電調(diào)超構(gòu)表面研究進(jìn)展（特邀）

張磊，徐云帆，杜波波，丁慧敏，魏曉勇，徐卓

（西安交通大學(xué)電子學(xué)院多功能材料與結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

0 引言

過去十幾年，以微納結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的超構(gòu)表面在光場調(diào)控方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性，已經(jīng)被證明是調(diào)制電磁波基本特性的有力平臺。這些平面光學(xué)元件可以將電磁能量局域在亞波長尺度，增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，從而對光場的振幅、相位、偏振等信息進(jìn)行全方位調(diào)控，為先進(jìn)光子器件的集成化與小型化發(fā)展提供新思路［1，2］。然而，大多數(shù)超構(gòu)表面器件都是靜態(tài)的，一經(jīng)加工其光學(xué)響應(yīng)就無法改變。因此，如何實(shí)現(xiàn)動態(tài)光場調(diào)控將成為推動超構(gòu)表面實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

目前，動態(tài)超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)路線大致包含三種：1）通過外部激勵改變結(jié)構(gòu)的光學(xué)響應(yīng)，如電激勵、磁激勵［3，4］、光激勵［5，6］、化學(xué)反應(yīng)［7，8］和熱激勵［9，10］等；2）使用特殊的活性材料，如液晶［11，12］、相變材料［13，14］和功能晶體［15，16］等；3）施加外力使結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，如微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-electro-mechanical System，MEMS）［17］、柔性拉伸材料［18，19］等。這些調(diào)控方案可以使超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)對入射光場表現(xiàn)出靈活的動態(tài)響應(yīng)。其中，電調(diào)諧的方法更容易與成熟的光電器件集成，在眾多的調(diào)諧機(jī)制中脫穎而出。基于一些特殊材料對電場具有不同的響應(yīng)機(jī)制，電調(diào)諧動態(tài)超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)發(fā)展出了許多技術(shù)路線，例如使用液晶材料、透明導(dǎo)電氧化物（Transparent Conducting Oxide，TCO）、石墨烯、Ⅲ-V 族半導(dǎo)體材料、過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenide，TMD）材料、電光晶體（Electric Optical Crystal，EO-crystal）等。

本文對近年來電調(diào)諧動態(tài)超構(gòu)表面進(jìn)行分類匯總，將目前主要的調(diào)諧機(jī)制分為電控載流子激發(fā)、液晶調(diào)控、MEMS 驅(qū)動以及電光晶體四個設(shè)計(jì)方案，總結(jié)了不同方案的物理機(jī)制、調(diào)諧方法、研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢。旨在對這個迅速發(fā)展的領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)性歸納總結(jié)，促進(jìn)基于超構(gòu)表面的納米光子器件的研究發(fā)展與應(yīng)用。

1 電調(diào)超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)方案

近年來，動態(tài)超構(gòu)表面的光場調(diào)控研究熱度逐年增加（如圖1）。超構(gòu)表面的動態(tài)調(diào)控原理總的來說可以分為兩類：改變材料的折射率或改變超構(gòu)表面的幾何結(jié)構(gòu)。前者的調(diào)控需要依托于一些活性材料，如液晶、TCO、相變材料等；后者的調(diào)控需要設(shè)計(jì)特殊的力學(xué)系統(tǒng)。在這兩種調(diào)控機(jī)理中電調(diào)諧都發(fā)揮了非常重要的作用。

1.1 電控載流子調(diào)控方案

1.1.1 基于TCO 材料的電調(diào)諧超構(gòu)表面

通過外加電場改變導(dǎo)電材料中自由載流子的濃度是電調(diào)光中最常見的方法之一。一些TCO 不僅具有良好的導(dǎo)電性，而且其自由載流子濃度低于金屬材料，具有比金屬更低的材料損耗，有望替代貴金屬而用于等離激元超構(gòu)表面。TCO 材料通常是n型重?fù)诫s，其典型的自由載流子濃度N大約在1019～1021cm-3之間，在可見光和近紅外波段下具有高透射率。TCO 材料的復(fù)介電常數(shù)與其內(nèi)部自由載流子濃度N密切相關(guān)，可用Drude 模型描述［20］：

式中，ω為入射光的角頻率，m*e為電子的有效質(zhì)量，N為自由載流子濃度，γ為載流子的碰撞速率。通過電誘導(dǎo)［21］、光誘導(dǎo)［22］等方式改變材料內(nèi)部的自由載流子濃度，可以調(diào)制材料的介電常數(shù)，進(jìn)而改變其光學(xué)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧的納米光子器件。

氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）是目前使用最廣泛的TCO 材料之一，它在近紅外波段具有近零介電常數(shù)（Epsilon Near Zero，ENZ）點(diǎn)。在小于ENZ 波長處，介電常數(shù)大于零，表現(xiàn)為電介質(zhì)；在大于ENZ 波長處，介電常數(shù)小于零，表現(xiàn)為導(dǎo)體。在ITO 的自由電子積累層附近，電場會被大大增強(qiáng)［23］。2010年，F(xiàn)EIGENBAUM E 等通過電門控的方式改變ITO 內(nèi)部載流子分布，將ITO 的載流子濃度提升一個數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)了接近1 的介電常數(shù)變化［24］。隨后，結(jié)合ITO 與金屬表面等離激元超構(gòu)表面的電調(diào)諧納米光子器件成為研究的熱點(diǎn)［21，25-28］。

2013年，YI F 等實(shí)驗(yàn)展示了電調(diào)諧的中紅外波段等離激元吸收超構(gòu)表面，通過在金光柵上覆蓋ITO 層，實(shí)現(xiàn)了10 V 電壓下20%的載流子濃度變化和8 nm 的光譜移動，但是由于光場模式與結(jié)構(gòu)之間耦合效率低，導(dǎo)致調(diào)控效果有限［25］。2015年，PARK J 等將ITO 層埋在金屬-絕緣體-金屬（Metal-insulator-metal，MIM）型等離激元腔中，構(gòu)建了電調(diào)諧的超構(gòu)表面吸收器。在ENZ 波段下，通過正/負(fù)偏壓動態(tài)控制電荷積累層的厚度變化，實(shí)現(xiàn)了約15%的反射率調(diào)控以及高達(dá)125 kHz 的調(diào)制速率［27］。2016年，HUANG Y W 等設(shè)計(jì)了相似的金光柵-ITO 層-絕緣層-金襯底結(jié)構(gòu)，使用4 V 的偏壓，在ENZ 波段將ITO 電荷積累層的載流子濃度提高3 倍以上；并利用2.5 V 的偏壓產(chǎn)生了180°的相位偏移，實(shí)現(xiàn)反射光在±1 級衍射之間切換，調(diào)制速率可達(dá)10 MHz［21］（如圖2（a））。2020年，SHIRMANESH G K 等利用ITO 和金納米天線設(shè)計(jì)了一款可編程的超構(gòu)表面多功能微控制器。在波長1 522 nm 附近實(shí)現(xiàn)了＞270°的相位調(diào)制，并實(shí)現(xiàn)了23.5°的光束偏轉(zhuǎn)和1.5～3 μm 的焦距調(diào)控［29］。2021年，PARK J 等在金光柵和鋁襯底之間引入ITO 層，設(shè)計(jì)了550 個可單獨(dú)尋址的諧振器構(gòu)成超構(gòu)表面，實(shí)現(xiàn)了0～360°的相位調(diào)控，調(diào)制速率理論可達(dá)到5.4 MHz，并在4.7 m 的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)了三維深度掃描［30］（如圖2（b））。

基于TCO 材料的電光調(diào)控主要限制是光學(xué)性能的變化僅僅發(fā)生在電荷積累層附近，該厚度通常僅有1～2 nm，稱為徳拜長度。因此，拓展徳拜長度可以進(jìn)一步提高ITO 的光學(xué)響應(yīng)靈敏度。2018年，SHIRMANESH G K 等應(yīng)用雙門控電路設(shè)計(jì)了鋁納米天線-絕緣層-ITO 層-絕緣層-金屬襯底結(jié)構(gòu)，兩個獨(dú)立的電壓控制通道串聯(lián)連接。施加6.5 V 偏壓，該結(jié)構(gòu)可在波長1 550 nm 附近實(shí)現(xiàn)＞300°的反射相位調(diào)制以及89% 的相對反射率調(diào)制［31］（如圖3（a））。

金屬固有的寄生損耗和較弱的光與物質(zhì)相互作用是限制這種調(diào)控方式的另一個因素。與金屬表面等離激元模式相比，高折射率介質(zhì)材料可以支持更強(qiáng)的局域電磁模式，具有更多的調(diào)控自由度和更低的吸收損耗。因此，將ITO 與全介質(zhì)超構(gòu)表面結(jié)合是另一條重要路線［32-34］。2018年，HOWES A 等報(bào)道了一種電調(diào)諧全介質(zhì)惠更斯超構(gòu)表面，該結(jié)構(gòu)由頂部涂敷ITO 薄膜的硅納米天線和熔融石英基底組成。硅納米天線的電磁模式發(fā)生在ITO 的ENZ 波段，通過電調(diào)諧改變ITO 層內(nèi)的局部電場，實(shí)現(xiàn)了31%的透射率調(diào)控，并演示了26°左右的光束偏轉(zhuǎn)［32］（如圖3（b））。

除了ITO 之外，其他TCO 材料也同樣具有電調(diào)諧的潛力，如摻鋁氧化鋅（Alumium-doped Zinc Oxide，AZO）［35］、氧化銦（In2O3）［36］、氧化銦硅（Indium Silicon Oxide，ISO）［37］等。它們被報(bào)道出具有比ITO 更低的自由載流子濃度，從而具有更低的損耗和更高的摻雜能力。有望實(shí)現(xiàn)更大的折射率調(diào)控范圍，目前也是TCO 材料的重要研究方向?？偟膩碚f，基于TCO 的電調(diào)諧機(jī)制是最具有潛力的調(diào)諧機(jī)制之一，因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：1）具有成熟的制備和加工工藝；2）在ENZ 波段具有較大可調(diào)諧范圍的介電常數(shù)；3）理論上有可能實(shí)現(xiàn)＞10 GHz 的調(diào)制速率。但目前也存在一定的問題需要克服：比如，較短的徳拜長度導(dǎo)致未能完全開發(fā)TCO 的調(diào)控潛力；同時為了避免絕緣層被擊穿導(dǎo)致大量電流泄露，只能盡量采用較小的有源區(qū)域（大約幾十微米）。盡管如此，基于TCO 的電調(diào)諧機(jī)制仍然在新型可調(diào)諧超構(gòu)表面器件方面具有巨大潛力。

1.1.2 基于石墨烯的電調(diào)諧超構(gòu)表面

石墨烯由呈蜂窩狀晶格排列的單層碳原子組成。與TCO 材料相比，石墨烯具有更高的載流子遷移率和光學(xué)透明度，并且具有更靈活的可調(diào)性、更好的魯棒性和環(huán)境穩(wěn)定性，這使其成為光子學(xué)和光電子學(xué)的絕佳材料。石墨烯的光學(xué)性能與其表面電導(dǎo)率密切相關(guān)：

式中，σs(ω)是石墨烯的表面電導(dǎo)率，ε0是真空介電常數(shù)，tg是石墨烯層的厚度。石墨烯的表面電導(dǎo)率源于帶間躍遷與帶內(nèi)躍遷的貢獻(xiàn)，與其化學(xué)勢或費(fèi)米能級EF的高低密切相關(guān)，這進(jìn)而決定了石墨烯的光學(xué)特性。本質(zhì)上，石墨烯的光學(xué)特性由其內(nèi)部載流子的濃度決定。在近紅外到可見光波段，石墨烯內(nèi)部主要以帶間躍遷為主（?ω＞2|EF|），表現(xiàn)為強(qiáng)烈的吸收損耗行為|Im（σ）/Re（σ）|＜1；在太赫茲到中紅外波段，石墨烯內(nèi)部主要以帶內(nèi)躍遷為主（?ω?2|EF|），表現(xiàn)為金屬的特性，可支持表面等離激元模式，具有更強(qiáng)的場束縛和更低的損耗Im（σ）/Re（σ）＞1［38］。因此，在太赫茲到中紅外波段，基于石墨烯的高性能表面等離激元納米器件具有非常廣闊的應(yīng)用前景［39-49］。

2011年，JU L 等通過施加電壓控制石墨烯的等離激元模式，在遠(yuǎn)紅外波段，演示了石墨烯的等離激元共振頻率藍(lán)移大約1 THz，相對透射率從7%增加到13%［39］。2018年，ZENG B 等將石墨烯與金納米天線結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種混合超構(gòu)表面空間光調(diào)制器。在8 μm 波長處，通過施加大約7 V 的柵極偏壓調(diào)節(jié)石墨烯層的電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了對反射光強(qiáng)度90%的調(diào)制深度和高達(dá)1 GHz 的調(diào)制速率［46］（如圖4（a））。此外，石墨烯在中紅外到太赫茲波段吸收較低，增強(qiáng)吸收可實(shí)現(xiàn)對光場強(qiáng)度的有效調(diào)控［47，50，51］。2018年，KIM S 等通過石墨烯的等離激元模式和金納米天線之間的臨界耦合實(shí)現(xiàn)了電調(diào)諧完美吸收。實(shí)驗(yàn)上，實(shí)現(xiàn)了7.2 μm 波長處高達(dá)96.9%的高吸收，對反射率的調(diào)制效果可達(dá)到95.9%［47］。除了對強(qiáng)度的動態(tài)調(diào)控，利用石墨烯實(shí)現(xiàn)對光場的相位調(diào)控也同樣具有潛力。2020年，HAN S 等將金屬光柵與石墨烯結(jié)合設(shè)計(jì)了一款可重構(gòu)反射型超構(gòu)表面。通過模擬改變費(fèi)米能級實(shí)現(xiàn)了360°的全相位調(diào)控［48］。2021年，SUN Z 等設(shè)計(jì)了銀開口環(huán)諧振器（Split-ring Resonator，SRR）與石墨烯構(gòu)成的超構(gòu)表面，施加60 V 的電壓，可以在中紅外波段內(nèi)產(chǎn)生超過330°的連續(xù)相位變化，實(shí)現(xiàn)了60°的光束偏轉(zhuǎn)和22%的平均效率（如圖4（b））。另外，他們還成功演示了焦距分別為10 mm、15 mm 和20 mm 的反射式聚焦透鏡［49］。

除了金屬表面等離激元模式之外，有些研究還探索了將石墨烯與其他電磁模式結(jié)合的效果。YAO Y等通過將石墨烯與介電層中的法布里-帕羅（Fabry-Pérot，F(xiàn)P）模式結(jié)合，通過施加80 V 的電壓在5～7 μm波段實(shí)現(xiàn)了反射率幾乎100%的調(diào)制深度，調(diào)制速率高達(dá)20 GHz［52］（如圖4（c））。

石墨烯與等離激元超構(gòu)表面結(jié)合已被證實(shí)是電調(diào)光的有力方案，能夠?qū)崿F(xiàn)對光場振幅、相位的靈活調(diào)控。與其他電調(diào)諧機(jī)制相比，由于石墨烯具有相當(dāng)高的載流子遷移率，其調(diào)制速率相對較高（目前理論值可達(dá)～50 GHz）。但是，石墨烯在短波長下具有較強(qiáng)的吸收損耗，以石墨烯為核心的結(jié)構(gòu)僅在中紅外到太赫茲波段具有良好的調(diào)諧性能。此外，由于石墨烯為單原子層，對結(jié)構(gòu)加工和表征也提出了相當(dāng)高的挑戰(zhàn)。盡管如此，隨著工業(yè)水平的不斷進(jìn)步，基于石墨烯的電調(diào)諧方案依然具有非?？捎^的前景。

1.1.3 基于過渡金屬二硫化物的電調(diào)諧超構(gòu)表面

TMDs 是另一種廣受關(guān)注的二維材料，其化學(xué)式為MX2，M 代表過渡金屬元素（如：Mo，W，Nb，Ti），X代表硫族元素（如：S，Se，Te）。當(dāng)向TMDs 中注入過量電子時，中性激子會在庫侖力的作用下與另一個電子結(jié)合產(chǎn)生帶負(fù)電的三激子（trions），進(jìn)而影響材料對光場的共振響應(yīng)。這種電子的摻雜方式可以通過光化學(xué)注入或電注入的方式實(shí)現(xiàn)。2018年，ZHANG X 等使用二硫化鉬（MoS2）對光子晶體的Fano 共振分別進(jìn)行了光化學(xué)調(diào)制和電調(diào)制。其中，光調(diào)制的方法是通過光子的注入來激發(fā)MoS2表面的O2和H2O 發(fā)生電離釋放電子并摻雜到MoS2層，從而使中性激子與自由電子相結(jié)合產(chǎn)生三激子，使光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；而電調(diào)制則是通過施加?xùn)艠O偏壓注入電子來實(shí)現(xiàn)激子之間的轉(zhuǎn)換。這兩種調(diào)制方法都可以將單層MoS2的復(fù)折射率的實(shí)部和虛部調(diào)節(jié)±0.2［53］（如圖5）。

為了實(shí)現(xiàn)電調(diào)光的效果，許多研究將金屬納米顆粒的局域表面等離激元共振和TMDs 的激子共振耦合，利用柵極偏壓注入載流子，展示了優(yōu)異的動態(tài)光場調(diào)控能力［54-57］。LEE B 等和LIU W 等分別利用MoS2和WS2與金屬納米天線結(jié)合，通過調(diào)節(jié)柵極偏壓導(dǎo)致激子與表面等離激元之間共振耦合的轉(zhuǎn)變［54，55］。2019年，NI P 等將MoS2與基于金光柵的間隙等離激元超構(gòu)表面結(jié)合，報(bào)道了一款柵極可調(diào)的發(fā)光超構(gòu)表面。當(dāng)施加正向偏壓時，界面處產(chǎn)生一定厚度的電子積累層，誘導(dǎo)激子轉(zhuǎn)變成帶負(fù)電的三激子；而在負(fù)偏壓時，電子的流失導(dǎo)致帶負(fù)電的三激子又轉(zhuǎn)變成中性激子。這個過程可以靈活改變超構(gòu)表面的光致發(fā)光特性［56］（如圖6（a））?；谙嗨频脑?，GROEP J 等利用電門控來改變激子狀態(tài)，在可見光波段演示了原子級厚度WS2圖案化波帶片透鏡，聚焦效率調(diào)制了33%。由于在電壓偏置時受離子液體的影響，調(diào)制速率被限制在～40 ms 左右［57］（如圖6（b））。

與石墨烯材料不同，由于不存在類似金屬的強(qiáng)吸收損耗，TMDs 的可調(diào)諧范圍能夠擴(kuò)展到可見光波段。但是，同樣受限于原子級單層二維材料的加工難度，并且TMDs 的光學(xué)性質(zhì)隨層數(shù)改變會發(fā)生很大變化，因此對材料的表征仍然具有很大的挑戰(zhàn)。盡管如此，這種新穎的調(diào)控方法仍然具有巨大的應(yīng)用前景和研究價(jià)值。

1.1.4 基于Ⅲ-V 族半導(dǎo)體與多量子阱的電調(diào)諧超構(gòu)表面

Ⅲ-V 族半導(dǎo)體材料的電調(diào)諧機(jī)理與TCO 材料類似。通過在Ⅲ-V 族半導(dǎo)體襯底上施加?xùn)艠O偏壓，可以在半導(dǎo)體層的界面附近產(chǎn)生厚度可調(diào)的電荷積累區(qū)，其介電常數(shù)可隨局部載流子濃度的改變而發(fā)生變化，相關(guān)調(diào)控多與金屬表面等離激元結(jié)合［58-61］。CHEN H T 等將金SRR 集成在GaAs 半導(dǎo)體襯底上，通過改變偏置電壓可以調(diào)節(jié)開口間隙附近GaAs 襯底的載流子密度，改變其介電常數(shù)，實(shí)驗(yàn)上演示了16 V 反向柵極偏壓下，在太赫茲波段50%的相對透射率調(diào)制［58］（如圖7（a））。隨后，他們的團(tuán)隊(duì)又利用相似的結(jié)構(gòu)制備了4×4 的像素矩陣。在0～14 V 的偏置電壓下，在0.36 THz 波段實(shí)現(xiàn)35%到50%范圍的幅度調(diào)制［60］（如圖7（b））。此外，PARK J 等將鋁光柵制作在外延生長的InAs 襯底上，通過電門控偏壓控制InAs 層內(nèi)載流子的變化，進(jìn)而導(dǎo)致輻射峰值的光譜偏移，可改變超構(gòu)表面的吸收和發(fā)熱特性，在中紅外波段實(shí)現(xiàn)了3.6%的輻射效率變化［61］。

基于半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)組成的多量子阱（Multiple Quantum Wells，MQWs），如InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs等結(jié)構(gòu)，在可見光到太赫茲波段的電調(diào)光應(yīng)用中有廣泛研究［62-64］。WU P C 等基于MQWs 開發(fā)了一種具有分布式布拉格反射器的有源介質(zhì)超構(gòu)表面，在915～920 nm 近紅外波段，系統(tǒng)折射率實(shí)部的調(diào)制范圍大約可達(dá)到0.01～0.05，并且在7 V 的偏壓下可以獲得高達(dá)270%的反射率調(diào)制以及0～70°的相位變化［62］（如圖8（a））。LEE J 等將MQWs 與等離激元共振結(jié)合，通過施加5 V 偏壓，在波長7 μm 實(shí)現(xiàn)了超過30%的吸收變化，實(shí)驗(yàn)觀察到了＜10 ns 的超快響應(yīng)速度［63］。BENZ A 等將量子阱的子帶間躍遷同光與物質(zhì)強(qiáng)耦合機(jī)制相結(jié)合，通過施加5 V 偏壓，在2.5 THz 實(shí)現(xiàn)了中心頻率移動＞8%線寬的調(diào)控［64］（如圖8（b））。

1.2 液晶調(diào)控方案

液晶作為一種工藝成熟且應(yīng)用廣泛的光學(xué)活性材料，具有折射率可調(diào)范圍大、傳輸效率高、功耗低、可集成性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在可調(diào)諧光學(xué)元器件中占據(jù)非常重要的地位［65］。

早期許多相關(guān)研究將向列型液晶與等離激元超構(gòu)表面結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對超構(gòu)表面靈活的動態(tài)調(diào)控［66-72］。BUCHNEV O 等使用向列型液晶和V 型金納米陣列組成結(jié)構(gòu)簡單的超構(gòu)表面，通過施加7 V 的電壓在波長1 550 nm 附近實(shí)現(xiàn)了50%的透射率調(diào)制［70］。由于液晶的表面錨定效應(yīng)會影響其動態(tài)響應(yīng)效果。隨后，他們巧妙地設(shè)計(jì)了一種向列型液晶和鋸齒形金納米陣列組成超構(gòu)表面，減小了液晶的表面錨定。實(shí)驗(yàn)上，他們利用1.5～2.7 V 的低調(diào)控電壓，使光譜偏移達(dá)到110 nm，并可以在2V 的電壓下產(chǎn)生π/4 的相位變化［71］（如圖9（a））。液晶內(nèi)分子的轉(zhuǎn)向除了會帶來折射率的變化，也可以對入射光的偏振方向帶來改變。XIE Z W等設(shè)計(jì)了向列型液晶/鋁光柵超構(gòu)表面，通過0～4 V 的電壓改變控制橫磁（Transverse Magnetic，TM）到橫電（Transverse Electric，TE）模式的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了反射結(jié)構(gòu)色的動態(tài)改變［72］（如圖9（b））。

為了提高光場調(diào)控能力，一些研究將液晶與全介質(zhì)超構(gòu)表面結(jié)合［73-76］。KOMAR A 等將液晶覆蓋在硅納米柱上，通過施加70 V 峰值電壓和1 kHz 的調(diào)控速率控制液晶的“開”和“關(guān)”，實(shí)現(xiàn)了50 nm 的光譜偏移和75%的絕對透射率調(diào)制，并產(chǎn)生了180°的相位調(diào)制［73］（如圖9（c））。在可見光波段，TiO2具有較大的帶隙能量（Eg≈3.2eV），材料吸收損耗較小。SUN M 等利用液晶覆于TiO2結(jié)構(gòu)上，在660～690 nm 波段，通過施加3～5 V 的偏置電壓實(shí)現(xiàn)65%的透射光調(diào)制［75］。LI S Q 等將液晶與TiO2介電超構(gòu)表面結(jié)合，構(gòu)建了一種透射型空間光調(diào)制器，該器件像素單元的尺寸約為1 μm，可以實(shí)現(xiàn)360°的相位調(diào)制，能夠以36%的效率實(shí)現(xiàn)22°的分立光束偏折［76］（如圖9（d））。

雖然液晶產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟，但是隨著精密光電器件的要求越來越高，液晶材料逐漸暴露了許多不足。液晶設(shè)備的響應(yīng)時間通常在數(shù)十毫秒，難以與一些快速響應(yīng)的光電器件相匹配。其次，由于液晶本身是大分子材料，其分子量可達(dá)到200～500 g/mol，目前報(bào)道的液晶超構(gòu)表面的電極間距和像素尺寸通常較大，難以達(dá)到亞波長量級。另外，液晶設(shè)備在耐受激光功率、自發(fā)熱效應(yīng)、光束偏轉(zhuǎn)速度、大角度偏轉(zhuǎn)效率等方面也仍然存在不足［11，12］。盡管如此，液晶無與倫比的調(diào)控能力仍然在動態(tài)有源光子器件的應(yīng)用中占據(jù)重要的地位，如何克服它的缺點(diǎn)值得不斷探索。

1.3 電光晶體調(diào)控方案

電光晶體是目前商用電光調(diào)制器的主要材料，它是一種具有電光效應(yīng)的功能型晶體。電光效應(yīng)是晶體折射率在外加電場的作用下發(fā)生改變的現(xiàn)象，其折射率和電場的關(guān)系可以表示為

其中等式右邊第一項(xiàng)n0是晶體未加電場時的折射率；第二項(xiàng)αE為線性電光效應(yīng)，也稱為Pockels 效應(yīng)；第三項(xiàng)βE2為二次電光效應(yīng)，也稱為Kerr 效應(yīng)；α、β是晶體一階、二階電光系數(shù)，與晶體本身屬性有關(guān)。一般來講，電光晶體的二次電光效應(yīng)以及更高階項(xiàng)遠(yuǎn)弱于線性電光效應(yīng)，因此通常所描述的電光效應(yīng)以Pockels 效應(yīng)為主。常見的電光晶體具有電光系數(shù)大、光學(xué)均勻性好、折射率高、性能穩(wěn)定、魯棒性好、損耗低、易加工等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)它們的晶體結(jié)構(gòu)和組分可以大致分為以下幾類：KDP 型（磷酸二氫鉀KH2PO4、磷酸二氘鉀KD2PO4、磷酸二氫銨NH4H2PO4、砷酸二氫鉀KH2AsO4等）；ABO3型（鈮酸鋰LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、鈦酸鋇BaTiO3、鈦酸鍶SrTiO3等）；AB 型（砷化鎵GaAs、磷化鎵GaP、硫化鋅ZnS、硫化鎘CdS 等）；其他晶體類型（一些組分比較復(fù)雜的復(fù)合型晶體如鉬酸釓Gd2（MoO4）3、草酸銨（NH4）2C2O·H2O、鈮鎂酸鉛—鈦酸鉛PMNPT 等）。其中，鈮酸鋰（LiNbO3，LN）無疑是應(yīng)用最廣的電光晶體。然而，傳統(tǒng)的LN 電光調(diào)制波導(dǎo)器件，大多數(shù)通過鈦擴(kuò)散等手段提高部分LN 的折射率而制成。這種方式形成的LN 波導(dǎo)折射率差小，對于光的限制較弱，因此光模場面積較大，電光重疊度低，導(dǎo)致基于LN 體材料的光波導(dǎo)器件尺寸大、集成度低，限制了其發(fā)展［77］。近些年，薄膜LN（絕緣體上鈮酸鋰，LNOI）的最新發(fā)展和商業(yè)化為實(shí)現(xiàn)片上集成光子器件開辟了一條新道路，在傳輸損耗、光學(xué)非線性和電光可調(diào)等方面具有前所未有的高性能［16，78-80］。然而，要想在微納尺度實(shí)現(xiàn)理想的電光調(diào)制效果，可能需要上千伏的高壓才能產(chǎn)生足夠的折射率變化，這對功耗和性能都帶來了負(fù)面影響。

為解決此問題，將電光晶體與超構(gòu)表面結(jié)合，利用亞波長結(jié)構(gòu)中局域電磁模式，增強(qiáng)光場的折射率變化響應(yīng)靈敏度，成為近年電光調(diào)控的重要路線。2021年，WEISS A 等將金納米顆粒置于LN 襯底上，使金納米顆粒的表面等離激元模式與LN 層作用。通過施加40 V 偏壓，在1 550 nm 波長處實(shí)現(xiàn)反射率40%的調(diào)制深度［81］（如圖10（a））。WEIGAND H 等在薄膜LN 上設(shè)計(jì)了硅納米柱陣列，陣列所引入的光學(xué)共振能夠帶來80 倍的場增強(qiáng)；通過施加小于1 V 的電壓，實(shí)現(xiàn)了10 Hz 到2.5 MHz 寬帶幅度調(diào)制［82］（如圖10（b））。GAO B等將薄膜LN 加工成二維介電光柵，通過斜入射光柵系統(tǒng)的對稱性獲得具有超高品質(zhì)因子的準(zhǔn)連續(xù)域束縛態(tài)（Bound States in the Continuum，BIC）模式，在±150 V 的電壓驅(qū)動下，獲得了大約47°的相位變化［83］（如圖10（c））。KLOPFER E 等將硅波導(dǎo)與薄膜LN 結(jié)合，在單個波導(dǎo)的長度方向上通過刻蝕小缺陷引入了品質(zhì)因子高達(dá)30 000 的Fano 共振。仿真模擬表明，±25 V 的偏置電壓下，能夠?qū)崿F(xiàn)0～360°的相位變化，并且反射率保持在90%以上［84］（如圖10（d））。

與前述其他的調(diào)控方式相比，在微納尺度使用電光晶體實(shí)現(xiàn)電調(diào)光的研究相對較少，這主要是因?yàn)榫w的薄膜加工技術(shù)在近些年才得到突破性的進(jìn)展，使得電光晶體與超構(gòu)表面結(jié)合成為可能。盡管如此，電光晶體材料仍然以非?？斓乃俣炔粩喔?。一些新興的電光晶體具有非常大的調(diào)控潛力，正在逐漸被發(fā)掘。比如某種合成的電光聚合物材料與硅波導(dǎo)組成的超構(gòu)表面預(yù)測可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)118 GHz 的調(diào)制速率［85］；最新報(bào)道的弛豫鐵電材料PMN-PT 測出了高達(dá)900 pm/V 的電光系數(shù)，是常規(guī)電光晶體的30 倍以上［86，87］。隨著電光晶體材料光學(xué)特性研究的不斷深入，這種調(diào)控方式將具有非常大的研究價(jià)值與應(yīng)用潛力。

1.4 MEMS 驅(qū)動的調(diào)控方案

在超構(gòu)表面的動態(tài)調(diào)控路線中，除了通過改變材料自身的光學(xué)特性之外，還可以通過改變外部的應(yīng)力來重新配置超構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)單元。MEMS 可以在微納尺度上通過外加電場、磁場、熱刺激等方式精準(zhǔn)地對目標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的外力（庫侖力、安培力等），通過打破超構(gòu)表面原本的力學(xué)平衡使其幾何形狀發(fā)生定量形變，從而對其光學(xué)響應(yīng)進(jìn)行精準(zhǔn)動態(tài)調(diào)控［17］。許多研究將電調(diào)諧MEMS 與超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)相結(jié)合，研究了從可見光到太赫茲波段的動態(tài)超構(gòu)表面［88-95］。

2018年，ARBABI E 等介紹了一種基于MEMS 的變焦超構(gòu)透鏡。該系統(tǒng)由一個固定的超構(gòu)表面和一個可移動的超構(gòu)表面組成。通過施加幾十伏的電壓，在兩個超構(gòu)表面間產(chǎn)生微米級的相對位移。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)超構(gòu)表面移動1 μm 時，焦點(diǎn)的偏移量可以達(dá)到約60 μm。使用三層超構(gòu)表面系統(tǒng)，可以在kHz 到MHz的運(yùn)行速度下實(shí)現(xiàn)40°左右的視野掃描［96］。ZHAO X 等設(shè)計(jì)了一款由微懸臂梁陣列組成的可重構(gòu)太赫茲四分之一波片。通過施加40 V 電壓驅(qū)動懸臂移動，在1 THz 附近觀察到34%的透射光幅度變化和85°的相位變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了從圓偏到線偏調(diào)制［97］。MANJAPPA M 等設(shè)計(jì)了一款由兩個SRR 組成的可重構(gòu)MEMS超構(gòu)表面。它們可以分別由兩個偏置電壓通道獨(dú)立控制超構(gòu)表面諧振器的面外不對稱性，激發(fā)Fano 共振。這種各向異性的變化導(dǎo)致系統(tǒng)的磁滯回效應(yīng)，允許通過兩個獨(dú)立控制的電輸入和一個太赫茲頻率的光學(xué)讀數(shù)執(zhí)行邏輯操作，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波段下“與”和“或”門邏輯運(yùn)算［98］（如圖11（a））。HOLSTEEN A L 等提出了一款多功能超構(gòu)表面，可以實(shí)現(xiàn)顏色控制、動態(tài)光束控制和可見光范圍內(nèi)的光聚焦控制。他們將Mie 型諧振器懸于絕緣襯底硅（Silicon on Insulator，SOI）之上，通過MEMS 進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)，在不同的電壓調(diào)控速率下實(shí)現(xiàn)了超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)色的轉(zhuǎn)變；在3.2 V 的電壓下實(shí)現(xiàn)了0～360°的相位調(diào)控以及2°～12°的光束偏轉(zhuǎn)；在600 nm 波長下，施加2.2 V 電壓，實(shí)現(xiàn)了焦距從26 um 到5 μm 的調(diào)節(jié)［99］（如圖11（b））。 ZHANG X 等提出一款基于焦平面開關(guān)陣列（Focal Plane Switch Array，F(xiàn)PSA）的超構(gòu)表面激光雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案。他們在1 cm2的SOI 材料上設(shè)計(jì)了128×128 的光柵型納米天線陣列，使用MEMS 進(jìn)行列與行的單獨(dú)選址控制，可以實(shí)現(xiàn)70°×70°的寬視場效果和0.6°×0.6°精細(xì)分辨率，并通過實(shí)驗(yàn)演示了激光雷達(dá)的測距和三維成像效果［100］（如圖11（c））。

MEMS 集成的動態(tài)超構(gòu)表面具有低功耗、調(diào)制范圍大以及從可見光到太赫茲全波段調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)動態(tài)光調(diào)制最有競爭力的方案之一。然而基于MEMS 的緊湊型光子器件在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與表征的過程中通常比較復(fù)雜，器件加工也極具挑戰(zhàn)，成本較高。此外，目前所報(bào)道的基于MEMS 的調(diào)制速率最高可以達(dá)到MHz，這與上述的基于載流子激發(fā)以及電光晶體所實(shí)現(xiàn)的調(diào)制速率（GHz）相比要慢許多，難以滿足一些高速應(yīng)用要求。盡管如此，隨著MEMS 技術(shù)的快速發(fā)展，基于MEMS 的有源超構(gòu)表面依然具有巨大的潛力，并非常有希望在可變焦透鏡、激光雷達(dá)、光子芯片、光電探測器等先進(jìn)光子器件中發(fā)揮重要作用。

2 總結(jié)與展望

眾多動態(tài)超構(gòu)表面的不斷發(fā)展正推動著下一代可調(diào)諧光學(xué)元件的變革。本文根據(jù)調(diào)控機(jī)制將電調(diào)諧超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)路線分為電控載流子激發(fā)、液晶調(diào)控、電光晶體調(diào)控以及MEMS 驅(qū)動四個方向，它們依托于各自的優(yōu)勢在過去的十幾年里蓬勃發(fā)展并衍生出了許多不同的設(shè)計(jì)方案。借助于超構(gòu)表面獨(dú)特的電磁場局域模式，各個設(shè)計(jì)方案都在向著360°的全相位調(diào)控以及更大的調(diào)制深度不斷探索。然而，這些設(shè)計(jì)方案之間并不是簡單的替代關(guān)系，而是面向不同的應(yīng)用環(huán)境，可以根據(jù)各自的特點(diǎn)相互補(bǔ)充。比如在可見光到太赫茲的調(diào)控波段內(nèi)，TCO、TMDs 以及液晶調(diào)控主要應(yīng)用在可見光到近紅外的波段范圍。而石墨烯調(diào)控、Ⅲ-V 族半導(dǎo)體與多量子阱調(diào)控主要面向中紅外到太赫茲波段的應(yīng)用。在調(diào)制速率方面，基于載流子激發(fā)原理的調(diào)控方案憑借著載流子遷移速度快的優(yōu)勢基本上可以達(dá)到GHz 的調(diào)制速率，可以面向許多高速響應(yīng)的應(yīng)用。而液晶調(diào)控與MEMS 調(diào)控受限于自身響應(yīng)的滯后性，其調(diào)制速率分別只能達(dá)到KHz 以及MHz。但它們憑借著自身的穩(wěn)定性以及成熟的工藝技術(shù)，已經(jīng)成功的實(shí)現(xiàn)了許多低響應(yīng)速度的應(yīng)用。

值得一提的是，電光晶體調(diào)控可以覆蓋可見光到太赫茲的全波段范圍，并且可以具有GHz 以上的超高調(diào)制速率，在眾多調(diào)制方案中嶄露頭角。但電光晶體受制于加工工藝以及薄膜化產(chǎn)業(yè)不夠成熟，基于電光晶體的超構(gòu)表面設(shè)計(jì)起步較晚，目前相關(guān)的研究還比較少。同時，由于在微納尺度下的電光效應(yīng)很弱，帶來了調(diào)制深度與功耗之間的矛盾，這對超構(gòu)表面的設(shè)計(jì)提出了更高的挑戰(zhàn)。盡管如此，作為傳統(tǒng)電光調(diào)制器的主導(dǎo)材料，基于電光晶體的動態(tài)超構(gòu)表面設(shè)計(jì)仍然潛力巨大。

隨著工業(yè)4.0 的深入推進(jìn)，許多技術(shù)應(yīng)用對易于集成的可調(diào)諧光學(xué)元件將會有更大的需求。其中包括各種可穿戴設(shè)備、自動駕駛、機(jī)器人、增強(qiáng)和虛擬現(xiàn)實(shí)、通信、傳感、成像和顯示技術(shù)等［101-104］。電調(diào)超構(gòu)表面技術(shù)與半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的結(jié)合有希望在這些技術(shù)的變革升級中發(fā)揮重要的作用。許多新穎的調(diào)控方式正在不斷誕生，比如通過深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的可編程超構(gòu)表面［105，106］，以及通過腦電波無線遠(yuǎn)程操控超構(gòu)表面［107，108］等等。然而，可調(diào)諧超構(gòu)表面技術(shù)目前各自存在著不同的優(yōu)勢和劣勢，盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了許多出色的應(yīng)用，但還沒有某一種完美的調(diào)諧方法可以在各個指標(biāo)上都滿足這些更高級的工業(yè)化應(yīng)用需求。可調(diào)諧超表面的研究僅僅發(fā)展了十幾年，仍然有巨大的研究潛力值得去探索。比如推動微納加工技術(shù)的升級、研究新的活性材料以及新的調(diào)控方法，或者將多種調(diào)控方案結(jié)合使其優(yōu)勢互補(bǔ)，構(gòu)建復(fù)合型可調(diào)諧超構(gòu)表面。盡管實(shí)現(xiàn)動態(tài)超構(gòu)表面的工業(yè)級應(yīng)用相當(dāng)充滿挑戰(zhàn)，我們?nèi)匀豢梢灶A(yù)見，未來可調(diào)諧超構(gòu)表面的研究將會在跨領(lǐng)域、多學(xué)科的協(xié)調(diào)努力下高速發(fā)展，并能夠成為推動小型化、集成化新型光電器件應(yīng)用的重要力量。