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]。* X% J- z: I J0 t0 H. v0 I
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! L: E6 y& z7 I' S6 \主要技术指标包括:9 q: c& L. h y* j4 b+ s+ ]
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。/ X7 f: P$ C. L$ {+ i9 j
$ e% i" O$ y5 A' P+ f3 g+ a% B器件设计与工作原理5 Z4 ]# W5 x' S6 u
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。( }& Z& e% _4 `7 B# a+ D+ \
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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) _- |. c' T6 ?" _" q
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。. b6 }% B# J1 j( M" l7 M
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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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应用与未来发展) O' v& x9 D G- Z8 u3 b" I
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# S" H2 B7 x D0 J( L
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
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2. 显示技术2 F# Z) w. E6 L0 Z) |: B
增强和虚拟现实系统高速投影系统动态全息显示
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( {% B0 Y6 r7 Q, w C& Y, o3. 光通信) G6 G2 E1 O2 D. U
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0 R- u( ?4 J2 |6 O0 E7 b
! C7 t. S" e7 D M/ F! }. m
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
; |! L/ n" Z, {9 r& o) ^1 o% {4 o h7 X. U! h |" C0 W; T1 q9 W8 r
结论5 Y5 U* L4 i* S: D& M
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。9 V" R( i( V: j; K# _+ g
( R( g8 S! _$ d5 w# N' b" n
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) W) V7 P3 [: X( 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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1 M N- w9 z1 V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。+ E) u7 N7 V4 L# e/ Q6 |1 Z8 g& D
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