Микрозеркала в оптике и технике¶

Микрозеркало — миниатюрное зеркало, размеры которого обычно составляют от нескольких микрометров до нескольких миллиметров, изготовляемое методами микроэлектронной и микроэлектромеханической технологии. В отличие от обычных зеркал, микрозеркала формируются групповыми методами на подложке (чаще всего кремниевой) и применяются в составе интегральных устройств: оптических переключателей, проекционных систем, сканеров, спектрометров и микроэлектромеханических систем (МЭМС).

¶Общие сведения

Микрозеркало представляет собой отражающую поверхность, полученную осаждением тонких металлических плёнок (алюминий, золото, серебро) на структурированную подложку. Отражающий слой может иметь толщину от десятков нанометров до единиц микрометров. Ключевая особенность таких зеркал — возможность их массового изготовления по планарной технологии, совместимой с производством интегральных микросхем.

Размеры единичного элемента лежат в диапазоне примерно от 1 мкм до 1 мм. Микрозеркала могут быть как неподвижными, так и подвижными, закреплёнными на упругих подвесах и управляемыми электростатическим, магнитным, пьезоэлектрическим или тепловым способом.

¶История и развитие

Развитие микрозеркал связано с прогрессом микроэлектроники во второй половине XX века. В 1970–1980-е годы появились первые управляемые зеркальные элементы на кремнии, а к 1990-м сформировалось отдельное направление — оптические микроэлектромеханические системы (MOEMS). Значительный вклад внесли исследования в области цифровой обработки света, приведшие к созданию матриц управляемых микрозеркал для проекционных дисплеев. К 2000-м годам микрозеркала стали массовым компонентом телекоммуникационного оборудования и потребительской электроники.

¶Принцип работы

В основе работы подвижного микрозеркала лежит отклонение отражающей пластины относительно осей подвеса. Наиболее распространён электростатический привод: между зеркалом и электродом прикладывается напряжение, и возникающая сила притяжения поворачивает пластину. Угол поворота обычно составляет от единиц до десятков градусов.

Основные характеристики микрозеркал:

• коэффициент отражения (для металлических покрытий достигает 90–98 % в видимом и инфракрасном диапазонах);
• быстродействие (время переключения от микросекунд до миллисекунд);
• угол отклонения;
• шероховатость поверхности (нанометровый уровень);
• ресурс срабатываний (до миллиардов циклов у лучших образцов).

¶Классификация

Микрозеркала различают по ряду признаков.

Отдельно выделяют матрицы микрозеркал — упорядоченные массивы из тысяч и миллионов элементов, каждый из которых управляется независимо.

¶Технология изготовления

Производство микрозеркал основано на методах фотолитографии, травления и осаждения тонких плёнок. Типичный маршрут включает:

1. формирование жертвенного слоя на подложке;
2. осаждение и структурирование материала зеркала;
3. создание упругих подвесов и электродов;
4. удаление жертвенного слоя (release-этап), освобождающее подвижные части.

Для повышения плоскостности и снижения шероховатости применяют полировку, отжиг и многослойные покрытия. Критическими параметрами являются остаточные механические напряжения и точность совмещения слоёв.

¶Применение

Микрозеркала используются в нескольких крупных областях.

Проекционные системы. Матрицы управляемых микрозеркал служат световыми модуляторами в цифровых проекторах: каждый элемент отклоняется и направляет свет либо в объектив, либо в поглотитель, формируя изображение.

Оптические телекоммуникации. Микрозеркальные переключатели применяются в оптических кросс-коннекторах для маршрутизации световых сигналов между волокнами без преобразования в электрический сигнал.

Сканирование и лидары. Отклоняемые зеркала обеспечивают развёртку лазерного луча в сканерах, лазерных дальномерах и системах технического зрения.

Спектроскопия и сенсорика. Микрозеркала входят в состав миниатюрных спектрометров, интерферометров и оптических датчиков, в том числе для лабораторий на чипе.

Адаптивная оптика. Матрицы микрозеркал корректируют волновой фронт в астрономических и лазерных системах.

¶Преимущества и ограничения

К достоинствам относят малые габариты и массу, низкое энергопотребление, высокое быстродействие, возможность интеграции с электроникой и группового производства. Ограничения связаны со сложностью технологии, чувствительностью подвижных элементов к ударам и влаге, а также с необходимостью герметичной упаковки. Для многих применений существенны проблемы деградации покрытий и «залипания» подвижных частей.

¶Перспективы

Развитие направления связано с уменьшением размеров элементов, увеличением их числа в матрице, повышением точности управления и расширением рабочего диапазона длин волн. Перспективными считаются интеграция микрозеркал с фотонными интегральными схемами, применение метаповерхностей и создание полностью твердотельных аналогов без подвижных частей.