电调设计，电调结构及原理图

在过去的十几年里，基于微纳结构的超表面在光场控制方面表现出了巨大的优势，并被证明是调制电磁波基本特性的强大平台。这些平面光学元件将电磁能局域到亚波长尺度，增强光与物质的相互作用，从而可以完全控制光场的振幅、相位、偏振等信息，为集成和光的发展提供了基础。辐照。先进光子器件的小型化并提供新的想法。然而，大多数超表面器件是静态的，它们的光学响应一旦处理就无法改变。因此，如何实现动态光场控制是推进超表面实际应用的关键。

目前，动态超表面的设计路线主要有三种：1）通过外部激励，如电、磁、光、化学或热激励来改变结构的光学响应；2）使用特殊的活性材料；3）应用使结构变形的外力，如微机电系统（MEMS）、柔性拉伸材料等；这些控制方案使超表面结构能够对入射光场表现出灵活的动态响应。其中，电调谐方法由于易于与成熟的光电器件集成而在众多调谐机制中脱颖而出。基于几种特殊材料对电场的不同响应机制的电调谐动态超表面设计，包括使用液晶材料、透明导电氧化物（TCO）、石墨烯、III-V族等，已开发出多种技术路线。半导体材料、过渡金属二硫属化物（TMD）材料、电光晶体（EO晶体）等

据Memes Consulting报道，西安交通大学电子学院的研究人员近日在《光子学报》期刊上发表题为《电可调谐超表面研究进展》的综述文章，重点介绍了近期电可调谐超表面、分类动态超表面。目前主要的调谐机制分为电控载流子激发、液晶控制、MEMS驱动和电光晶体四种设计方法，并总结了每种方法的物理机制、调谐方法、研究现状和发展趋势。本文旨在系统总结这一快速发展的领域，推动基于超结构化表面的纳米光子器件的研究、开发和应用。

电可调超表面的设计规划

近年来，动态超表面光场控制的研究兴趣逐年增加（图1）。超表面的动态控制原理一般可分为两类。一是改变材料的折射率，二是改变超表面的几何形状。

图1 过去10 年在Web of Science 上发表的动态超表面文章数量。搜索关键词：可调/动态/可重构/主动超表面

电控载体控制方式

基于TCO材料的电调谐超表面

施加外部电场来改变导电材料中自由载流子的浓度是电调光中最常见的方法之一。氧化铟锡（ITO）是当今应用最广泛的TCO材料之一，在近红外波段具有接近零的介电常数（Epsilon Near Zero，ENZ）点。

2016年，黄Y W等人设计了金晶格-ITO层-绝缘层-金基板结构，在4 V偏置电压下，ENZ带内ITO电荷存储层的载流子浓度提高了三倍以上。偏置电压引起180相移，导致反射光在1级衍射之间切换，调制速率达到10 MHz（图2（a））。 2020年，SHIRManesh G K等人利用ITO和金纳米天线设计了一款可编程超表面多功能微控制器。实现1522nm波长周围270相位调制、23.5光束偏转、1.5~3m焦距控制。 2021年，PARK J等人在金晶格和铝基板之间引入ITO层，设计了550个可单独寻址的谐振器，形成具有0至360相位控制的超表面，实现了调制速率理论可达5.4MHz。实现4.7m以内的3D深度扫描（图2（b））。

图2 结合ITO 材料和金属结构的电调谐超表面。

基于TCO材料的电光控制的主要限制是光学特性的变化仅发生在电荷存储层附近，其厚度通常仅为1-2 nm，称为德拜长度。因此，延长德拜长度可以进一步提高ITO的光响应灵敏度。 2018年，SHIRMNESH G K等人应用双栅极控制电路设计了铝纳米天线-绝缘层-ITO层-绝缘层-金属基板结构，并将两个独立的电压控制通道串联起来。当施加6.5 V的偏置电压时，该结构可以在1550 nm波长附近实现300的反射相位调制和89%的相对反射率调制（图3（a））。

图3 双栅极ITO 超表面以及结合ITO 和介电材料的电调谐超表面。

金属特异性寄生损耗和弱光-物质相互作用也是限制此类调节的另一个因素。与金属表面等离子体模式相比，高折射率介电材料由于其更大的控制自由度和更低的吸收损耗，可以支持更强大的局域电磁模式。因此，ITO与全介电超表面的结合是另一个重要工具。 2018 年，HOWES A 及其同事报告了一种电定制的全电介质惠更斯超表面，由硅纳米天线和顶部涂有ITO 薄膜的熔融石英基板组成。硅纳米天线的电磁模式发生在ITO的ENZ频段，通过电调谐改变ITO层内的局域电场，实现了31%的传输控制，并展示了约26的光束偏转。（图3） (b))。

除了ITO之外，其他TCO材料也具有电调谐潜力，例如铝掺杂氧化锌（AZO）、氧化铟（In2O3）和氧化铟硅（Indium Silicon Oxide，ISO）。

基于石墨烯的电可调超表面

石墨烯由排列成蜂窝晶格的单层碳原子组成。与TCO材料相比，石墨烯具有更高的载流子迁移率和光学透明度，以及更好的可调谐性、鲁棒性和环境稳定性，使其成为光子学和光电子学的理想材料。

2018年，ZENG B等人将石墨烯和金纳米天线结合起来，实现了混合元结构表面空间光调制器。在8m波长下，通过施加约7V的栅极偏置电压来调节石墨烯层的电导率，实现反射光强度90%的调制深度和高达1GHz的调制速度（图4） ） （A ））。此外，石墨烯在中红外至太赫兹波段的吸收较低，增加吸收可以有效控制光场的强度。 2021年，SUN Z等人设计了一种由银裂环谐振器（SRR）和石墨烯组成的超表面。施加60V的电压可以在中红外波段产生超过330的连续相变。角度为60，平均效率为22%（图4(b)）。

除了金属表面等离子体模式之外，一些研究还研究了石墨烯与其他电磁模式相结合的效果。 YAO Y等人通过在介电层中结合石墨烯和法布里-珀罗（FP）模式并施加80 V的电压，在5-7 m波段实现了几乎100%反射率的调制深度。 20GHz（图4(c)）。

图4 基于石墨烯的电调谐超表面。

基于过渡金属二硫属化物的电定制超表面

TMD是另一种受到广泛关注的二维材料。

为了实现电调光的效果，许多研究将金属纳米粒子的局域表面等离子体共振与TMD的激子共振相结合，并利用栅极偏压注入载流子，以实现优异的动态光场控制能力。 LEE B等人和LIU W等人分别将MoS2和WS2与金属纳米天线结合使用，通过调节栅极偏压触发激子和表面等离子体激元之间的共振耦合转变。 2019年，NI P等人通过将MoS2与基于金晶格的间隙等离子体超表面相结合，报道了一种栅极可调的发光超表面。当施加正向偏压时，界面处产生一定厚度的电子积累层，激子转变为带负电的三激子，当施加负偏压时，电子丢失，带负电的三激子转变为带负电的三激子。到中性激子。这个过程使我们能够灵活地修改超表面的光致发光特性（图5（a））。基于类似的原理，GRROEP J 等人展示了一种原子厚的WS2 图案化波带片透镜，使用电门改变激子状态，在可见光波段具有33% 的聚焦效率调制。由于电压偏置期间离子液体的影响，调制速度被限制在40 ms左右（图5（b））。

图5 结合TMD 和金属结构的电定制超表面。

基于III-V 族半导体和多量子阱的电定制超表面

III-V族半导体材料的电调谐机制与TCO材料类似。通过对III-V族半导体衬底施加栅极偏压，可以在半导体层界面附近生成厚度可调的电荷存储区域，其介电常数取决于局部载流子浓度的变化而变化。与金属表面等离子体激元结合。

CHENHT等人在GaAs半导体衬底上集成了金SRR，通过改变偏置电压，可以调节孔径间隙附近GaAs衬底的载流子密度，从而改变其介电常数，在16 V反向栅偏压下我们通过实验证明了太赫兹频段的相对透射率调制百分比（图6(a)）。然后他们的团队使用类似的结构来准备44 像素矩阵。在0至14 V的偏置电压下，在0.36 THz频段实现了35%至50%范围内的幅度调制（图6（b））。此外，PARK J等人在外延生长的InAs衬底上制作了铝光栅，通过电门控偏置控制InAs层中载流子的变化，导致发射峰的光谱偏移，这可能会改变发射峰。我们改进了元结构表面的吸收和加热性能，实现了中红外区域辐射效率变化3.6%。

图6 III-V 半导体/表面等离子激元电调谐超表面

基于InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs 等半导体异质结和其他结构的多量子阱(MQW) 已被广泛研究用于从可见光到太赫兹波段的电调光应用。 Wu PC 等人开发了一种基于MQW 的具有分布式布拉格反射器的有源介电超表面。在915~920nm近红外波段，系统折射率实部调制范围达到0.01~0.05左右，7V偏压下反射率调制高达270%，相位变化0~70。 （图7（a））。 LEE J等人将MQW与等离激元共振相结合，通过施加5 V偏置电压，在7 m波长处实现了超过30%的吸收变化，并通过实验观察到了10 ns的超快响应速度。 BENZ A等人将量子阱的子带间跃迁与光与物质的强耦合机制结合起来，通过施加5 V的偏置电压，在2.5 THz处中心频率偏移8%，实现了线宽的控制。 （图7（b））。

图7 基于MQW 的电调谐超表面。

液晶显示控制方案

液晶作为一种技术成熟、应用广泛的光学活性材料，具有折射率调谐范围宽、传输效率高、功耗低、集成度强等诸多优点，这使得它在可调谐光学元件中占有非常重要的地位。位置。

BUCHNEV O等人利用向列液晶和V形金纳米阵列形成了简单的元结构，并通过施加7 V的电压在1550 nm左右的波长下实现了50%的透射率调制。液晶的表面锚定效应影响其动态响应。然后，他们巧妙地设计了一种由向列液晶和锯齿形金纳米阵列组成的超表面，以减轻液晶的表面锚定。实验上，我们使用1.5 至2.7 V 的低控制电压将光谱移动到110 nm，在2 V 电压下产生/4 的相变（图8(a)）。除了折射率的变化之外，液晶内分子的旋转也会改变入射光的偏振方向。谢志伟等人设计了一种向列相液晶/铝晶格超表面，通过改变电压0~4V来控制横磁（TM）模式到横电（TE）模式的转换，以改善反射结构色。这。图8(b))。

图8 基于液晶的电学定制超表面

电光晶体控制方式

电光晶体是目前市场上电光调制器的主要材料，是具有电光效应的功能晶体。将电光晶体与超表面相结合，利用亚波长结构中的局域电磁模式来增强对光场中折射率变化的响应灵敏度，已成为近年来电光控制的重要手段。 2021 年，WEISS A 及其同事将金纳米颗粒放置在液氮基板上，使金纳米颗粒的表面等离子体模式与液氮层相互作用。施加40 V 的偏置电压可在1550 nm 波长处实现40% 反射率的调制深度（图9(a)）。 WEIGAND H 等人设计了薄膜LN 上的硅纳米柱阵列。阵列引入的光学共振可导致电场增强约80倍。通过施加小于1V的电压，可以实现从10Hz到2.5MHz的宽带幅度调制（图9(b)）。 GAO B等人将薄膜LN制作成二维介质光栅，并通过掠入射光栅系统的对称性获得超快连续束缚态（BIC）模式。在150V的电压下实现了高品质因数，并且在驱动过程中获得了大约47的相位变化（见图9(c)）。 KLOPFER E 及其同事将硅波导与薄膜LN 结合起来，通过沿着单个波导的长度蚀刻小缺陷，引入了品质因数高达30,000 的法诺共振。仿真表明，在25 V的偏置电压下可以实现0至360的相移，并且反射率保持在90%以上（图9（d））。

图9 基于电光晶体的电定制超表面

MEMS驱动控制解决方案

在超表面的动态控制路线中，除了改变材料本身的光学特性外，还可以通过改变外部应力来重新配置超表面的结构单元。 MEMS利用外部电场、磁场、热刺激等在微纳尺度上精确地对目标结构产生特定的外力（库仑力、安培力等），并破坏目标结构以产生几何形状，可以定量地改变。它使上部结构表面固有的机械平衡变形，从而可以精确、动态地控制其光学响应。许多研究结合了电调谐MEMS 和超表面结构来研究从可见光到太赫兹波段的动态超表面。

MANJAPPA M 等人设计了一种由两个SRR 组成的可重构MEMS 超表面。它们可以通过两个偏置电压通道独立控制超表面谐振器的面外不对称性并激发法诺谐振。这种各向异性的变化在系统中产生了滞后效应，允许通过两个独立控制的电输入和太赫兹频率的光学读出来执行逻辑运算，从而使得太赫兹频段内的“与”和“或”门将成为可能。逻辑运算（图10(a)））。 HOLSTEEN A L等人提出了一种多功能超表面，可以实现可见光范围内的色彩控制、动态光束控制和光学聚焦控制。他们将一个米氏形谐振器悬浮在绝缘衬底硅（绝缘体上硅，SOI）上，并通过MEMS对其进行机械调谐，以在不同的电压调谐速率下实现元结构表面的结构颜色变化。这是通过3.2V 电压实现的。相位控制范围为0至360，光束偏转范围为2至12，在波长600 nm时，通过施加2.2 V电压，焦距可在26 um至5 m范围内调节（图10（ b））。张X等人提出了一种基于焦平面开关阵列（FPSA）的超表面滑块设计方案。他们在1cm2 SOI 材料上设计了一个128128 点阵纳米天线阵列，使用MEMS 对列和行进行独立位置控制。结果，我们能够实现70 x 70的宽视场和0.6 x 0.6的高分辨率，并通过实验演示了LIDAR的测距效果和3D成像效果（图10（c）） 。

图10 基于MEMS的超表面功能器件

随着MEMS技术的快速发展，基于MEMS的有源超表面仍然具有巨大的潜力，在变焦镜头、激光雷达、光子芯片、光电探测器等先进光子器件中发挥着重要作用，值得期待。

概述与展望

众多动态超表面的持续发展正在推动下一代可调谐光学元件的发展。本文根据其控制机制将电可调超表面的设计路线分为四个方向：电控载流子激发、液晶控制、电光晶体控制和MEMS驱动。优点。这导致了各种设计解决方案。利用超表面独特的电磁场局部模式，不断探索不同的设计解决方案以实现360全相位控制和更大的调制深度。然而，这些设计方案并不是简单的替代，而是针对不同的应用环境，可以根据各自的特点相互补充。例如，在可见光到太赫兹的控制波段，TCO、TMD、液晶控制主要应用于可见光到近红外波段。石墨烯控制、III-V族半导体和多量子阱控制主要针对中红外到太赫兹频段的应用。在调制速度方面，基于载波激励原理的控制方案由于载波移动速度快，基本上可以达到GHz的调制速度，可用于许多快速响应的应用。然而，液晶控制和MEMS控制受到各自响应滞后的限制，调制速率只能分别达到KHz和MHz。但凭借我们自身的稳定性和成熟的工艺技术，我们已经成功实现了很多低响应速度的应用。

值得一提的是，电光晶体控制在众多调制方案中脱颖而出，因为它可以覆盖从可见光到太赫兹的整个波长范围，并且可以实现超过GHz的超高调制速率。但由于电光晶体受限于加工技术以及薄膜产业还不够成熟，基于电光晶体的元结构表面设计起步较晚，目前相关研究相对较少。同时，由于微纳尺度上的电光效应较弱，调制深度与功耗之间存在矛盾，这给超表面的设计带来了巨大的挑战。尽管如此，基于电光晶体的动态超表面设计仍然具有作为传统电光调制器关键材料的巨大潜力。

随着工业4.0 的进一步进步，许多技术应用将越来越需要易于集成的可调谐光学元件。其中包括各种可穿戴设备、自动驾驶、机器人、增强现实和虚拟现实、通信、传感、成像和显示技术等等。电可调超表面技术与半导体集成电路技术的结合有望在这些技术的转型升级中发挥重要作用。许多新的控制方法正在出现，包括使用深度学**设计的可编程超表面和使用脑电波对超表面进行无线远程控制。然而，虽然可调谐超表面技术目前具有各种优点和缺点，并取得了许多良好的应用，但在所有指标上都没有能够满足这些更先进的工业应用的完美解决方案，也没有调整方法。尽管可调谐超表面的研究才刚刚发展了十多年，但仍然存在值得探索的巨大研究潜力。比如，促进微纳制造技术的升级，探索新的活性材料和新的控制方法，结合多种控制方案，优势互补，构建复合可调超表面，你可以做到。尽管动态超表面的工业级应用极难实现，但未来可调谐超表面的研究可以通过跨学科、小规模的协调努力迅速推进，仍然可以预见它可能成为促进融合和融合的重要因素。在新型光电器件的应用方面。