压电致动高速空间光调制器在可见光至近红外波段的应用

逍遥设计自动化

引言
: K6 w) f) o/ }1 r空间光调制器(SLM)在量子计算、增强现实等科学技术领域有广泛应用。本文探讨在可见光至近红外波段工作的突破性SLM技术，结合压电致动实现高速操作。该技术将氮化硅谐振波导光栅与氮化铝压电致动器结合，采用CMOS兼容工艺在200毫米硅晶圆上制造[1]。
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主要技术指标包括：
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在可见光至近红外波段工作

高通道密度(>100 mm?2)

高调制速度(>100 MHz)

高消光比(>20 dB)
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图1展示器件概念和实物图像。(a,b)展示基于压电致动氮化硅谐振波导光栅的SLM技术概念。(c)显示电压引起光谱移动的工作原理。(d)显示连接到印刷电路板的4×4 SLM芯片。(e)显示像素间距为50μm的4×4 SLM显微图像。(f)显示被沟槽包围的光栅扫描电镜图像。

器件设计与工作原理
, a: f8 g6 F2 I4 H该器件采用氮化硅谐振波导光栅，设计工作波长约为780纳米。光栅周期为0.490微米，氮化硅厚度为0.3微米。在交叉偏振光测试下，器件表现出陡峭的光谱特性，消光比超过20分贝。

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图2展示器件光学设计：(a)模拟与测量的反射光谱对比，(b)光栅周期对反射光谱的影响，(c)TE/TM偏振波振幅比和相位差，(d)不同光栅尺寸的反射光谱。
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& g* z! x. R% c; G1 j" v9 }& T# @机械设计对器件性能起关键作用。制造后，像素由二氧化硅支柱支撑，当向压电层施加电压时允许机械运动。
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( z0 e! }. T+ T3 r0 |图3说明机械设计：(a)释放器件的截面示意图，(b)显示下切的器件截面扫描电镜图像，(c)5.9MHz时的机械模式模拟，(d)支柱直径和光栅尺寸与本征频率的关系。
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器件表征与性能
性能表征揭示了器件运行的几个重要方面。反射光谱与模拟结果高度吻合，实现超过20分贝的消光比。当对照明像素施加交流电压时，器件展现出明显的、频率相关的调制能力。

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图4显示器件表征：(a)反射光谱和调制幅度，(b)释放和未释放器件的波长移动与交流频率关系，(c)机械谐振频率测量，(d)机械模式衰减测量，(e)交叉偏振光测试装置示意图。
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: s9 X) |1 b/ f9 L) u应用与未来发展
* h. g4 R9 G+ h; I该SLM技术在多个领域具有应用价值：
$ K3 h+ c5 U1 K) B( M8 J# M1. 量子计算与控制
: X/ u$ V3 W9 P/ ?4 _5 i

原子量子系统的精确控制

原子陷阱特定光学图案的产生

高速量子态操控
) S/ O, t2 P/ R' v
2. 显示技术
- s+ d# a1 S* w& e3 C" l3 L

增强和虚拟现实系统

高速投影系统

动态全息显示

& g1 ^! [9 |1 g- ~5 v, m/ U3. 光通信

快速光开关

波分复用

信号处理

4. 科学仪器
: E4 E4 S0 h, ]5 h0 Q. c- r- v# C

显微成像系统

激光测距应用

光谱分析
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未来改进方向包括：

降低工作电压

实施后制造调节技术

提升机械谐振控制

扩展工作波长范围

根据应用需求，该技术可以进行不同配置：

利用机械谐振产生特定频率

创建时变光图案

生成全带宽任意波形
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结论
2 X8 p: J/ i6 s/ v8 K本文介绍了新型空间光调制器技术，结合压电致动与氮化硅谐振波导光栅。该技术在可见光至近红外波段实现高速操作，同时保持高通道密度和高消光比。CMOS兼容制造工艺确保可扩展性，并可与现有半导体技术集成。
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器件展示的性能特征，包括超过100MHz的调制速度和优于20分贝的消光比，使这项技术在量子计算、显示、通信和科学仪器等领域具有重要应用价值。持续的开发和优化将进一步提升其性能并拓展应用范围。
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参考文献
, G+ }* l8 _  z[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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6 @- u' P& E( s5 B. D9 _7 x# C深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
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