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：
+ V$ C' p8 F" Y- u  z) s1 w3 j4 u

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)


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
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。
4 P3 B9 i2 t7 M, R, ^
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。
# `/ m( R8 X5 t- M9 S# k
/ `0 |& ^1 l$ w. r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)。

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。
* v! L9 H3 F- S7 Y. a: N$ W0 X
器件表征與性能
$ G) L- O! G* _" l3 v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。
+ b6 N) V  [- T6 q* b1 Z
  l0 }* q; w" X$ \1 X4 M  c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。

應(yīng)用與未來發(fā)展
該SLM技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值：
1. 量子計(jì)算與控制
0 w% a9 Q3 [* f/ j6 c

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

2. 顯示技術(shù)
1 j2 o- D$ U% w2 V5 L! 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
! `7 o4 N4 V6 [& [) k) C) N
! l( x- a2 n( h3. 光通信

快速光開關(guān)

波分復(fù)用

信號(hào)處理
. G" F  q" D6 ~
2 m; o/ ]$ q8 G# \* \4. 科學(xué)儀器
/ {- w! ]) w- }0 |

顯微成像系統(tǒng)

激光測(cè)距應(yīng)用

光譜分析

未來改進(jìn)方向包括：
# S: p  h7 l8 ~

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
. f. U2 z& `* d( Z# {. J1 ?
* I) p) y7 x% e6 [8 K8 t4 P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
/ L: S- {* j/ d% t# t: _8 J# c. n3 [0 k
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。

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。
; ~6 R1 Y- O: r/ f3 Q! q) h
參考文獻(xiàn)
[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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