一种水转移铁电薄膜空间光调制器

技术领域

本发明属于光信息处理领域，涉及一种水转移铁电薄膜空间光调制器。

背景技术

在光通信网络中，光场调控的相关研究始终是现代光学的热点，通过研究光场的振幅、相位、相干度、偏振度等性质，从而实现对光波的自由操控。为了直接将光信息与电子信息相结合，人们发展了一些可以电控的且可以将电信号转换为光信号的器件，也就是空间光调制器。空间光调制器是一种新型的衍射光学元件，具有分辨率高、可编程性强、填充因子高和衍射效率高等优点，可以用于调制光场的振幅和相位，下面是一些常用的空间光调制器。

液晶型空间光调制器一般是利用液晶分子的向列扭曲效应和电控双折射效应，对透过光的相位和强度进行调制，具有相位噪声小，可编程性强等优点，但也存在响应速度慢，工艺制造复杂等缺点；得益于微机电技术的发展，一个被广泛使用的器件就是可变形镜，它可以避免因相位失配而引入的噪声，但易受环境影响；近年来较新的研究热点是基于超表面的波前调制技术，通过调节亚波长结构中的形状大小等几何参数来调节空间分布的光学响应，具有响应度高等多种优势，但结构较为复杂。

采用电光材料进行调制也是近年来的一个研究热点。通过对材料施加电压，改变材料折射率分布，使得光波波前相位发生变化，从而对光信号实现调控。在光通信领域中，提高带宽和调制效率一直是空间光调制器的重要研究指标。众所周知，铁电材料具有相当优异的性能，以钛酸钡材料为例，其具备超高电光系数、特殊的电光调制机制等优点。而且钛酸钡晶体有稳定的化学和物理性质，在室温和高于室温时具有铁电性质，综合来看有广泛的应用前景。制备钛酸钡的方法有很多，其中，水转移法是一种通过脉冲激光沉积在STO衬底上合成BTO/SAO异质结构，然后蚀刻水溶性SAO层形成独立外延无机薄膜的环保型、非破坏性方法。并且在水转移的方法中，直接将样品浸入去离子水中，溶解SAO层，操作简单，成本较低，可以得到具有良好铁电性和柔韧性的大尺寸BTO薄膜。所以将其运用到空间光调制器中可以显著提高调制器的调制效率。

钛酸钡(BaTiO

发明内容

技术问题：针对现有技术存在的上述问题，本发明提出一种水转移铁电薄膜空间光调制器。采用现有的水转移方法得到铁电薄膜，通过改变电场来调控光场。

技术方案：本发明的一种水转移铁电薄膜空间光调制器包括铁电薄膜层、电源和电极；其中，铁电薄膜层为块状，在铁电薄膜层上设有平行的两条电极，电源连接在平行的两条电极上；在铁电薄膜层的平面建立xyz坐标系，y轴为光传播方向，光束在图中用以y轴为轴线方向的圆台表示。设铁电薄膜层垂直于光束的传播方向y轴方向放置，光束垂直穿过铁电薄膜层。

所述电极为行波电极结构或者差分电极结构，设在铁电薄膜层垂直于y轴的一面上。

所述铁电薄膜层的材质为钛酸钡，具有高电光系数。

所述铁电薄膜层基于水转移的方法在硅基波导调制器上制备得到。

所述水转移的方法制备铁电薄膜层，通过脉冲激光沉积在STO衬底上合成铁电材料SAO异质结构，然后蚀刻铁电材料SAO层形成独立外延无机薄膜，铁电薄膜层采用钛酸钡材料，具体包括以下步骤：

步骤一、在空气中以1400℃烧结5h、1300℃中烧结2h，通过常规固相反应合成SAO/BTO结构；

步骤二、使用激光器将SAO/BTO薄膜通过脉冲激光沉积(PLD)在STO衬底上，在800℃的温度下得到层状结构的的BTO/SAO/STO异质结。

步骤三、在生长的层状结构的的BTO/SAO/STO异质结上以3000转/分的旋转速度旋转涂覆光刻胶薄膜作为保护层；

步骤四、将BTO/SAO/STO异质结在115℃真空烘箱中干燥15分钟；

步骤五、将BTO/SAO/STO异质结浸入去离子水中溶解SAO层；

步骤六、溶解SAO层；

步骤七、将剥离的光刻胶/BTO薄膜转移到目标衬底上；

步骤八、转移后放入丙酮溶剂中溶解光刻胶膜。

有益效果：相比于现有技术，本发明创新性地提出将基于水转移法得到的铁电薄膜应用于空间光调制器中。以钛酸钡材料为例，对比于现有STO缓冲层上生长钛酸钡用于调制的方法，基于水转移方法可以得到具有良好的铁电性、外延性和优异的柔韧性的高质量钛酸钡薄膜。因而改变电场时，可以使得薄膜折射率分布发生显著变化，提高空间光调制器的调制效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为铁电钛酸钡的晶体结构图。其中位于四方晶体顶角处的为Ti原子，位于面心处的为O原子，位于体心的为Ba原子，表明钛酸钡材料的各向异性。

图3为本发明钛酸钡空间光调制器中钛酸钡材料的旋转示意图。

图中有：衬底1、铁电薄膜层2、电源3、电极4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。

该调制器包括铁电薄膜层2、电源3和电极4；其中，铁电薄膜层2为块状，在铁电薄膜层2上设有平行的两条电极4，电源3连接在平行的两条电极4上；在铁电薄膜层2的平面建立xyz坐标系，y轴为光传播方向，光束在图中用以y轴为轴线方向的圆台表示。设铁电薄膜层2垂直于光束的传播方向y轴方向放置，光束垂直穿过铁电薄膜层2。所述电极4为行波电极结构或者差分电极结构，设在铁电薄膜层2垂直于y轴的一面上。所述铁电薄膜层2基于水转移的方法在硅基波导调制器上制备得到。

实施例1：以钛酸钡为例，图1为钛酸钡空间光调制器的结构示意图，光束垂直穿过铁电薄膜层，到达铁电薄膜处，并通过电极给薄膜施加电场产生极化，从而调制薄膜折射率。并且本发明采用水转移方法得到的铁电薄膜层用于空间调制，可以得到具有良好的铁电性、外延性和优异的柔韧性的高质量钛酸钡薄膜，提高空间光调制器的调制性能。所述水转移的方法制备铁电薄膜层2，通过脉冲激光沉积在STO衬底上合成铁电材料SAO异质结构，然后蚀刻铁电材料SAO层形成独立外延无机薄膜，铁电薄膜层采用钛酸钡材料，具体包括以下步骤：

步骤一、在空气中以1400℃烧结5h、1300℃中烧结2h，通过常规固相反应合成SAO/BTO结构；

步骤二、使用激光器将SAO/BTO薄膜通过脉冲激光沉积(PLD)在STO衬底上，在800℃的温度下得到层状结构的的BTO/SAO/STO异质结。

步骤三、在生长的层状结构的的BTO/SAO/STO异质结上以3000转/分的旋转速度旋转涂覆光刻胶薄膜作为保护层；

步骤四、将BTO/SAO/STO异质结在115℃真空烘箱中干燥15分钟；

步骤五、将BTO/SAO/STO异质结浸入去离子水中溶解SAO层；

步骤六、溶解SAO层；

步骤七、将剥离的光刻胶/BTO薄膜转移到目标衬底上；

步骤八、转移后放入丙酮溶剂中溶解光刻胶膜。

实施例2：图2为实施例中铁电钛酸钡的晶体结构图。可以发现钛酸钡晶体是一种四方晶体结构，在不同方向上具有不同的折射率以及电光系数。所以钛酸钡材料的的电光性能取决于钛酸钡晶体的晶格取向和极化方向。

图3为钛酸钡空间光调制器的部分结构，若光束沿z轴到钛酸钡晶体处，将铁电薄膜在xy平面旋转一定角度

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。