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（MEMS）的衍射光柵具有動態(tài)光調制能力，可以實現光開關、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，實現了最大30 mm×30 mm的通光孔徑。連續(xù)輪廓正弦光柵實現了更高的光學效率。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。基于MEMS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)。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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