如今，光學技術(shù)是眾多領(lǐng)域突破的關(guān)鍵。從通信設(shè)備到遙感儀器，它無處不在。光調(diào)制器作為核心器件，性能影響光學系統(tǒng)。MEMS 光柵調(diào)制器作為新興力量，憑獨特優(yōu)勢和創(chuàng)新設(shè)計，為光學領(lǐng)域注入新活力。

1、光學技術(shù)發(fā)展下的調(diào)制器需求

過去幾十年，光學技術(shù)飛速發(fā)展，廣泛應用于生活各領(lǐng)域。光通信科學領(lǐng)域，數(shù)據(jù)傳輸需求激增，傳統(tǒng)通信難滿足大數(shù)據(jù)量、低延遲要求，光通信成為主流。光調(diào)制器作為光信號編碼、解碼和控制的關(guān)鍵，其性能對通信系統(tǒng)的傳輸速率、容量及誤碼率影響重大。

在遙感領(lǐng)域，光學遙感技術(shù)對資源勘探、環(huán)境監(jiān)測等意義非凡。高分辨率、高靈敏度的儀器需高性能光調(diào)制器精確控制光信號參數(shù)，以實現(xiàn)高質(zhì)量圖像采集與處理。

然而，傳統(tǒng)光調(diào)制技術(shù)弊端漸顯。部分調(diào)制器調(diào)制速度慢，無法匹配高速數(shù)據(jù)傳輸；調(diào)制精度不足，致使信號失真，影響通信質(zhì)量與遙感圖像分辨率；成本高，不利于大規(guī)模應用。

MEMS 技術(shù)的出現(xiàn)帶來轉(zhuǎn)機。它融合微電子與微機械加工技術(shù)，能將多種部件集成于微小芯片，具有體積小、重量輕、功耗低、成本低、集成度高、響應快等優(yōu)勢。將其用于光調(diào)制器設(shè)計制造，有望開發(fā)出性能卓越的產(chǎn)品，滿足不同領(lǐng)域?qū)庹{(diào)制技術(shù)的需求 。

2、高性能的 MEMS 光柵調(diào)制器

基于上述背景，研究人員聚焦 MEMS 光柵調(diào)制器，旨在攻克傳統(tǒng)光調(diào)制器面臨的難題，開發(fā)出高性能的新型調(diào)制器。

具體目標包括：

提高調(diào)制速度，滿足光通信等領(lǐng)域?qū)Ω咚贁?shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅?/span>

提升調(diào)制精度，減少信號失真，適應高精度應用場景；

增大孔徑尺寸，提高光學儀器的靈敏度和探測范圍；

提高光學效率，降低能量損耗，增強信號傳輸能力；

拓展波長范圍，增加調(diào)制器的通用性和適用性。

3、多學科融合，創(chuàng)新設(shè)計與制備工藝

為實現(xiàn)研究目標，研究團隊采用多學科融合的方法，綜合運用光學、機械、電子、材料等多學科知識和技術(shù)，從理論分析到性能測試進行全面深入研究。

在理論建模與仿真分析方面，研究人員基于光學衍射、電磁學和機械力學理論建立 MEMS 光柵調(diào)制器的理論模型。通過分析模型，探究調(diào)制器的工作原理，研究光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性、驅(qū)動電壓等因素對性能的影響規(guī)律。利用數(shù)值仿真軟件模擬調(diào)制器的光學、機械和電學性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，為實際器件制備提供理論指導。

結(jié)構(gòu)設(shè)計上，研究團隊提出創(chuàng)新理念。采用可調(diào)諧正弦光柵結(jié)構(gòu)，通過特殊設(shè)計的光柵間距陣列和寬邊約束的連續(xù)帶，實現(xiàn)調(diào)制器在保持高諧振頻率的同時增大孔徑尺寸。這種結(jié)構(gòu)增強了調(diào)制器沿帶的可擴展性，通過連續(xù)正弦表面提高了表面填充因子，進而提高光學效率。同時，合理設(shè)計電極結(jié)構(gòu)和驅(qū)動方式，實現(xiàn)對光柵的精確控制，提升調(diào)制精度和速度。

器件制備過程中，研究團隊運用先進的 MEMS 微加工工藝。選用高質(zhì)量硅基絕緣體（SOI）晶圓作為襯底材料，利用光刻、蝕刻、薄膜沉積等微加工技術(shù)，精確控制調(diào)制器的結(jié)構(gòu)尺寸和表面質(zhì)量。采用雙掩模微加工工藝，在 SOI 器件層沉積金膜增強反射率，通過光刻和蝕刻工藝將金膜圖案化形成光柵結(jié)構(gòu)，利用電感耦合等離子體（ICP）蝕刻工藝制作通孔陣列，實現(xiàn)光柵與襯底的電氣連接和機械支撐。制備過程中嚴格控制工藝參數(shù)，確保器件的一致性和可靠性，并針對可能出現(xiàn)的釋放粘連、應力變形等問題提出解決方案。

制備完成后，對 MEMS 光柵調(diào)制器進行全面性能測試。利用激光多普勒測振儀（LDV）測試機械振動特性，包括諧振頻率、振動幅度和響應時間等；使用光譜分析儀和光功率計等設(shè)備測試光學性能，如衍射效率、消光比、波長響應范圍等。根據(jù)測試結(jié)果評估和分析調(diào)制器性能，找出問題并進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備工藝，通過反復測試和優(yōu)化，不斷提高調(diào)制器的性能指標。

4、性能卓越，突破傳統(tǒng)限制

經(jīng)過努力，研究團隊在 MEMS 光柵調(diào)制器研究方面取得了一系列顯著成果。

在孔徑和光學效率上，成功研制出孔徑超過 30×30mm 的調(diào)制器，突破了傳統(tǒng)調(diào)制器的孔徑限制。采用連續(xù)正弦光柵輪廓和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了高于 90% 的光學效率，相比傳統(tǒng)調(diào)制器有顯著提升，在收集和利用光能量方面表現(xiàn)出色，為長距離 FSO 通信等應用提供更強的信號支持。

調(diào)制器能在 635 至 1550nm 的寬波長范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定的強度調(diào)制，滿足不同應用對波長的多樣化需求。在特定波長下，消光比可超過 100（大于 20dB），能有效抑制背景光干擾，提高信號對比度和清晰度，對高精度信號檢測應用意義重大。

實驗測試顯示，調(diào)制器響應速度極快，機械建立時間約為 1.1μs，可快速對光信號進行調(diào)制。在 100 - 250kHz 的頻率范圍內(nèi)，調(diào)制對比度超過 95%，300kHz 時仍可達 88.4%，展現(xiàn)出良好的動態(tài)性能，適應高速數(shù)據(jù)傳輸和復雜信號處理的要求，在光通信和高速成像等領(lǐng)域具有廣闊應用前景。

此外，在 ±30° 的視場（FOV）內(nèi)，調(diào)制器能實現(xiàn)近全調(diào)制，無論光線從哪個角度入射，都能有效調(diào)制光信號，大大提高了適用性和靈活性，在不同光學系統(tǒng)和應用場景中都能發(fā)揮出色性能。

5、多領(lǐng)域閃耀，助力產(chǎn)業(yè)升級

MEMS 光柵調(diào)制器性能卓越，在多領(lǐng)域應用前景廣闊。

光通信領(lǐng)域，它承擔光信號編碼與解碼任務(wù)，以快速調(diào)制速度和高消光比，提升通信系統(tǒng)傳輸速率與信號質(zhì)量，降低誤碼率。在光纖通信網(wǎng)絡(luò)的光發(fā)射機中，將電信號轉(zhuǎn)為光信號并調(diào)制，保障數(shù)據(jù)快速準確傳輸，在 5G 及未來 6G 時代，有望成為光通信技術(shù)發(fā)展的核心器件。

遙感領(lǐng)域，能控制光信號采集與處理。大孔徑和高光學效率使其可收集更多光，提高探測靈敏度。衛(wèi)星遙感中，用于調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)，對不同目標清晰成像；環(huán)境監(jiān)測時，精準檢測大氣污染物濃度、海洋溫度、植被狀況等，為環(huán)保和資源管理提供數(shù)據(jù)支撐。

生物醫(yī)學領(lǐng)域，應用于光聲、熒光成像技術(shù)，實現(xiàn)生物組織和細胞高分辨率成像分析。其寬波長范圍和高精度調(diào)制性能契合各類生物醫(yī)學檢測。癌癥早期診斷中，調(diào)制特定波長光激發(fā)癌細胞熒光，實現(xiàn)精準檢測定位；助力生物醫(yī)學研究，幫助科學家探究生物分子結(jié)構(gòu)功能，為疾病治療和藥物研發(fā)提供技術(shù)助力。

激光加工領(lǐng)域，可控制激光強度和光斑形狀?？焖夙憫俣群透哒{(diào)制對比度滿足實時控制需求，微納加工中精準調(diào)制激光強度雕刻微小結(jié)構(gòu)，材料表面處理時依需求調(diào)整光斑形狀與能量分布，提升加工質(zhì)量和效率。

隨著科技與市場發(fā)展，MEMS 光柵調(diào)制器所在的光學器件行業(yè)蓬勃興起。未來，它將走向集成化、小型化，與其他元件集成于芯片，滿足便攜式及微型光學系統(tǒng)需求，如融入消費電子產(chǎn)品。同時，性能要求提升，向多功能化邁進，增加對多種光信號參數(shù)控制，結(jié)合前沿技術(shù)實現(xiàn)智能化。技術(shù)成熟后將步入產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?，降低成本、提升質(zhì)量，推動其在更多領(lǐng)域應用。MEMS 光柵調(diào)制器憑借優(yōu)勢，正成為光學技術(shù)發(fā)展及行業(yè)升級的關(guān)鍵力量，潛力巨大，未來將在更多領(lǐng)域帶來變革。