1、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（GRAGTINGLIGHTVALUE，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DAVIDBLOOM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
2、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
3、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
4、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。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题1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，
5、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。2拟解决的主要问题1）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。2）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。3）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。三、研究的方法与技术路线本课题提出一种光栅
6、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。1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10NNPERIODJKPXJKPXDXFECEPENPERIODJKPXJKPJNKPDXFECEE11式中E是衍射复振幅，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
7、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2、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，理解光栅光阀衍射光强的实质意义，提出光栅光阀的新结构。其次，数学分析，首先建立数学模型，然后通过数学推算，得到衍射光强的表达式，并分析影响光强分布的主要参数如入射光波长、光栅结构尺寸、外加电压大小等。第三，利用MATLAB软件进行数
8、值计算。通过建立好的软件模型，将衍射光强设置为中心参数，而可动梁形变量、入射波长、光栅周期以及外加电压这些参数设置为可变待测参数，当改变这些待测参数时，通过计算模拟，获得可栋梁形变量、入射波长、光栅周期以及外加电压等参数的变化对衍射光强的影响，并利用图形将这些变化关系直观地表示出来。四、课题的总体安排与进度12010年12月初2010年12月末，查阅光栅光阀结构及光学性能的相关资料，深入了解课题的相关内容及背景，同时制定完成本课题的计划和步骤，完成开题报告；22010年12月末2011年2月中旬，推导光栅光阀衍射光强的表达式，学习使用MATLAB软件，掌握软件中的数值计算功能，同时完成文献翻译
9、和文献综述；32011年2月中旬2011年4月上旬，通过软件计算模拟光栅光阀新结构不同的参数选择对衍射光强分布的影响，深入了解新结构光栅光阀的光学特性；42011年4月中旬2011年5月初，完成本课题所有项目，整理数据并撰写论文，准备答辩。五、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，2004，95195213TEKLASPERRY，GLVTOMMORROWTV，2004,440414SOLGAARDO，SANDEJASFSA，BLOOMDM，DEFO
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