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
5 {9 w& C" L, `- W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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! L: E6 y& z7 I' S6 \主要技术指标包括：

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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; t6 n' }2 H* U7 {# @* r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。

$ e% i" O$ y5 A' P+ f3 g+ a% B器件设计与工作原理
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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) M1 _% P. L7 u& O) A7 C' c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。

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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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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6 v, k2 K: W4 A4 A5 I) L$ v* n9 M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。
( u' I. b" F4 F$ M& B7 U
应用与未来发展
该SLM技术在多个领域具有应用价值：
9 {: c; P8 s' ^1. 量子计算与控制

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
# V. _  K1 R" o( ~
2. 显示技术

增强和虚拟现实系统

高速投影系统

动态全息显示
8 h/ c9 y  Q4 a, ~9 u0 ]# R0 `2 r
( {% B0 Y6 r7 Q, w  C& Y, o3. 光通信

快速光开关

波分复用

信号处理
/ t; o3 \- X6 D2 n4 o, I1 _+ j) q
& X& H: Z7 L, j  ]" _4. 科学仪器
" [: O! N. {6 ^* k! K6 M

显微成像系统

激光测距应用

光谱分析
8 m+ y0 c( y0 _
' a( q% ?3 O. Y3 Y" h; s* m, B未来改进方向包括：
: `6 \, C7 G  Z9 l

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：
; N8 s! w& Z; {4 w3 [9 O* Q" l8 j! ^

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
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。

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
[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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