原文链接：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
基于微机械电子系统（MEMS）的衍射光栅具有动态光调制能力，可以实现光开关、光束扫描、光束整形与合束、光强度调制等功能，应用于激光通信、激光投影、激光测控、超短脉冲激光加工、以及动态光谱分析等领域。
近期，西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室成功研制出数厘米尺寸通光口径的MEMS衍射光栅。该MEMS衍射光栅的谐振频率不受光栅长度尺寸的影响，可通过延长光栅长度，或者增加周期数目的方法扩展通光口径，实现了最大30 mm×30 mm的通光孔径。连续轮廓正弦光栅实现了更高的光学效率。研制的MEMS衍射光栅表面填充因子超过96%，正入射光对应的零阶光束动态调制对比度大于90%。课题组成功研制出具有数厘米尺寸通光口径的MEMS衍射光栅调制器，其光学效率大于90%，工作频率达到200 kHz，入射角度30度，消光比大于100:1。该团队基于湿法释放工艺，已经成功制备出三种规格的MEMS衍射光栅。上述研究成果以“A MEMS grating modulator with a tunable sinusoidal grating for large-scale extendable apertures”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。博士生惠大泰为论文第一作者，黎永前教授为通信作者，论文工作得到乔大勇教授的大力支持。
该研究团队在研制的MEMS衍射光栅基础上，借助Virtuallab Fusion光学仿真软件，建立了衍射光斑与空间传播的光场追迹模型，开发出基于MEMS衍射光栅的逆向光调制器。基于MEMS衍射光栅的逆向光调制器具有温度稳定性好、光调制对比度高等优势；适用于传输文字、语音和图片等应用场合，尤其适用于需要大视场角、高调制对比度的小型化激光通信应用场景。该逆向光调制器目前已在航天工程大学的小型地–空通信平台上完成激光通信链路验证。航天工程大学张来线教授指出，这种MEMS光栅调制器突破了通光孔径扩展的技术瓶颈，显著提升了光通信链路性能，为未来星间及无人平台的空间激光通信测控提供了核心器件。
图1. MEMS衍射光栅结构及工作原理。（a）衍射光栅整体结构，MEMS衍射光栅分别由基底层、绝缘层和光栅层构成，光栅层通过一系列周期性排列的绝缘支撑柱与基底固连。（b）光栅单元结构，（c）光栅单元一阶谐振模态。基底和光栅层之间的静电驱动力使光栅结构产生向下挠曲变形，形成正弦光栅轮廓。光栅结构的等刚度特性使得衍射光栅沿周期方向扩展，可以有效提高器件的通光孔径，同时保持器件具有较高的谐振频率。正弦光栅轮廓具有连续的光调制表面，器件表面填充率大于96%。
图2. MEMS衍射光栅工作原理。（a）非调制状态和（b）调制状态衍射光栅的工作过程。非调制状态的器件表面为理想光学平面，入射光束沿反射方向发生几何光学反射；调制状态的器件表面为连续轮廓表面的正弦光栅，发生光衍射现象。正弦光栅的调制深度变化，使0级衍射光和±1级衍射光强动态变化，实现对0级反射光和高阶衍射光强度调制。
图3. MEMS衍射光栅制备芯片的SEM照片
图4. MEMS衍射光栅器件性能测试结果（a）和模拟设计结果（b）。在635 nm和1550 nm波长下的“非调制”和“调制”状态的远场衍射光斑（用VirtualLab Fusion的模拟结果）。
图5 MEMS衍射光栅的动态光调制性能测试结果，在（100～300 kHz）下的0级衍射光调制信号具有较好的波形。
项目平台介绍
西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室，定位于为国家航空航天战略需求提供基础核心元器件，培养创新人才。实验室团队是教育部长江学者创新平台，在过去十年取得了多项国家级科研成果，培养了大量MEMS领域科研人才。
微纳结构光学元件及应用研究团队，研究方向包括基于MEMS技术的动态光学元器件，如MEMS衍射光栅，微光开关阵列等；基于微纳结构的静态微光学元件，如衍射光学元件DOE，微透镜阵列，超构表面光学元件等。
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