基于可调正弦光栅的MEMS光栅调制器，具有可扩展孔径和高光学效率
2025-03-09 10:59:14 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
西北工业大学和中国人民解放军战略支援部队航天工程大学的研究人员组成的团队提出了一种具有显著可扩展的孔径和高光学效率的MEMS光栅调制器，这得益于采用了可调正弦光栅。
微机电系统（MEMS）光栅调制器通过静电驱动可移动的带状结构能够实现多功能的光束操控功能。这些MEMS光栅调制器在数百kHz范围内的超高频下工作，与基于MEMS微镜的调制器相比，它们的无微镜配置简化了制造工艺并降低了成本。然而，这些MEMS光栅调制器在光学效率和孔径方面受到一定限制。
据麦姆斯咨询报道，近日，西北工业大学和中国人民解放军战略支援部队航天工程大学的研究人员组成的团队提出了一种具有显著可扩展的孔径和高光学效率的MEMS光栅调制器，这得益于采用了可调正弦光栅。可调正弦光栅由光栅周期阵列构成，每个周期均采用两端固支梁的结构设计，可在静电力作用下产生偏转运动。与端部受约束的可移动带不同，本文所提出的MEMS光栅调制器的可移动带状结构沿其宽侧受导轨锚固的约束，从而在保持谐振频率的同时，增强了其沿移动带方向的扩展能力。作为示例，研究人员实验性地展示了一个孔径尺寸超过30 mm × 30 mm的MEMS光栅调制器。此外，为了调制衍射强度，研究人员采用了连续正弦光栅分布而非矩形离散光栅，其光学效率超过90%。
实验结果表明，本文所提出的MEMS光栅调制器具有1.1 μs的机械稳定时间和超过20 dB的消光比。此外，它在250 kHz的工作频率内提供了超过95%的动态调制对比度，并在±30°的视场（FOV）内实现了完全调制。这种MEMS光栅调制器有望应用于高速光衰减和调制后向反射器自由空间光学（MRR-FSO）通信系统。该器件为未来的高速、节能和经济高效的通信网络奠定了基础。上述研究成果以“A MEMS grating modulator with a tunable sinusoidal grating for large-scale extendable apertures”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
器件配置和原理
本文所提出的MEMS光栅调制器采用可调光栅周期阵列构成，其中每个周期设计有沿宽侧约束的连续可移动带状结构，以产生偏转变形（如图1所示）。同时驱动这些光栅周期可重新配置出具有所需调制深度的可调正弦光栅。
在可调正弦光栅中，光栅周期是指光栅在驱动下两个连续峰值之间的距离。在本文的设计中，光栅周期的精确值为150 µm。利用光栅周期的单向等刚度特性，可通过将光栅周期排列成一维阵列来延长光栅周期长度，从而创建一个大尺度孔径，这就实现了光栅调制器的可扩展性。本文所提出的MEMS光栅调制器的连续正弦光栅具有可扩展的大孔径尺寸，能够实现更高的光能利用率，尤其是在长距离FSO通信应用中。
图1 本文提出的MEMS光栅调制器示意图
该光学调制器的工作原理基于光栅衍射理论。如图2a所示，在未调制状态下，光栅表面初始近似于一个光学平面，从而反射大部分入射光能；而在调制状态下，光栅的可移动部分向基底方向弯曲，使光栅呈现出正弦曲线分布，大量光被重新定向到更高阶次（图2b）。图2c显示了正弦光栅的衍射效率及其衍射图，图2d显示了具有不同调制深度的模拟衍射图。
图2 具有可调正弦光栅的MEMS光栅调制器的调制原理和衍射行为
器件制造
该MEMS光栅调制器采用双掩膜微加工工艺在双抛光的绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造而成，制造工艺流程和完成制造的器件如图3所示。
图3 制造工艺和制造的MEMS光栅调制器
器件性能表征
图4展示了对制造的MEMS光栅调制器进行表征的方法。图4a显示了利用激光多普勒振动仪（LDV）对MEMS光栅调制器的机电性能进行测试的实验设置。用于MEMS光栅调制器的光学性能表征的实验设置如图4b所示，研究人员使用该光学设置对其静态和动态特性进行了全面评估。
图4 用于MEMS光栅调制器的机电性能和光学性能表征的实验设置
图5显示了MEMS光栅调制器的光学调制性能测试结果。该MEMS光学调制器在正入射时的计算调制对比度超过98%。此外，快速的机械响应时间使该调制器能够在高频下工作。此外，在100 kHz的3 dB带宽（半峰全宽）内，入射角为±30°、视场为120°时，所提出的MEMS光栅调制器可实现几乎完全调制。
图5 MEMS光栅调制器的光学调制性能
小结
综上所述，本研究提出了一种基于可调正弦光栅的MEMS光栅调制器，具有大尺寸可扩展孔径和高光学效率。该MEMS光栅调制器由可调光栅周期阵列构成，其中每个光栅周期采用沿宽侧约束的连续可移动带结构设计以产生偏转变形。由于光栅周期的单向等刚度特性，其谐振频率不受纵向尺寸变化的影响，因此可通过延长光栅周期长度并将各周期排列成一维阵列来构造大尺寸孔径。此外，为了实现更高的光学效率，采用了连续正弦光栅分布而非矩形离散光栅来调制衍射强度。得益于所提出的正弦光栅结构，MEMS光栅调制器芯片仅需两层结构配置即可高效制造。在当前的实现方案中，采用的连续正弦光栅使得MEMS光栅调制器的表面填充因子超过96%，光学效率超过90%，对应的光学插入损耗小于1 dB。无端部约束的光栅沿光栅方向具有良好的可扩展性，从而实现了30 mm × 30 mm 的大孔径。在光学调制性能方面，正入射光时零阶光束的消光比超过20 dB，调制对比度超过98%。所提出的MEMS光栅调制器在250 kHz工作频率下可实现超过95%的动态调制对比度。在3 dB带宽下，所提出的MEMS光栅调制器能够在±30°入射角范围和120°视场范围内实现几乎完全调制。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00894-7
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