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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

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發(fā)表于 2024-11-24 08:01:00 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
引言
- z" t7 K9 X! d+ x5 \2 ]2 w$ _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]。) y6 ~) ]  M& n3 }
+ c! f3 `, V/ U+ b6 m" Q
( @) v2 E! R4 _, I# z3 L% p: L
主要技術(shù)指標(biāo)包括:! @+ F* o. [: d% |7 L9 A
  • 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)
    ( z4 [; r/ S# x+ A) t
    * F0 c) v: c+ ]" F6 P
    ) Q+ K6 S% s! E. T9 w
    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。% Y# L1 \  V* \) D* r
    % x. T( k9 Y. K# e+ X, ]
    器件設(shè)計(jì)與工作原理
    5 G0 h* q* |( ?  x% z9 m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20分貝。8 H' K, D5 [, Z8 C% a) X
    , t0 s9 f1 A/ A, l: I5 d" L7 V
    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。. ~- Z1 e6 B6 @+ d6 O6 Z

    % y$ a6 {& s. S+ K, D2 a( j) K, P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)。
    7 u. f1 k/ ~# Y+ O) A ' M$ S% h2 K+ @6 N3 k# a4 C" m
    圖3說明機(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。- }3 S" V: V& E9 C

    3 G2 e/ g0 e( `3 t器件表征與性能5 R% |3 o; j5 ]' f8 L0 l" C
    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。
    4 h7 V; y6 f9 x' n
    : I/ M- d4 K% M5 ~8 q3 h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。: B1 }  |* D, w+ p3 A0 c: k
    ( h  L3 O+ B; _/ e: b1 f6 S
    應(yīng)用與未來發(fā)展
    5 b) ]* J  E& k; F  |該SLM技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值:
    ( Z5 x) A' {3 Y. J1. 量子計(jì)算與控制
    8 e6 I$ x6 K2 O! L
  • 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9 G, X3 y( a0 m! ]7 I* B

    / g3 o5 }$ C2 p, q2. 顯示技術(shù)
    . G+ w6 v( l) w0 V0 C
  • 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+ F6 b! \+ ]. g- O# O4 b
    : E' V1 T# m  F" n2 Z, z- q! c6 ]- u
    3. 光通信
    ' G) s* _9 Z$ C' P/ W. Y9 ~
  • 快速光開關(guān)
  • 波分復(fù)用
  • 信號(hào)處理
    - E- w. ?6 v( A
    6 {+ k4 l6 W7 o0 s( H. i! P
    4. 科學(xué)儀器: c1 I6 ^! u8 ~- ~/ o- P+ i* c3 w, ~
  • 顯微成像系統(tǒng)
  • 激光測(cè)距應(yīng)用
  • 光譜分析+ Y% I/ A" N) _8 m4 H) M9 g

    7 M9 D9 s. W& R; `5 G5 @/ }" O* B未來改進(jìn)方向包括:6 i7 y" P; S6 E2 I4 m( B
  • 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& u7 u, A5 g4 m- {8 h
    , p5 o7 I; ^. K% o& D: t
    根據(jù)應(yīng)用需求,該技術(shù)可以進(jìn)行不同配置:
    + O' Z; a& m+ ?5 c4 }
  • 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' T/ l9 B6 J7 e0 B
    5 p: @; }. m1 v
    結(jié)論0 T! R/ l- M5 h6 j  M
    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兼容制造工藝確保可擴(kuò)展性,并可與現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)集成。
      L  s& B! V0 f- J* G+ ?, ~; j3 f6 @8 E5 M6 A' S
    器件展示的性能特征,包括超過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。0 P* R6 y$ Z' h" g

    $ j2 L% Y2 G, ?* M5 K! B# Q5 |# N參考文獻(xiàn)) c6 [# z' q* b. g) M
    [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.
    1 Z4 J/ \/ J- x# z4 k5 S) ]& H4 g, R' \) u# m  M' |' b) s; k
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