革命性的 MEMS 光栅调制器提高了通信的光学效率和可扩展性
中国科学院空天信息研究所，北京
所提出的 MEMS 光栅调制器的示意图。 （图片：微系统与纳米工程）一种新型微机电系统 (MEMS) 光栅调制器已经开发出来，在通信系统的光学效率和可扩展性方面取得了显着进步。通过将可调谐正弦光栅与宽边约束连续带集成，实现了30×30 mm的大孔径，并支持高达250 kHz的高速调制。
该器件实现了 90% 的光学效率和超过 95% 的动态调制对比度，使其成为自由空间光通信和遥感的理想选择。该器件的色散特性使其在光谱仪和高光谱成像系统等波长传感应用中颇具吸引力。这项创新解决了孔径尺寸、效率和调制速度方面的关键挑战，有望增强高速、节能的通信网络。
MEMS 光调制器对于自由空间光通信和 LiDAR 等下一代技术至关重要，但现有设计难以平衡孔径尺寸、效率和速度。传统的基于微镜的调制器通常工作在低频下，而光栅调制器则面临着弯曲变形和光学效率不佳的问题。
高功率系统所需的大孔径一直受到机械限制的阻碍。基于这些挑战，迫切需要可扩展、高效的调制器来支持光通信系统的演进。
发表于微系统与纳米工程 西北工业大学的研究人员推出了具有可调谐正弦光栅的创新MEMS光栅调制器。该器件实现了 30 × 30 mm 的大孔径、高达 90% 的光学效率以及接近 1.1 μs 的超快响应时间。该器件旨在支持宽波长范围（635 – 1700 nm）的高速调制，为应对高速、节能光学系统的挑战提供有前景的解决方案。
该调制器的关键创新在于其宽边约束的连续带，可防止弯曲变形并允许可扩展的孔径扩展，而不会影响约 460.0 kHz 的谐振频率。正弦光栅设计最大限度地提高了填充因子 (96.6%) 和衍射效率，在 100kHz 时实现了 20 dB 消光比和 98% 的调制对比度。光栅表面上的通孔阵列优化了空气阻尼，从而产生临界阻尼响应，且没有残余振荡。实验结果表明，在 250 kHz 时对比度高于 95% 的完全调制、在可见光和近红外光谱（±30° 视场）范围内的有效性能，以及使用双掩模 SOI 工艺的可靠制造。这些创新克服了孔径尺寸、效率和速度之间的传统权衡，为 MEMS 光调制器树立了新的基准。
通讯作者李永前博士强调了该设备的潜力：“通过将可扩展孔径设计与无与伦比的光学效率相结合，该调制器为从激光雷达到下一代通信网络的高功率、高速应用开辟了新的可能性。微镜的消除降低了复杂性和成本，使该技术可扩展以供广泛采用。”
该调制器的大孔径和高效率使其成为自由空间光通信的理想选择，确保长距离信号的完整性。其快速响应时间非常适合激光雷达和自适应光学应用，而偏振独立性则增加了多功能性。未来的版本可以实现多通道光束整形或与量子通信系统的集成。这项创新加速了节能、高带宽网络的发展，在航空航天和电信领域具有广泛的应用。
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