在MEMS繞射光柵研究方面取得進展
原文連結：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00894-7
原文作者：惠大泰，李冬芃，王斌斌，黎永前
基於微機械電子系統（MEMS）的繞射光柵具有動態光調製能力，可以實現光開關、光束掃描、光束整形與合束、光強度調製等功能，應用於雷射通信、雷射投影、雷射測控、超短脈衝雷射加工、以及動態光譜分析等領域。
近期，西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室成功研製出數釐米尺寸通光口徑的MEMS繞射光柵。該MEMS繞射光柵的共振頻率不受光柵長度尺寸的影響，可通過延長光柵長度，或者增加週期數目的方法擴展通光口徑，實現了最大30 mm×30 mm的通光孔徑。連續輪廓正弦光柵實現了更高的光學效率。研製的MEMS繞射光柵表面填充因數超過96%，正入射光對應的零階光束動態調製對比度大於90%。課題組成功研製出具有數釐米尺寸通光口徑的MEMS繞射光柵調製器，其光學效率大於90%，工作頻率達到200 kHz，入射角度30度，消光比大於100:1。該團隊基於濕法釋放工藝，已經成功製備出三種規格的MEMS繞射光柵。上述研究成果以“A MEMS grating modulator with a tunable sinusoidal grating for large-scale extendable apertures”為題發表於Microsystems & Nanoengineering期刊。博士生惠大泰為論文第一作者，黎永前教授為通信作者，論文工作得到喬大勇教授的大力支持。
該研究團隊在研製的MEMS繞射光柵基礎上，借助Virtuallab Fusion光學模擬軟體，建立了繞射光斑與空間傳播的光場追跡模型，開發出基於MEMS繞射光柵的逆向光調製器。基於MEMS繞射光柵的逆向光調製器具有溫度穩定性好、光調製對比度高等優勢；適用於傳輸文字、語音和圖片等應用場合，尤其適用於需要大視場角、高調製對比度的小型化雷射通信應用場景。該逆向光調製器目前已在航太工程大學的小型地–空通信平臺上完成雷射通信鏈路驗證。航太工程大學張來線教授指出，這種MEMS光柵調製器突破了通光孔徑擴展的技術瓶頸，顯著提升了光通信鏈路性能，為未來星間及無人平臺的空間雷射通信測控提供了核心器件。
圖1. MEMS繞射光柵結構及工作原理。（a）繞射光柵整體結構，MEMS繞射光柵分別由基底層、絕緣層和光柵層構成，光柵層通過一系列週期性排列的絕緣支撐柱與基底固連。（b）光柵單元結構，（c）光柵單元一階共振模態。基底和光柵層之間的靜電驅動力使光柵結構產生向下撓曲變形，形成正弦光柵輪廓。光柵結構的等剛度特性使得繞射光柵沿週期方向擴展，可以有效提高器件的通光孔徑，同時保持器件具有較高的共振頻率。正弦光柵輪廓具有連續的光調製表面，器件表面填充率大於96%。
圖2. MEMS繞射光柵工作原理。（a）非調製狀態和（b）調製狀態繞射光柵的工作過程。非調製狀態的器件表面為理想光學平面，入射光束沿反射方向發生幾何光學反射；調製狀態的器件表面為連續輪廓表面的正弦光柵，發生光繞射現象。正弦光柵的調製深度變化，使0級繞射光和±1級繞射光強動態變化，實現對0級反射光和高階繞射光強度調製。
圖3. MEMS繞射光柵製備晶片的SEM照片
圖4. MEMS繞射光柵器件性能測試結果（a）和模擬設計結果（b）。在635 nm和1550 nm波長下的“非調製”和“調製”狀態的遠場繞射光斑（用VirtualLab Fusion的模擬結果）。
圖5 MEMS繞射光柵的動態光調製性能測試結果，在（100～300 kHz）下的0級繞射光調製信號具有較好的波形。
項目平臺介紹
西北工業大學空天微納系統教育部重點實驗室，定位於為國家航空航太戰略需求提供基礎核心元器件，培養創新人才。實驗室團隊是教育部長江學者創新平臺，在過去十年取得了多項國家級科研成果，培養了大量MEMS領域科研人才。
微納結構光學元件及應用研究團隊，研究方向包括基於MEMS技術的動態光學元器件，如MEMS繞射光柵，微光開關陣列等；基於微納結構的靜態微光學元件，如繞射光學元件DOE，微透鏡陣列，超構表面光學元件等。
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