件上建立起的GLV结构模型进行参数设置，当改变这些参数时，利用多组数据测试，最后生成其函数图形曲线，同时观察这些图形曲线的变化规律，进一步分析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等之间的一系列关系，最后绘制成图形，将这些关系直观地表现出来。GLV的设计需要综合力学、热学、
14、电学和光学等多学科知识进行分析，参数选择难度大。通过模拟MEMS器件，可以获得很多关键参数，为加工提供有用的指导，缩短研发周期，提升器件性能，减少研究成本。由于早期MEMS的模拟仿真并未取得与物理器件同步的进展，直到20世纪90年代才出现用于MEMS工艺模拟、器件模型建立、仿真分析和优化设计的使用CDA软件。如今，这类软件已经在MEMS的研制过程中得到了广泛的应用。有两种MEMS模拟方法。一种是建立器件力学模型，用有限元（FEA）方法进行计算。这种方法使用广泛，而且精度也高，但是过程繁琐，容易出错，同时占用的计算机资源和时间多，而且由于个人对属性的设置不同，因此最终得出的结论也很可能大不相同。
15、另一种方法是为器件建立电学模型，通过MATLAB、VHDLA、TSPICE仿真软件进行模拟，显而易见，这种方法求解方便，而且不易出错，运算速度快，也适合于模拟/混合信号系统的分析仿真。本次设计主要运用到的就是第二种方法，通过MATLAB模拟仿真，得到所要研究的参数及关系图谱。7课题的研究意义1研究的方法光栅光阀工作时的光学简图如图2所示。图2光栅光阀光学简图其中0和I分别为入射角和衍射角，光栅的周期为，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PE10NNPERIODJKPXJKPXDXFECENPERIODJKPXJKPJNKPDXFECEE11式中E是衍射复
16、振幅，C是归一化常数，F是光栅的传递函数，是入射光波长，2K是波矢量，0SINSINIP，N是光栅的周期数，F是一个周期内的传递函数。经过公式的简化，可得到得到一个周期内的衍射复振幅PED，光栅光阀衍射光强可以表示为222222204SIN2SIN2SIN2SIN2COS2SIN2SINKPCKPCKPCKPKPNNIPI其中0I是入射光强，H4。2研究的意义光栅光阀结构中的各个参数，对光栅光阀器件的机械性能和光学性能都有直接影响，甚至决定了器件能否正常使用和工作。本课题对新结构的光栅光阀器件进行了详细的光学性能分析，基于物理光学的理论公式进行了计算求解，得出了不同参数对器件工作性能的具体影响
17、。通过模拟得到的结果，可以确定光栅光阀光学参数和衍射光强之间的关系，该结论将对光栅光阀的工艺制作起到指导性作用。这些结论对光栅光阀器件实际制作提供了理论依据，可以用来指导实际器件制作中的参数选择。8总结通过以上所述，可以看出GLV已经在不同领域获得了成功的验证和应用，随着市场需求量的增长和对性能的提高，GLV在数据传输速度、适用光谱范围、结构等方面表现出新的发展趋势，市场应用前景很乐观。特别是在新的成像设备（如无掩模板的光刻机）和各种高级投影显示系统中的应用。由于可动梁能在外加电压控制下移动，因此可成为新的微型可编程相位光栅。这使得GLV的概念得到新的发展，通过编程，就可以控制光的相位分布，从
18、而产生预期的衍射反射效果，使其性能得到更大的提高。9主要参考文献1李俊,陈海清,余洪斌,王忠光栅光阀的应用、模拟技术和发展趋势。2005，711152宋镜明,阮玉,杨宜,王继平对光栅广阀（GLV）器件进行数值分析及其在DEG上的应用，2004，95195213TEKLASPERRYGLVTOMMORROWTV2004,4404140SOLGAARD,ESASANDEJAS,ANDDMBLOOMDEFORMABLEGRATINGOPTICALMODULATOR1992,196886905张洁，黄尚廉，付红桥，闫许，陈伟民光栅光阀的光学特性分析和仿真,2005，1111145256钟灿涛新型MEM
19、S器件光栅光阀GLV的原理及应用2004,174767朱长纯，赵红坡，韩建强，崔万照MEMS薄膜中的残余应力问题2003,5630338飞思科技产品研发中心小波分析理论与MATLAB7实现M北京电子工业出版社，20053954119POSTERBERG,HYIE,XCAI,JWHITE,ANDSSENTURIASELFCONSISTENTSIMULATIONANDMODELINGOFELECTROSTATICALLYDEFORMEDDIAPHRAGMS1994,293010范国君全新理念的激光投影器件GLV维普咨询，2003年第一期，626411RWCORRIGAN,DTAMM,PAALIOS
20、HIN,BSTAKER,DALEHOTY,KPGROSS,BRLANGSILICONLIGHTMACHINES,SUNNYVALE,CA12DTAMM,RWCORRIGANSILICONLIGHTMACHINES,SUNNYVALE,CAGRATINGLIGHTVALVETECHNOLOGYUPDATEANDNOVELAPPLICATIONS13KUNIHIKOSARUTA,HIROTOKASAI,MASATONISHIDA,MASANARIYAMAGUCHI,YASUYUKIITO,EITAROYAMASHITA,AYUMUTAGUCHI,KAZUNAOONIKI,HITOSHITAMADA,NANOMETERDERCONTROLOFMEMSRIBBONSFORBLAZEDGRATINGLIGHTVALVES14POSTERBERG,HYIE,XCAI,JWHITE,ANDSSENTURIAMASSACHUSETTSINSTITUTEOFTECHNOLOGY,CAMBRIDGE,MA,USA,SELFCONSISTENTSIMULATIONANDMODELINGOFELECTROSTATICALLYDEFORMEDDIAPHRAGMS15激光与光电子学进展，光栅光阀投影仪。2003年7月，第40卷，第7期
