利用相位调制的热控空间光调制器.pdf

装置(43)包括薄膜干涉滤光器结构(10)，所述薄膜干涉滤光器结构(10)对在预定的波长范围内的入射光能具有大体上为波长依赖性的谐振响应。所述薄膜干涉滤光器结构(10)包括具有可热调谐光学特性的可热调谐层(16)，使得由所述可热调谐层的热状态的相应范围引起所述可热调谐层(16)的波长依赖性的谐振光学响应的范围。所述薄膜干涉滤光器结构(10)被构造成(1)在所述可热调谐层(16)处接收热能(51)的空间变化图案，以赋予与所述可热调谐层(16)的所述可热调谐特性对应的空间变化图案，并且(2)接收进入所述可热调谐层(16)的所述入射光能(22)，并且输出具有与所述可热调谐特性的所述空间变化图案(51)对应的空间调制的输出光能(26)。

1.  一种包括薄膜干涉滤光器结构的装置，所述薄膜干涉滤光器结构对在预定的波长范围内的入射光能具有大体上为波长依赖性的相位响应，
所述薄膜干涉滤光器结构包括至少一个可热调谐层，使得由所述可热调谐层的热状态的相应范围引起波长依赖性的相位响应的范围，
所述薄膜干涉滤光器结构被构造成(1)在所述可热调谐层处接收热能的空间变化图案，并且(2)接收进入所述可热调谐层的所述入射光能，并且将与所述热能的空间变化图案对应的空间相位调制赋予输出光能。

2.  根据权利要求1所述的装置，所述装置被构造成以反射的方式操作，使得所述输出光能在与所述入射光能的传播方向基本上相反的方向上传播。

3.  根据权利要求1所述的装置，其中所述可热调谐层是热-光材料，并且所述可热调谐光学特性包括满足关系|(l/n)(dn/dT)|＞10^-5/K的温度依赖性折射率n。

4.  根据权利要求1所述的装置，所述装置还包括绝热区以产生图案化的可热调谐层。

5.  根据权利要求4所述的装置，其中所述薄膜干涉滤光器包括与所述可热调谐层热接触的反射镜，所述反射镜连续跨过所述图案化的可热调谐层。

6.  根据权利要求4所述的装置，所述装置还包括掩模，所述掩模基本上全部防止所述入射光能入射到所述绝热区上。

7.  根据权利要求6所述的装置，所述装置还包括反射镜，其中所述掩模和所述反射镜之间的光程差额定为所述入射光能的半波长。

8.  根据权利要求4所述的装置，其中将所述绝热区图案化，以对可从对应所述热能的空间变化图案的所述空间相位调制中分离的所述输出光能赋予空间相位调制。

9.  根据权利要求8所述的装置，其中与由所述热能引起的空间调制相比，由所述绝热区引起的对所述输出光能的空间调制处于更高的频率。

10.  根据权利要求1所述的装置，其中所述薄膜干涉结构还包括为所述可热调谐层提供热地的热地结构。

11.  根据权利要求10所述的装置，其中控制所述热地结构的温度以选择所述波长依赖性相位响应的光波长。

12.  根据权利要求10所述的装置，其中所述热地结构的温度被测量并且用于设定所述入射光能的光波长。

13.  根据权利要求1所述的装置，其中所述可热调谐层与所述装置中的任何热地结构绝热。

14.  根据权利要求1所述的装置，所述装置还被构造成在所述可热调谐层处接收热能的第二空间变化图案。

15.  根据权利要求1所述的装置，其中所述可热调谐层通过包括信号部和参考部被构造成用于自参考，所述信号部和参考部共有对背景热能的共模响应，并且对接收的热能图案具有差别响应。

16.  根据权利要求15所述的装置，其中所述信号部包括吸热器，所述吸热器被构造成增大所述信号部和所述参考部之间对接收的热能图案的差别响应。

17.  根据权利要求15所述的装置，其中相邻的信号部和参考部相互绝热，以提高所述装置的分辨率和信噪比性能。

18.  根据权利要求15所述的装置，所述装置还包括掩模，所述掩模被构造成降低到达相邻的绝热区之间的所述可热调谐层的区域的所述入射光能的量。

19.  根据权利要求15所述的装置，所述装置还被构造成在所述信号部和参考部的差别响应中包括预定偏置，以改善线性并实现比背景热状态更冷的热状态的感测。

20.  根据权利要求19所述的装置，其中通过薄膜光学层装置实现所述信号部的所述预定偏置。

21.  根据权利要求19所述的装置，其中通过热装置实现所述信号部的所述预定偏置。

22.  根据权利要求19所述的装置，其中通过机械装置实现所述预定偏置。

23.  根据权利要求19所述的装置，其中所述预定偏置限于与所述大体上为波长依赖性的相位响应基本上相同的光波长。

24.  根据权利要求15所述的装置，其中所述信号部和参考部是利用基本上相同的绝热装置与热地平面绝热的。

25.  根据权利要求1所述的装置，其中所述薄膜干涉结构是Gires-Tournois标准具。

26.  一种仪器，所述仪器用于对由所述仪器外部的源产生的源热能的图案进行测量或感测，所述仪器包括：
权利要求1所述的装置；
传热结构，所述传热结构被构造成将所述源热能的图案转换为由权利要求1所述的装置的所述可热调谐层接收的所述热能的空间变化图案；以及
光学读出组件，所述光学读出组件共同被构造成产生提供给所述可热调谐层的所述入射光能，并利用所述输出光能向所述仪器的使用者提供关于所述源热能的图案的空间分布的信息。

27.  根据权利要求26所述的仪器，其中所述传热结构被构造成接收具有辐射热能形式的所述源热能的图案。

28.  根据权利要求26所述的仪器，其中所述传热结构被构造成接收具有传导热能形式的所述源热能的图案。

29.  根据权利要求28所述的仪器，其中所述传导热能是由化学或生物装置产生的。

30.  一种用于显示以显示控制信号表示的信息的显示器，所述显示器包括：
权利要求1所述的装置；
热结构，所述热结构被构造成将所述显示控制信号转换为由权利要求1所述的装置的所述可热调谐层接收的所述热能的空间变化图案；以及
光学读出组件，所述光学读出组件共同被构造成产生提供给所述可热调谐层的所述入射光能，并且将所述输出光能提供给一组空间排列的显示元件，所述显示元件被构造成将所述输出光能的各个部分转换为显示器的各个像素。

31.  根据权利要求30所述的显示器，其中所述热结构包括空间排列的多个加热元件。

32.  根据权利要求31所述的显示器，其中所述加热元件是可电寻址的。

33.  一种用于光通信系统的光学器件，所述光学器件包括：
权利要求1所述的装置；
光学结构，所述光学结构被构造成(1)向权利要求1所述的装置提供第一光通信信号作为所述入射光能，并且(2)利用来自权利要求1所述的装置的所述输出光能作为第二光通信信号；以及
热结构，所述热结构被构造成：响应当要执行所需光功能时产生的控制信号，产生由权利要求1所述的装置的所述可热调谐层接收的所述热能的空间变化图案，其中所述热能的空间变化图案是对允许权利要求1所述的装置执行所需的光功能有效的预定图案。

34.  根据权利要求33所述的光学器件，其中所述第一和第二光通信信号是波分复用(WDM)光通信信号，并且其中所需光功能包括对一个或多个波长向/从所述第一WDM光通信信号的其它波长进行选择性插入/分出。

35.  一种用于检测热能的空间变化图案的装置，所述装置包括：
薄膜结构，所述薄膜结构具有可热调谐层以及在预定范围的波长处的响应，以及
信号部和参考部，所述信号部和参考部热连接到共用基板，所述信号部与所述参考部绝热，所述信号部和参考部还共有对背景热能的共模响应，并且对接收到所述可热调谐层中的热能图案具有差别响应；
所述装置还被构造成接收进入所述可热调谐层的所述入射光能，并且将与对热能图案的所述差别响应基本上对应的相位调制赋予输出光能。

36.  一种用于检测热能的空间变化图案的装置，所述装置包括：
薄膜结构，所述薄膜结构具有可热调谐层和在预定范围的波长处的响应，
第一表面，所述第一表面接收热能的图案，
第一和第二反射镜结构，所述第一反射镜结构在所述第一表面和所述可热调谐层之间提供导热通路，
所述装置还被构造成接收进入所述可热调谐层的入射光能，并且将与所述热能的空间变化图案基本上对应的相位调制赋予输出光能。

利用相位调制的热控空间光调制器
技术领域
本发明涉及在本文中被称为光调制器的固态光束可调谐器件的领域。
背景技术
US 7,002,697 B2公开了一种光学仪器，其包括具有可调谐通带的热-光可调谐、薄膜、自由空间干涉滤光器，所述干涉滤光器起着波长选择器的作用。所述滤光器包括一层沉积在另一层上面并且形成法布里-珀罗谐振腔结构的非晶硅和电介质材料的一系列交替层，所述的法布里-珀罗谐振腔结构具有：形成第一反射镜的第一多层薄膜干涉结构；沉积在第一多层干涉结构上面的非晶硅薄膜隔体层；以及沉积在薄膜隔体层上面并且形成第二反射镜的第二多层薄膜干涉结构。该滤光器还包括：用于将光束耦合到滤光器中的透镜；用于在光束与干涉滤光器相互作用后接收光束的光检测器；以及用于加热热-光可调谐干涉滤光器以控制通带的位置的电路。
US 7,049,004 B2公开了包括一个或多个具有热-光可调谐折射率的层的动态可调谐薄膜干涉涂层。薄膜干涉涂层内的可调谐层使得一类新的用于光的过滤、控制和调制的薄膜有源(active)器件成为可能。有源薄膜结构可以直接用于或集成到各种光子学子系统中，以制造可调谐激光器、用于光纤远程通信的可调谐插分滤光器(add-drop filter)、可调谐偏振器、可调谐色散补偿滤光器、以及许多其它装置。
发明内容
根据本发明，公开了一种包括薄膜干涉滤光器结构的装置，所述的薄膜干涉滤光器结构具有对在预定的波长范围内的入射光能大体上为波长依赖性的谐振响应。薄膜干涉滤光器结构包括至少一个具有可热调谐的光学特性的可热调谐层，使得由可热调谐层的热状态的相应范围引起可热调谐层的波长依赖性的谐振光学响应范围。薄膜干涉滤光器结构被构造成(1)在可热调谐层处接收热能的空间变化图案(pattern)，以赋予与可热调谐层的可热调谐特性对应的空间变化图案，并且(2)接收进入可热调谐层的入射光能并输出具有与可热调谐特性的空间变化图案对应的空间调制的光能。
所述装置可以用于各种应用，包括红外线成像和作为显示器如视觉显示器的部分。在另一类实施方案中，所述装置可以用于光通信系统，例如作为插分复用器(add-drop multiplexer)或进行波长选择性处理的其它装置的部分。
附图说明
从以下对附图中示出的本发明的具体实施方案的描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点将变得明显，在附图中，在全部不同的视图中的相同标记表示相同的部件。附图不一定是按比例绘制的，而是将重点放在说明本发明的原理上。
图1是根据本发明的一个实施方案的薄膜热控(thermally controlled)空间光调制器的示意性侧视图；
图2-9是根据本发明的各种实施方案的薄膜热控空间光调制器的示意性侧视图；
图10是根据本发明的一个实施方案的薄膜热控空间光调制器的示意性平面图；
图11是根据本发明的一个实施方案的薄膜热控空间光调制器的示意性侧视图；
图12是显示图11的空间光调制器的作为波长的函数的相位响应的图；
图13是示出空间光调制器在系统或应用中的使用的概括框图；
图14是根据本发明的另一个实施方案的薄膜热控空间光调制器的示意性侧视图；
图15是显示用于图14的空间光调制器的温度控制信号的图；
图16是显示图14的空间光调制器的作为波长的函数的相位响应的图；
图17示出图14的空间光调制器的操作；
图18是更详细地显示空间光调制器的层状结构的示意性侧视图；
图19是显示由于在空间光调制器中利用非零偏置而促动的作为相位的函数的信号响应的图；
图20是示出在本发明的一个实施方案中可使用的某些机械特征的空间光调制器的侧视图；
图21是图20的空间光调制器的平面图；
图22是显示根据本发明的一个实施方案的具体光学结构的使用的框图；
图23(a)和23(b)是在图22的系统中的合成图像的分量的示意性表示；以及
图24是在图23的系统中使用的空间傅里叶滤光器的图。
具体实施方式
图1显示薄膜热控空间光调制器(SLM)。SLM包括由第一反射镜12(以下也称为“后反射镜”)、第二反射镜14(以下也称为“前反射镜”)和光学层16形成的光学谐振结构10。SLM还包括位于上表面20的空间分布的热元件18，这些热元件18起到把到达/来自光学谐振结构10的各个区域的热能进行耦合的作用。光学层16由某种材料(或多种材料的组合)制成，该材料具有可热调谐光学性能，使得SLM上的热变化导致SLM的光学谐振特性的相应变化。在所示出的实施方案中，在光束22(如下面更详细地描述，其可以为单色的或多色的)的预定波长处，第一反射镜12基本上为全反射的，而第二反射镜14为部分反射的。例如，第一反射镜12可以具有高于99％的反射率，而第二反射镜14具有约50％的反射率。根据应用，第二反射镜14的反射率可以随应用而显著地变化(例如从10％至90％)。如下面参考图18所描述，任选地，可以增加另外的高反射材料层以进一步改善第一反射镜12的反射率。
在操作中，图1的SLM在热元件18处接收热能的空间分布，并且在下表面24处接收入射光束22。术语“上”和“下”仅仅是为了便于参考而使用的，而不意指SLM的任何具体的空间朝向或构造。谐振光学结构10对入射光束22的光能赋予相位调制的空间分布，以产生具有由相位调制导致的所需特性的输出光束26。例如，所需特性可以是与经由热元件18接收的热像(thermal image)对应的相位变化的空间分布，或者它可以是在SLM的具体应用中所需要的其它类型的特性中的一种。下面给出具体实例。应当指出，虽然图1的SLM被构造成以反射(输出光束26与入射光束22的传播方向相反地传播)方式操作，但是备选实施方案可以被构造成以透射方式操作。
通常，适宜的是光学层16的一种或多种材料表现出大于约10^-5/K的热光系数(作为温度T的函数的折射率n的实部的归一化导数)，即：
|(l/n)(dn/dT)|＞10^-5/K
这种材料，例如非晶硅，在将热表示的信息(经由热元件18接收)转换为可用的光学相位调制图案的过程中提供相对高的增益。
应当指出，热元件18是可以存在于备选实施方案中的不同类型的热有源结构的一般表示。在下面描述的一种实施方案中，热元件18采取辐射吸收器的形式。在同样在下面描述的另一种实施方案中，它们采取电控(electrically controlled)电阻元件的形式。下面还涉及其它变化。
图2显示图1的一般SLM的变体，其中形成彼此相对绝热的各个部分28，以产生绝热区。每个部分包括各自的有源区域30，其通过一个或多个绝热区32与相邻部分28的有源区域30隔开。这种分割可以以多种方式实现，包括例如进行如图1的薄膜结构的图案化蚀刻。通过改善SLM的不同区域间的绝热，分割可以显著地提高空间分辨率和对比度。应注意，由绝热区32提供的绝热可以根据应用改变，并且绝热的改变程度可以通过产生绝热区32的不同方法而提供。还可以调节横跨SLM的绝热区32的空间频率，以改变绝热区对输出光束26的贡献。在一个实施方案中，绝热区32的空间频率可以是热元件18的空间频率的两倍，从而在衍射系统中产生信号，使其处于比来自热元件18的主信号更高的阶数并且可从中分离。
应当指出，在图2的实施方案中，部分28可以被分成散置(interspersed)的“信号”部28a和“参考”部28b，其中信号部28a包括热元件18，而参考部28b不包括热元件18。此配置可以被用于提供操作的自参考或差示方面，其中信号部28a接收感兴趣的热信号(经由热元件18)。信号部28a和参考部28b都经受背景或参考热水平。部分28a和28b产生输出光束26的差模和共模分量，并且使用合适的技术，可以将这些分量分离，然后以趋向于消除共模参考或背景水平的方式结合，从而导致比在单独信号分量中存在的信噪比更高的信噪比。因此，自参考可以是各种应用中的强大并且有用的技术。然而，在某些实施方案中可能不需要自参考，并且在这种情况下，可以适宜的是在全部或基本上全部的部分28中包括热元件18，以使向SLM的热信息的耦合最大化。还应当指出，信号部28a与参考部28b的数目比可以取决于应用，并且参考部28b的数目可以等于、大于或小于信号部28a的数目。
图3显示在每个信号部28a中使用偏置元件34的另一种变体。如下面所解释的，有一种描述与信号部28a和参考部28b组合的谐振光学结构10的操作性能的衍射效率“响应曲线”。所述响应曲线具有大体上周期性的形状，因而具有更大的相对响应的相对更陡的部分。例如，偏置元件34可以被用于在没有来自热元件18的信号的情况下，使得在更靠近响应曲线的这种更陡部分处进行操作。这不仅改善信号响应，而且允许对由参考部28b感测的参考或背景水平更冷的热输入的正确极性(polarity)进行检测。偏置元件34可以以各种方式形成，包括例如通过将不存在于参考部28b中的光学透明薄膜层增加到信号部28a中(或相反地，将不存在于参考部28a中的薄膜层增加到参考部28b中)。同样地，在光学谐振结构10的某些构造中，可以通过将存在于参考部28b的光学透明薄膜层从信号部28a中减去而形成偏置(offset)。应理解，在备选实施方案中，可以通过其它方式实现这种偏置，包括例如部分28a和28b之间的相对机械位移。将光学偏置而非机械偏置结合到光学谐振结构10中的优点是，该偏置仅在谐振带宽内的波长处有效。此外，可以将这种偏置引入没有不同的信号部和参考部的结构中，此外可以以多于两种的水平引入，例如可以使用全部的系列步骤建立“闪耀”光栅结构。下面提供额外的细节。
图4示出形成部分28的一种备选方法，其中第二反射镜14连续跨过部分28的一些或全部。此连续反射镜可以构成机械载体，并且可以构成其中结构为自支撑(free-standing)的热地(thermal ground)平面，并且还起到将被绝热结构衍射的入射光能的部分最小化的作用。
图5示出了利用掩模36降低来自入射光束22的光能向部分28之间的绝热区32中的耦合，从而降低任何这种耦合对输出光束26的贡献的备选方案。入射光束22不是入射到绝热区32上，而是入射光束22入射到掩模36上。以不可从由可热调谐光学层引起的贡献中分离的方式耦合到输出光束26中的任何这种能量都是有效的噪音来源，并且优选被保持尽可能低。掩模36由在入射光束22的一个或多个波长处相对不透明的(吸收或反射)材料制成。可以任选地设定掩模36与谐振光学结构10的间隔，以提供输出光束26中的光相对于入射光束22的波长整数倍的相位差。
图6显示其中部分28全部与公共热“地”38接触的备选方案，所述公共热“地”38可以是导热材料的薄膜层或某些其它导热结构。在一个备选实施方案中，可以有效地热控制公共热地38，以控制谐振波长。在另一个实施方案中，使用温度传感器有效地监测公共热地38，并且将所得到的温度信息用于控制入射光束22的特性，比如其波长分布。
图7显示其中如果存在公共热地38，则部分28全部与公共热地38绝热的备选方案。此配置可以提供SLM的更好的总灵敏度。这种构造对于某些应用可以是优选的。作为选择，信号部28a可以与热地绝热，而参考部28b可以与热地接触。作为选择，在另一个实施方案中，可以将第二组热元件加到下表面24，从而允许热信号作为共模信号或差别信号在表面24处被耦合到部分28中。例如，相对于每个信号部28a，每个参考部28b可以具有热偏置或温度偏置。作为选择，可以在下表面24处将不同的热信号以与图1中对上表面20和图1-6的热元件18所描述的相同的方式引入。以这种方式，在光学层处的热变化将是由来自上部和下部热元件的组合信号导致的。至于如对图1所讨论的透射模式的操作，以允许入射下部光束22和输出光束26传播的方式，例如通过在热元件中使用透明材料，来构造下表面上的热元件。
图8显示其中信号部28a包括传导耦合到热元件18的辐射吸收器40的备选方案。此构造可以用于其中以辐射形式向SLM提供能量的应用，例如红外线(IR)成像应用。辐射吸收器40由在感兴趣的波长处(例如，在长波红外线(LWIR)范围内)有吸收性的材料或结构组成。如图所示，辐射吸收器40可以横向地延伸以至少部分地覆盖相邻的参考区28b，因此既增强信号强度又减少入射到参考区28b上的热信号的量，从而增大差别响应。为了增加辐射吸收器20的吸收效率，可以将辐射吸收器40安置在高度反射层20上方的四分之一辐射波长处。
图9显示其中使用辐射吸收器40与偏置元件34，并且部分28与任何公共热地38绝热的构造。此特别构造可以特别适合于例如，LWIR成像应用。本领域的技术人员应理解备选实施方案可以采用在图1-8中显示的备选实施方案中出现的特征的其它组合。
图10是显示在一个实施方案中可以如何布置信号部28a(以字母“S”表示)和参考部28b(以字母“R”表示)的平面示意图。在具体所示的构造中，每个信号部28a被八个参考部28b环绕。任选的吸热器40用虚线轮廓表示。如图8中所示，将这些安置在结构10上。还示出的是如图5所示被安置在部分28下方的掩模层36(注意没有示出掩模36的孔，因为在图10中它们被部分28遮蔽)。
图11和12说明包括图5的掩模36的图9的SLM的操作。图11显示SLM在辐射吸收器40处接收入射热IR辐射，并且在其下表面24处接收入射读出光束22和输出光束26。图12显示参考部28b的光响应特性(REF)以及在不存在和存在入射IR辐射(分别为无辐射和辐射)的情况下的信号部28a的响应特性(SIG)。具体地，光特性是来自各个部分28的(反射)输出光束26的部分的相位Φ_R。如图所示，此值在读出波长λ_读出的区域内从0转变至2π。图12中的ΔΦ值是当热辐射入射到其上时，由参考部28b赋予的相位和由信号部28a赋予的相位之差的数量级的一般表示。
图13显示SLM的系统或应用的概括性框图。以标记43表示SLM。将热结构45安置为与上表面xx相对，并且将光学结构47安置为与下表面24相对。热结构45对接收的信号49作出响应，以向SLM 43的上表面20提供热能51的空间变化图案。在图1-11的实施方案中，在SLM 43内部包括热元件18。光学结构47产生入射光束22并且接收输出光束26。
在一个实施方案中，系统是红外线(IR)成像系统或类似测量/传感器系统。在这种应用中，例如，接收的信号49可以是来自感兴趣的场景的源IR辐射，并且热结构45可以包括IR透镜和/或其它热光器件，以将源IR辐射聚焦到SLM 43上。入射光束22是可以由光学结构47中的激光器或类似源(未显示)产生的读出光束。输出光束26是具有表示IR图像的空间变化调制图案的光束，并且其被光学结构47中的组件利用，以向使用者提供关于接收的信号49中的热能的空间分布的信息(比如通过合适的换能器将输出光束26转换为电信号)。如下面更详细地描述，光学结构47可以包括傅里叶光学系统、空间滤光器和其它光学组件，以调节输出光束26。在一个备选实施方案中，可以将热结构45构造成接收传导热能而非辐射热能的形式的源热能，例如在用于检测来自化学或生物化验的热能的图案的应用中。下面描述其它实施方案。
图14显示可以在从多波长光信号中分离一种或多种波长分量的备选应用，例如波分复用(WDM)光通信系统中使用的SLM。在此实施方案中，热元件18’是有源加热元件(比如电阻器)，该有源加热元件可以被外部电路(未显示)控制，从而以导致一个或多个所需波长分离的方式控制SLM的空间热分布。将热元件18’排列成标记为对应不同的预定局部温度的组T1、T2、...、T5。还存在共用加热元件44。在操作中，共用加热元件44被用于通过建立标记为T0的温度将SLM调谐到特定波长λ_i，并且将元件18’设定到使SLM将波长λ_i以与存在于入射光束22中的其它波长不同的角度进行衍射的温度。一旦建立此空间分离，就可以根据需要通过其它系统组件对分离分量进行处理。在WDM系统中，SLM可以形成光学插/分复用器(OADM)的一部分，其从接收的WDM信号中选择性地移除一种或多种感兴趣的波长分量，并且向输出WDM信号中选择性地插入一种或多种感兴趣的波长分量。
图15显示可以使用的温度组T0-T5。如图所示，这些是一组“阶式”或设计为均匀地引入偏置相位差的温度，其向反射波长分量λ_i引入相应的局部相移量。图16中进一步说明反射的相位特性，其显示如何利用相位-对-波长的光学特性产生n＝0、1、2、3、4、5的相移组nπ/3(各自对应于不同的温度T0-T5)。如图17中所示，SLM的总体性能是波长选择性闪耀光栅的总体性能。图17(a)显示其中所有温度T0-T5彼此都相等的操作，而图17(b)显示其中T0-T5具有图15中所示的阶式值的操作。如图17(b)中所示，波长分量λ_i具有比其它分量(表示为λ_1...n-λ_i)更大的衍射角。可以在沿波长分量λ_i的轨迹上的合适位置安置一个或多个光学器件，以执行对于该波长分量特定的一种或多种所需功能。
如上指出，以上参考图14-17描述的SLM可以被用作光通信系统中的光学器件的一部分。再次参考图13，在这种应用中SLM以标记43表示。将光学结构47构造为向SLM 43提供第一光通信信号作为入射光束22，并且利用来自SLM 43的输出光束26作为第二光通信信号。例如，入射光束22可以是从另一个通信节点接收的WDM信号，而输出光束26可以是用于传输到另一个通信节点的变化的WDM信号。变化可以是如上所述局部分出(drop)一个或多个波长的形式。应当指出，还可以使用相同的结构，以通过简单地反转图17中所示的全部光束的方向而插入(add)一个或多个波长。
在这种应用中，接收的信号49(图13)是在光通信器件内，例如通过分离控制电路(未显示)产生的电控制信号，所述电控制信号产生以用于插/分一个或多个特定波长(或要执行的其它光学功能)。将热结构45构造为响应接收的信号49而产生向SLM 43提供的热能51的电信号的空间变化图案。热能51的空间变化图案是对允许SLM 43执行所需光学功能有效的预定图案。例如，热能51的空间变化图案可以是例如通过热元件18’产生的如上所述温度T0-T5的图案。
图18更详细地显示SLM的薄膜结构。其可以使用标准光学涂层技术和可用的涂层材料，比如硅(Si)、氮化硅(SiN_x)、铂(Pt)等制造。该结构包括位于下表面或“读出”表面24处的基板46。基板材料在设计的读出波长，例如可见光或近红外线处是透射性的。典型地使用玻璃基板，但是其它光学材料(例如，蓝宝石、石英等)是合适的替代物。优选地，基板在其暴露面有抗反射(AR)涂层。在一个实施方案中，基板厚度通常可以为约650um。在另一个实施方案中，结构10可以包括Gires-Tournois标准具。
光学结构10沉积在基板46上。如上所述，结构10通常包括三个部分：低反射率(例如50％)前反射镜14、光学层16、和高反射率(理想地为100％)后反射镜12。前反射镜14优选为多层电介质层叠体，其是使用光学涂层领域的公认原理设计的。例如，对于0.85微米的额定读出波长，可以使用从高系数(high index)Si层48开始、包含交替的非晶Si和SiN_x的四分之一波长层48和50的四层层叠体，以形成适宜的前反射镜14。在此实施方案中，Si层48的厚度可以额定为55.6nm，而SiN_x层的厚度额定为109.9nm。
光学层16额定地具有半波长的整数倍的光学厚度。两个波长的光学厚度可以是适宜的。典型地，光学层16具有在多层反射镜12和14中使用的相同的材料。因此，在一个实施方案中，腔层可以具有非晶Si，并且其厚度额定为444.8nm。
后反射镜12也优选为多层电介质层叠体。对于0.85微米的额定读出波长，包含交替的四分之一波长层的八层层叠体可以形成适宜的后反射镜12。注意前反射镜层叠体14和后反射镜层叠体12都具有与高系数Si光学层16相邻地设置的低系数层。后反射镜12还包括最终金属层52，在一个实施方案中为薄的铂层，以进一步提高反射率。此最终层确保获得所需的几乎100％的反射率。将输入界面结构设置为与光学结构10的背侧热接触。在一个实施方案中，不包括基板46的光学结构10的总厚度约为1.7微米。
光学领域的技术人员应认识到，可以使用其它材料和设计实现相同或类似的结果，特别是当需要不同的读出波长时。
图19用于解释如前面参考图3所述将固定的相位偏置引入SLM的响应的基本原理。图19示出相位光栅的衍射效率-即，衍射到更高(非零)阶的光能(显示为“信号”)的量-为峰至谷的相位差(显示为“相位”)的非线性、周期性的对称函数。在一类实施方案中，衍射到非零阶的能量是系统中感兴趣的信号。可以使用单一的一阶、或一阶和更高阶的任何组合。此类光栅的相位深度(phase depth)与交替的部分28(信号和参考)之间的温度差成比例，因此SLM相位光栅的正常操作点，即当没有输入时的操作点，位于零温度差点处，该点在图19中用“N”表示。在此点“N”操作的一个优点是，当没有信号时，没有输出强度。然而，也可能有缺点。由于转折(inflection)，在任何方向上从N偏置(相对更高或更低)的温度产生相同的输出，即，不论具体的输出是指与背景温度的净正还是净负的温度差，都可能存在不明确性。
因此，对于SLM的偏置交替部分28，可以合宜的是如图19中点“B”所示，在衍射效率响应曲线的更陡峭和更线性的部分操作。这可以通过如上面参考图3所述，将净相位偏置加入交替像素中而进行。在这样的偏置点处进行操作不仅改善小信号系统响应并给出更线性的输入-输出关系，而且允许明确地分辨没有背景那么热(即，“负”相位深度)的热输入信号。在某些应用中，最大相位偏置优选小于π弧度，在该点处响应曲线相对于负温度再一次为低斜率、非线性并且对称的。
在许多应用中，优选相位偏置小于π/2弧度。例如，在热传感应用中，总感应信号相位是周期(cycle)的一小部分。因此，优选的偏置是大到足以将小信号响应从响应/衍射效率曲线的平坦的部分移除(即，从点“N”移除)，而没有大到引入大的背景强度偏置的偏置。此点在图19中象征性地标示为点“P”。作为选择，如果需要高的零阶反射，则尽管具有较低的对比度，但可以优选点N。
尽管如上所述，相位偏置可以任选地比如通过使用偏置元件34完成，但是在备选实施方案中，可以使用机械相位偏置技术，比如通过机械移动交替部分28。这种机械位移可以通过在沉积光学结构10之前，在基板上预图案化牺牲层而产生。牺牲层产生一系列限定交替部分28的机械位移的岛状物(island)。可以形成悬吊(suspension)特征以将最初留在岛状物上的交替部分28(例如，信号部28a)保持在基板上方。参考部28a也可以从悬臂悬吊，使得可以获得如图10中所示的交替的信号部和参考部。
随后，牺牲层岛状物被蚀刻掉，留下被悬吊特征悬吊的交替的部分28。
SLM的响应灵敏度和时间常数决定于将热能从输入界面传送到光学结构10的区域内的速率、元件18的热容量和从该区域向任何附近的散热器/基板或其它散热机构传热的速率之间的平衡。在任何具体实施方案中，通常适宜的是基于应用的要求实现所需的平衡。
图20以侧视图示出一个处于自补偿结构形式的实施方案，其中信号部28a具有至散热器的有限传导率的通路，而参考部28b具有至散热器的高传导率通路。通常，可以适宜的是降低信号部28a的传送速率；即，通常适宜的是将信号像素与散热基板55绝热。如图20中所示，将每个信号部28a通过连接到周围的一个或多个参考部28b的上表面的悬吊特征如细悬臂56从基板55上悬吊起来。而参考部28b可以通过例如一个或多个“凸起”58与基板55直接接触。
悬臂56可以用氧化硅、氮化硅、固化的聚合物或其它结构薄膜材料制成。如果使用吸收器40(图9)，则其优选由与悬臂56相同的材料制成。有利的是，悬臂56具有低热导率，例如通过低传导率材料的使用和悬臂56的图案化，获得信号部28a和基板55之间的所需绝热。可以向吸收器40的某些区域添加额外的材料，例如薄金属，以增强输入信号的吸收。由于其不适宜地增加热导率，所以此薄金属通常不被添加到悬臂56中。可以分别构造吸收器40和悬臂56，使得吸收器为悬臂56、信号部28a和参考部28b中每一个上方的“伞”，同时连接到传感器部28a以提供结构支撑和热通路。当分别构造吸收器40和悬臂56时，可以使用不同的材料，例如用于臂的低热导率材料，以及用于吸收器的高热导率或高吸收性材料。
信号部28a和基板55之间的热通路经过窄悬臂56，到达参考部28b，向下经过凸起58，由此到达基板55。任选地(未示出)，代替凸起58的是，可以穿过参考部28b蚀刻孔的图案，以允许悬臂56直接终止于基板55，从而将信号部28a热接地(grounding)，而没有任何向参考部28b的显著热传输。在这样的实施方案中，参考部28b仍被凸起58保持与基板55隔开。作为选择(也未示出)，悬臂56可以终止于参考部28b而不接触基板55。在此实施方案中，整组的参考和信号部悬吊在基板55上方，而基板55和参考区之间沿结构的周边接触，如在上面的图7和9中示意性地示出。
图20的结构易于使用标准铸造技术制造。在此方法的一个优选实施方案中，如图20中所示，信号部28a和参考部28b都与基板55相隔间隙60，该间隙60的厚度基本上为半波长的整数。为了形成间隙60，在沉积光学结构10之前，在基板55上沉积图案化的牺牲层。此层的厚度优选为在将该层去除之后提供在读出波长处的半波长，使得读出光束22必须传播的额外往返距离基本上为1个波长，从而不影响读出这样的厚度。牺牲层可以是能够被移除同时保持设计的其它特征完整的聚酰亚胺、氧化物、或者其它此类材料。在参考区28b和基板55之间形成热通路的凸起58是通过以对应于凸起58所需位置的孔图案对牺牲层进行图案化而产生的。光学结构10的层沉积在此图案化的牺牲层上，并且通过孔到达基板55。然后，将光学结构10图案化并蚀刻，以在传感器部28之间产生绝热区32。注意，在此实施方案中，除了在凸起周围的小范围内，参考部28b和信号部28a在制造过程中和之后均为共面的。
在沉积光学结构10之后，在上述金属反射层的上面沉积第二牺牲层。以适当的图案蚀刻此第二牺牲层，以允许悬吊层同时接触上述传感器部28a和参考部28b。然后，悬吊层被沉积在牺牲层上并且图案化，以形成窄的悬臂56和宽的扩展吸收器(如果使用的话)。最后，将牺牲层蚀刻掉。图21中的平面插图示意性地显示每个信号部28a有三个悬臂56的信号部28a的六角形栅格布置，其中为了清楚起见将扩展吸收器省略。可以通过前述特征的其它组合设想备选结构，包括例如，更少或更多的悬臂，以及获得更多或更少量的绝热的不同形状的悬吊。参考部28a也可以从悬臂悬吊，使得可以获得如图10中所示的交替的信号部和参考部。
在另一个实施方案中，参考部28b中的凸起58可以被高热导率柱或支架代替。将图案化有与凸起58所需的相同的孔的第一牺牲材料层用高传导率材料外涂以形成支架柱。然后将表面平面化以产生用于随后沉积光学结构10的均匀的表面。优选地，柱由提供参考部28b与基板55之间的良好的热接触的高热导率材料，例如铝制成，或由易于平面化的材料，例如氮化硅制成。
图22显示能够与例如图13中所示的SLM 43结合使用的一类光学结构47的一个实例。光学结构47包括产生发散光束64的光源62(例如NIR激光器)。光束64撞击到透镜66上，该透镜66使光束64准直并将其引导至SLM 43作为入射光束22。从SLM 43反射的光(即输出光束26)通过透镜66会聚。在焦平面上安置滤光器68，其结构和操作在下面描述。在焦平面以外(其中光是发散的)，例如，安置另外的透镜70以使光准直并将其引导至换能器子系统72。换能器子系统72可以是响应光输入而产生电信号的CMOS或CCD换能器或其它此类换能器。
图23示出在透镜66的焦平面中出现的光图案。图23(a)示出当不存在信号49(图13)使得只存在信号输出光束26的共模分量时出现的图案。在这种情况下，SLM 43的薄膜结构实质上起到平面反射镜的作用，其中信号部S和参考部R仅以其共模方式响应。来自SLM 43的光被聚焦成单个共模聚焦图像74。应理解，共模聚焦图像74具有相对高的强度，从而实际上捕获信号元件和参考元件的“基线”热-光响应(下面将更加详细地描述)。
图23(b)示出当非零信号49存在时出现的一组图案。在这种情况下，SLM 43的信号部S具有与参考部R不同的反射率，这种差异造成从SLM43反射的输出光束26中的衍射效应。仍然存在共模聚焦图像或分量74，还存在几种差模图像或分量76，它们的间隔量对应SLM 43的信号部S的间隔。图23(b)中的图案可以看作是由SLM 43产生的输出光束26的空间傅里叶变换。应当注意，图23(b)中显示的图案是由信号部S和参考部R的棋盘式排列导致的，该棋盘式排列不同于图10和21中所示的排列。本领域的技术人员应理解，图10和21的排列相应地导致分量76的不同图案。
图24显示滤光器68。它是在光源62的波长处通常是透明的，具有用于在允许差模分量76通过的同时阻挡共模分量74的中心不透明区域78的材料片。其它类型的空间图案也可以用于这种滤光，比如在单个第一衍射级上使光通过的滤光器。单个第一级通过滤光器可以有利于从不同空间频率处的阵列特征中减少不需要的信号。
尽管参考其优选实施方案具体地示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不偏离由后附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节的各种改变。
例如，SLM的另一潜在应用是作为用于显示以显示控制信号表示的信息的显示器(如视觉显示器)的一部分。再一次参考图13，在此应用中，接收的信号49是显示控制信号，其可以是例如共同表示或传递显示信息(即，例如，在二维显示器的各个位置显示的强度和/或颜色)的一组电信号。热结构45被构造为将接收的信号49转换为提供给SLM 43的热能的空间变化图案。在一个实施方案中，这种显示器的热结构45包括：空间排列的加热元件(比如电阻器)的组，其通过接收的信号49以将显示的图像以热能51的空间变化图案的形式施加(impress)在SLM 43上的方式被“寻址(addressed)”或控制。光学结构47包含光学读出组件，所述的光学读出组件共同地被构造为产生入射光束22并且使用适宜的光学系统组处理输出光束26，以将此光束投射到显示屏上。如果使用上述采用信号部28a和参考部28b的方法，则光学结构47可以包括傅里叶滤光器和透镜，以将滤光后的光束投射到显示屏上。另一种方法是利用热能产生要被投射的图像的傅里叶变换的相位图像，然后可以在没有介入光学系统(除了可能用于缩放的光学系统以外)的情况下直接显示光，因为远场图案是阵列上的相位图案的傅里叶变换。