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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

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发表于 2024-11-24 08:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
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]。
9 e3 {, z+ e2 Y

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% L, @5 w/ \' A% H! r, J$ m( ~8 z/ b7 A
主要技术指标包括:
$ J7 R, m, G' U# i' n) A2 s/ l
  • 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)
    6 S* i7 ~1 L3 F. p  S. p7 ?, I! _7 T

    # o2 M/ n1 X" V5 P( z+ s: u0 D

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    0 h; l$ I4 b) v, `! B4 g6 c
    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。$ l& S. N# P; \
    & w9 \2 `* n; o+ m' w6 j
    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。* V0 g: A' h" ]8 ^: y

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    # m5 z$ K# k' e, K  W. {  e
    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。
    # Q+ t: t7 f; Z6 ]9 e* p
    & 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。
    ! n( t& X; D: g+ A4 d; U3 B

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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。
    6 `" g7 v5 a, Z; \6 b5 ]4 f7 q6 |* e* X1 n. z
    器件表征与性能' Y" d; K3 E7 c8 o9 O
    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。5 c/ n& D5 V7 c* @" Q" T2 f

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      d' j# z; D# b
    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。
    0 O* R7 x: f7 y' S8 M
    : 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
    5 P) A" }/ n: Y7 F7 {: S( c  r
    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4 e( }9 L3 A! ~4 Y4 h

    & g1 ^! [9 |1 g- ~5 v, m/ U3. 光通信/ B1 x7 v3 O+ U! s3 m( K
  • 快速光开关
  • 波分复用
  • 信号处理7 R) }+ ?2 ~! H
    0 K  [8 t3 c9 X5 R( V# ?
    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
    8 W! X4 w2 y; [7 g. x: b# N9 F
    ; T1 q) {+ {/ e& W
    未来改进方向包括:* T# S6 |- E8 q( c% A3 @5 F
  • 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. R' K5 _. T- y" q# {# C+ ~1 n
    . ^& q) k) U$ O* m, R
    根据应用需求,该技术可以进行不同配置:8 j: X% @# a0 o* y7 q0 t2 U6 l- X
  • 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
    ! I9 r, `! n9 F
    - p" b% [/ R0 `
    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。
    % t" a- j1 v7 a. m, U  [- ^2 V* X  S# J
    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。
    0 v6 X7 y$ X2 @3 q" s+ i+ V1 q, q- P% Z) V; Z$ y( {
    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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    ; j8 {0 x$ ~% |& W4 p% x  h8 zEND
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    欢迎转载% m& l# L& ~) C

    4 K+ d" m. F2 }5 ]7 |+ ^4 s( o转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
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    7 K( _; q7 V  |( x1 e' c# S8 U% J
    1 I1 z6 I1 M: `( h关于我们:
    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。
    + m/ ~& s$ \- h5 s4 m( E9 B8 j4 H# \/ M" E
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    : ^( w9 [) f( v$ K(点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容)
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