空间光调制器的新技术

空间光调制器近15年来基于量子阱电吸收空间光调制器的逆向调制型自由空间激光通信的发展,可以看出其适合通信带宽需求在10~100Mb/s,重视抗电磁干扰，防窃听和小载荷低功耗的平台,例如无人机，机器人、舰船,甚至单兵。2015 年,美国NRL和瑞典A.creo AB的研究人员分别在Applied Optics杂志和SPIE会议上总结了近15年来各小组在逆向调制型自由空间激光通信方面的工作,大量器件研究与系统验证实验很好地验证了逆向调制型自由空间激光通信应用的可行性 。但量子阱电吸收空间光调制器也存在固有的不足，一定程度限制了逆向调制型自由空间激光通信的发展。

1)尽管器件的调制深度在理论上可以非常高,一些实验也报道了大对比度的结果,然而大多数器件的调制深度往往小于10 dB。其主要原因在于电吸收调制器是-一个窄波长带宽的器件，上述匹配条件与波长相关,考虑到实际工艺中的误差和温度变化,器件往往偏离最 佳工作点。通常电吸收调制器的工作波长带宽仅为几个纳米。

对于3 inch(1 inch=0.0254 m)的全晶片分子束外延,数百层的量子阱生长的波长均匀性在0.1%~1%之间,因此生长工艺带来的波长偏差就达到几个纳米量级。另外,由于光刻等工艺的误差，器件的良品率很低,使得量子阱电吸收空间光调制器大阵列非常难以实现。

2)基于垂直腔的电吸收空间光调制器虽然能提供大的调制深度,但其共振腔结构是角度敏感的,不同人射角的光会在不同波长处获得反射相消的匹配条件。因此,电吸收空间光调制器的性能随着人射角的改变变化明显。这样即使逆向调制器可以提供大的视角,由于空间光调制器的角度敏感性,整个自由空间激光通信系统也还是需要复杂的跟踪装置来保证通信链路的稳定工作。

3)多量子阱结构的生长非常复杂,需要昂贵的分子束外延设备生长多达数百层的超晶格量子阱结构,成本高、技术难度大.难以控制,因此国际上也仅有少数西方国家能够实现大面阵的器件。

最近微纳光学的发展,涌现了一些光调制方面的新技术,通过微纳光学对光场空间分布的控制,放大有源材料光学特性变化对光束传输行为的调控能力,可以极大地提高空间光调制的能力,并有望克服电吸收调制器的不足。

2006年美国LosAlamos国家实验室报道了基于亚波长超材料结构的太赫兹波段的空间光调制器。

在砷化钾材料上分别制备欧姆接触电极与肖特基结电极,并将超材料结构的金属层与肖特基电极互联。这种超材料结构支持太赫兹波段的共振,且共振模式的场分布集中在相对的两个金属条结构之间。当在欧姆电极与肖特基电极间加偏压时,砷化钾层载流子浓度的变化可以调控两个金属条之间短路还是绝缘,从而改变共振条件,实现空间太赫兹波的调制。这种超材料技术具有很高的设计自由度,而且调制速度非常快，其亚波长特性有效地抑 制了器件对入射光角度的敏感性。2012年美国麻省理工采用类似的工作原理,将二氧化钒材料的相变特性和超材料结构结合,研制了太赫兹空间调制器。

2009年英国南安普顿大学报道了基于等离子体激元(SPP)表面波的全光调控技术的光开关,实现了200fs的超快响应叫。如图4(b)所示，在铝和二氧化硅表面存在等离子体激元表面波,通过超短脉冲的调制光的非线性效应对电子平衡态分布的调控,实现对等离子体激元表面波的调制,从而对被调制光束展现开关行为。这种全光调制完全基于光信号,没有热、电、磁等效应,因此具有亚皮秒的开关速度。

2011年英国南安普顿大学另一个小组采用了氧化钢锡材料和纳米金属颗粒,实现了皮秒级的光调制。这也是一个全光调制的技术,调制光照射到金属纳米结构上产生热电子,并注入到下面的氧化钢锡材料中。氧化钢锡由于自由电子浓度的改变,改变了其介电常数,从而影响到金属纳米结构的等离子体共振特性,这种改变由被调制光的传输所体现。

2012年美国莱斯大学报道了基于一维渐变光栅构建平面高品质因子谐振腔,这种谐振腔具有极窄线宽的共振,通过集成的pri-n结对硅材料折射率的动态调节，从而改变谐振腔的共振波长。由于共振峰线宽非常窄,仅需要非常微弱的折射率改变就能获得极高的调制深度,实验获得了150MHz的高速空间光调制和近10 dB的调制深度。

这些新兴技术都基于微纳光学结构,其主要特性为结构尺寸小于工作波长,可视为等效材料,并具有很好的角度不灵敏性;而且器件的电磁特性决定于结构特征而不是材料性质,因此这种微纳光学调制器具有设计自由度高、尺寸小、器件电容小、调制速度高、集成性好等优异的特性。然而目前也存在有加工精度要求高、金属材料的损耗大、器件研究还不够成熟的缺点。为满足具体应用需求,微纳光学调制器将不断改进,这种改进有可能促进国内发展高速空间光调制器实现突破,并推进逆向调制型自由空间激光通信的发展。