原文鏈接：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
基于微機械電子系統(tǒng)（MEMS）的衍射光柵具有動態(tài)光調制能力，可以實現(xiàn)光開關、光束掃描、光束整形與合束、光強度調制等功能，應用于激光通信、激光投影、激光測控、超短脈沖激光加工、以及動態(tài)光譜分析等領域。
近期，西北工業(yè)大學空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室成功研制出數厘米尺寸通光口徑的MEMS衍射光柵。該MEMS衍射光柵的諧振頻率不受光柵長度尺寸的影響，可通過延長光柵長度，或者增加周期數目的方法擴展通光口徑，實現(xiàn)了最大30 mm×30 mm的通光孔徑。連續(xù)輪廓正弦光柵實現(xiàn)了更高的光學效率。研制的MEMS衍射光柵表面填充因子超過96%，正入射光對應的零階光束動態(tài)調制對比度大于90%。課題組成功研制出具有數厘米尺寸通光口徑的MEMS衍射光柵調制器，其光學效率大于90%，工作頻率達到200 kHz，入射角度30度，消光比大于100:1。該團隊基于濕法釋放工藝，已經成功制備出三種規(guī)格的MEMS衍射光柵。上述研究成果以“A MEMS grating modulator with a tunable sinusoidal grating for large-scale extendable apertures”為題發(fā)表于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。
該研究團隊在研制的MEMS衍射光柵基礎上，借助Virtuallab Fusion光學仿真軟件，建立了衍射光斑與空間傳播的光場追跡模型，開發(fā)出基于MEMS衍射光柵的逆向光調制器�；贛EMS衍射光柵的逆向光調制器具有溫度穩(wěn)定性好、光調制對比度高等優(yōu)勢；適用于傳輸文字、語音和圖片等應用場合，尤其適用于需要大視場角、高調制對比度的小型化激光通信應用場景。該逆向光調制器目前已在航天工程大學的小型地–空通信平臺上完成激光通信鏈路驗證。航天工程大學張來線教授指出，這種MEMS光柵調制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激光通信測控提供了核心器件。
圖1. MEMS衍射光柵結構及工作原理。（a）衍射光柵整體結構，MEMS衍射光柵分別由基底層、絕緣層和光柵層構成，光柵層通過一系列周期性排列的絕緣支撐柱與基底固連。（b）光柵單元結構，（c）光柵單元一階諧振模態(tài)�；缀凸鈻艑又g的靜電驅動力使光柵結構產生向下?lián)锨冃�，形成正弦光柵輪廓。光柵結構的等剛度特性使得衍射光柵沿周期方向擴展，可以有效提高器件的通光孔徑，同時保持器件具有較高的諧振頻率。正弦光柵輪廓具有連續(xù)的光調制表面，器件表面填充率大于96%。
圖2. MEMS衍射光柵工作原理。（a）非調制狀態(tài)和（b）調制狀態(tài)衍射光柵的工作過程。非調制狀態(tài)的器件表面為理想光學平面，入射光束沿反射方向發(fā)生幾何光學反射；調制狀態(tài)的器件表面為連續(xù)輪廓表面的正弦光柵，發(fā)生光衍射現(xiàn)象。正弦光柵的調制深度變化，使0級衍射光和±1級衍射光強動態(tài)變化，實現(xiàn)對0級反射光和高階衍射光強度調制。
圖3. MEMS衍射光柵制備芯片的SEM照片
圖4. MEMS衍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“非調制”和“調制”狀態(tài)的遠場衍射光斑（用VirtualLab Fusion的模擬結果）。
圖5 MEMS衍射光柵的動態(tài)光調制性能測試結果，在（100～300 kHz）下的0級衍射光調制信號具有較好的波形。
項目平臺介紹
西北工業(yè)大學空天微納系統(tǒng)教育部重點實驗室，定位于為國家航空航天戰(zhàn)略需求提供基礎核心元器件，培養(yǎng)創(chuàng)新人才。實驗室團隊是教育部長江學者創(chuàng)新平臺，在過去十年取得了多項國家級科研成果，培養(yǎng)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，研究方向包括基于MEMS技術的動態(tài)光學元器件，如MEMS衍射光柵，微光開關陣列等；基于微納結構的靜態(tài)微光學元件，如衍射光學元件DOE，微透鏡陣列，超構表面光學元件等。
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