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
3 @. ^4 ~  W1 H  ?  |5 x, ?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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# M9 t0 @2 K) t4 t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。
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, W2 t% M$ K. z. w) K) G器件设计与工作原理
; `: n9 [) d  _! f& x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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9 w' B, B5 x3 m: d* E2 R$ |$ Z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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器件表征与性能
- ]$ R1 I$ M' e0 i2 b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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应用与未来发展
该SLM技术在多个领域具有应用价值：
8 J" h) J& E; t5 m- E1. 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

9 K; j- `+ O5 M* Z' C0 L/ l2. 显示技术
; K+ I, T: K3 X4 T/ f

增强和虚拟现实系统

高速投影系统

动态全息显示

! N; O0 ]* O! G. n. \/ l% W3. 光通信

快速光开关

波分复用

信号处理
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4. 科学仪器

显微成像系统

激光测距应用

光谱分析

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
( W3 Y$ x0 P/ e8 e
! a* _6 v& N! w1 s- N根据应用需求，该技术可以进行不同配置：
) d6 v$ ]- w  k+ o' s: X* v

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 u  A" u; m3 u0 s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
2 z8 V! N" c( [& _[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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