近期，一款新型大孔径 MEMS 调制器的问世，为高速、节能的光通信系统带来了新的曙光。
传统的 MEMS 光学调制器在性能上存在诸多局限。以基于微镜的调制器为例，其往往只能在较低频率下工作，难以满足现代高速数据传输的需求；而光栅调制器虽然在某些方面具有优势，但面临着弯曲变形和光学效率不理想的问题。此外，对于高功率光通信系统至关重要的大孔径，也因机械限制难以实现，这些问题严重制约了光通信系统的发展。
西北工业大学的研究人员在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上发表的研究成果，为解决这些难题提供了创新性方案。他们研发的新型 MEMS 光栅调制器，集成了可调谐正弦光栅与宽边约束连续带，成功实现了 30×30mm 的大孔径。这一尺寸突破意义重大，为高功率光信号的传输提供了更广阔的空间。
这款调制器的光学效率高达 90%，动态调制对比度超过 95%，在自由空间光通信和遥感领域展现出巨大的应用潜力。在自由空间光通信中，高光学效率意味着信号在长距离传输过程中的损耗更低，能够确保信号的完整性，实现更稳定、更高速的数据传输。其出色的调制对比度则可以有效区分信号的 “0” 和 “1” 状态，减少误码率，提高通信质量。
在调制速度方面，该调制器支持高达 250kHz 的高速调制，响应时间极快，接近 1.1 微秒。这一特性使其在光探测和测距（LiDAR）以及自适应光学等领域大显身手。在 LiDAR 系统中，快速的调制速度能够实现对目标物体更精确、更快速的探测和成像，提升自动驾驶汽车的安全性和工业检测的精度。在自适应光学系统里，它可以迅速调整光学信号，补偿大气湍流等因素造成的光学波前畸变，提高天文观测和激光通信的性能。
图：大孔径 MEMS 调制器：光通信领域的创新突破
调制器的色散特性也为其在波长传感应用中开辟了新的天地。在光谱仪和高光谱成像系统中，它能够精确地对不同波长的光进行调制和分析，帮助科研人员获取更详细的光谱信息，在环境监测、生物医学、材料分析等领域发挥重要作用。
从技术创新角度来看，宽边约束连续带的设计堪称精妙。它不仅有效避免了弯曲变形问题，还能在不影响约 460.0kHz 谐振频率的前提下，实现孔径的可扩展扩张。而正弦光栅设计则将填充因子最大化至 96.6%，显著提高了衍射效率，在 100kHz 频率下实现了 20dB 的消光比和 98% 的调制对比度。光栅表面的通孔阵列优化了空气阻尼，使得调制器能够实现临界阻尼响应，消除了残留振荡，进一步提升了调制性能。
该调制器采用的双掩模绝缘体上硅（SOI）工艺，确保了其可靠的制造过程，为大规模生产奠定了基础。这意味着未来这款调制器有望以较低的成本实现量产，加速其在各个领域的广泛应用。
正如该研究的通讯作者李永乾博士所强调的，这款调制器将可扩展的孔径设计与卓越的光学效率相结合，为从 LiDAR 到下一代通信网络等大功率、高速应用创造了新的可能。它摒弃了微镜结构，降低了系统复杂度和成本，使得这项技术更易于大规模推广应用。
展望未来，随着技术的不断进步，这款大孔径 MEMS 调制器有望进一步升级。例如，实现多通道光束整形功能，在同一时间内传输更多的数据，提升通信系统的容量；与量子通信系统集成，为量子通信的发展提供更高效的调制手段，推动量子通信技术从理论研究走向实际应用。
