壓電致動高速空間光調制器在可見光至近紅外波段的應用

逍遙設計自動化

引言
空間光調制器(SLM)在量子計算、增強現實等科學技術領域有廣泛應用。本文探討在可見光至近紅外波段工作的突破性SLM技術，結合壓電致動實現高速操作。該技術將氮化硅諧振波導光柵與氮化鋁壓電致動器結合，采用CMOS兼容工藝在200毫米硅晶圓上制造[1]。
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0 Z& r5 B  J, u9 Z9 l主要技術指標包括：
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在可見光至近紅外波段工作

高通道密度(>100 mm?2)

高調制速度(>100 MHz)

高消光比(>20 dB)
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* f9 |3 d# B) R2 J; n
7 ^& l9 C- A( j圖1展示器件概念和實物圖像。(a,b)展示基于壓電致動氮化硅諧振波導光柵的SLM技術概念。(c)顯示電壓引起光譜移動的工作原理。(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。
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4 M% b, u2 }/ _; Q  {" C器件設計與工作原理
" v( e' W' J; q. e該器件采用氮化硅諧振波導光柵，設計工作波長約為780納米。光柵周期為0.490微米，氮化硅厚度為0.3微米。在交叉偏振光測試下，器件表現出陡峭的光譜特性，消光比超過20分貝。
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7 O7 e7 ~( A0 m圖2展示器件光學設計：(a)模擬與測量的反射光譜對比，(b)光柵周期對反射光譜的影響，(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。

機械設計對器件性能起關鍵作用。制造后，像素由二氧化硅支柱支撐，當向壓電層施加電壓時允許機械運動。

5 N" j. K& z& h% e2 t4 v圖3說明機械設計：(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時的機械模式模擬，(d)支柱直徑和光柵尺寸與本征頻率的關系。
6 C# a8 O$ V  o. f$ }# O
; E6 C% I5 [4 V器件表征與性能
性能表征揭示了器件運行的幾個重要方面。反射光譜與模擬結果高度吻合，實現超過20分貝的消光比。當對照明像素施加交流電壓時，器件展現出明顯的、頻率相關的調制能力。

- r" w2 E3 {5 x; N( ]' r5 E2 W7 N圖4顯示器件表征：(a)反射光譜和調制幅度，(b)釋放和未釋放器件的波長移動與交流頻率關系，(c)機械諧振頻率測量，(d)機械模式衰減測量，(e)交叉偏振光測試裝置示意圖。
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應用與未來發(fā)展
該SLM技術在多個領域具有應用價值：
1. 量子計算與控制
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原子量子系統(tǒng)的精確控制

原子陷阱特定光學圖案的產生

高速量子態(tài)操控
1 z1 L$ g9 M) B2 r" x
2. 顯示技術
+ G" b4 ]& Q+ t8 R# t

增強和虛擬現實系統(tǒng)

高速投影系統(tǒng)

動態(tài)全息顯示
, v) R) C% y9 p# f: a1 D
3. 光通信
% ^( ?- v% g& ^

快速光開關

波分復用

信號處理

: U9 p: }5 g$ G. [% Y/ O7 X4. 科學儀器
0 K; T; x$ J! \" z; y

顯微成像系統(tǒng)

激光測距應用

光譜分析

未來改進方向包括：

降低工作電壓

實施后制造調節(jié)技術

提升機械諧振控制

擴展工作波長范圍

根據應用需求，該技術可以進行不同配置：
1 x4 X1 l5 L0 o9 F% l6 P4 e5 \0 D

利用機械諧振產生特定頻率

創(chuàng)建時變光圖案

生成全帶寬任意波形

" E, ?7 M9 b& L* `8 e結論
本文介紹了新型空間光調制器技術，結合壓電致動與氮化硅諧振波導光柵。該技術在可見光至近紅外波段實現高速操作，同時保持高通道密度和高消光比。CMOS兼容制造工藝確保可擴展性，并可與現有半導體技術集成。

器件展示的性能特征，包括超過100MHz的調制速度和優(yōu)于20分貝的消光比，使這項技術在量子計算、顯示、通信和科學儀器等領域具有重要應用價值。持續(xù)的開發(fā)和優(yōu)化將進一步提升其性能并拓展應用范圍。
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參考文獻
, T. g' v" Z8 e5 a- b- x[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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