壓電致動(dòng)高速空間光調(diào)制器在可見光至近紅外波段的應(yīng)用

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
空間光調(diào)制器(SLM)在量子計(jì)算、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。本文探討在可見光至近紅外波段工作的突破性SLM技術(shù)，結(jié)合壓電致動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速操作。該技術(shù)將氮化硅諧振波導(dǎo)光柵與氮化鋁壓電致動(dòng)器結(jié)合，采用CMOS兼容工藝在200毫米硅晶圓上制造[1]。


主要技術(shù)指標(biāo)包括：

在可見光至近紅外波段工作

高通道密度(>100 mm?2)

高調(diào)制速度(>100 MHz)

高消光比(>20 dB)
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, h8 X0 z! o; G7 o% _7 A8 Z6 m
圖1展示器件概念和實(shí)物圖像。(a,b)展示基于壓電致動(dòng)氮化硅諧振波導(dǎo)光柵的SLM技術(shù)概念。(c)顯示電壓引起光譜移動(dòng)的工作原理。(d)顯示連接到印刷電路板的4×4 SLM芯片。(e)顯示像素間距為50μm的4×4 SLM顯微圖像。(f)顯示被溝槽包圍的光柵掃描電鏡圖像。

器件設(shè)計(jì)與工作原理
" x! U" x$ \, w' u9 s7 }該器件采用氮化硅諧振波導(dǎo)光柵，設(shè)計(jì)工作波長(zhǎng)約為780納米。光柵周期為0.490微米，氮化硅厚度為0.3微米。在交叉偏振光測(cè)試下，器件表現(xiàn)出陡峭的光譜特性，消光比超過(guò)20分貝。

% h3 \% \3 v( }2 m0 @! T# ^' T圖2展示器件光學(xué)設(shè)計(jì)：(a)模擬與測(cè)量的反射光譜對(duì)比，(b)光柵周期對(duì)反射光譜的影響，(c)TE/TM偏振波振幅比和相位差，(d)不同光柵尺寸的反射光譜。
4 \( l1 l9 m8 F  ~$ U+ j
6 D& E9 d# {+ _3 h2 Z機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)器件性能起關(guān)鍵作用。制造后，像素由二氧化硅支柱支撐，當(dāng)向壓電層施加電壓時(shí)允許機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

" [. _9 T- Y- g9 e圖3說(shuō)明機(jī)械設(shè)計(jì)：(a)釋放器件的截面示意圖，(b)顯示下切的器件截面掃描電鏡圖像，(c)5.9MHz時(shí)的機(jī)械模式模擬，(d)支柱直徑和光柵尺寸與本征頻率的關(guān)系。
% `& y# M' V3 S7 d2 q& r( b  z# F  F
器件表征與性能
5 G7 |8 u* b3 f: o; J( F性能表征揭示了器件運(yùn)行的幾個(gè)重要方面。反射光譜與模擬結(jié)果高度吻合，實(shí)現(xiàn)超過(guò)20分貝的消光比。當(dāng)對(duì)照明像素施加交流電壓時(shí)，器件展現(xiàn)出明顯的、頻率相關(guān)的調(diào)制能力。

0 u4 V7 ?, J1 T9 H" {% D  l% N圖4顯示器件表征：(a)反射光譜和調(diào)制幅度，(b)釋放和未釋放器件的波長(zhǎng)移動(dòng)與交流頻率關(guān)系，(c)機(jī)械諧振頻率測(cè)量，(d)機(jī)械模式衰減測(cè)量，(e)交叉偏振光測(cè)試裝置示意圖。
( `5 \+ i- j# ^. D) \  m6 F7 T
應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展
1 ~& t- r: `; f" c/ c該SLM技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值：
! E! T; P$ w, }1 q. e& D' a( e1. 量子計(jì)算與控制

原子量子系統(tǒng)的精確控制

原子陷阱特定光學(xué)圖案的產(chǎn)生

高速量子態(tài)操控
- b4 Y3 u& w0 d0 ]
2. 顯示技術(shù)

增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)

高速投影系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)全息顯示

- W+ U( V6 Y7 C' p- J3. 光通信
' i) \# T! f6 i& O( p

快速光開關(guān)

波分復(fù)用

信號(hào)處理
) @3 A5 o! H5 u- f* l2 }
: K6 L/ n- T9 m& Q% w1 z6 n4. 科學(xué)儀器
. S' K; ~0 F6 r$ U9 |, l: \) W

顯微成像系統(tǒng)

激光測(cè)距應(yīng)用

光譜分析

7 E2 @+ h; U) W; k未來(lái)改進(jìn)方向包括：

降低工作電壓

實(shí)施后制造調(diào)節(jié)技術(shù)

提升機(jī)械諧振控制

擴(kuò)展工作波長(zhǎng)范圍
8 J% G9 |# S% D( l
根據(jù)應(yīng)用需求，該技術(shù)可以進(jìn)行不同配置：

利用機(jī)械諧振產(chǎn)生特定頻率

創(chuàng)建時(shí)變光圖案

生成全帶寬任意波形

9 ^5 p' e3 o4 `8 g2 x結(jié)論
本文介紹了新型空間光調(diào)制器技術(shù)，結(jié)合壓電致動(dòng)與氮化硅諧振波導(dǎo)光柵。該技術(shù)在可見光至近紅外波段實(shí)現(xiàn)高速操作，同時(shí)保持高通道密度和高消光比。CMOS兼容制造工藝確�？蓴U(kuò)展性，并可與現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)集成。
  Z; L- ]* F$ S6 y
器件展示的性能特征，包括超過(guò)100MHz的調(diào)制速度和優(yōu)于20分貝的消光比，使這項(xiàng)技術(shù)在量子計(jì)算、顯示、通信和科學(xué)儀器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。持續(xù)的開發(fā)和優(yōu)化將進(jìn)一步提升其性能并拓展應(yīng)用范圍。
9 Y: B7 u# {/ {
: k& `* O8 D. @2 c參考文獻(xiàn)
( c1 }- y4 J, O8 b  [! K9 u[1] T. Vanackere et al., "Piezoelectrically actuated high-speed spatial light modulator for visible to near-infrared wavelengths," arXiv:2410.19058v1 [physics.optics], Oct. 2024.
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