【資訊】光電超表面-空間光調制器| Science

更新時間：2025-01-26

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　　超表面Metasurfaces是超薄光學元件，通常由有效散射、吸收或發射光的亞波長納米結構密集陣列組成。最初是作為無源器件開發的，現在正在努力開發具有有源光學功能的超表面。

　　該項綜述回顧了基于超表面光電器件的技術現狀，突出了關鍵成就、基本原理和未來技術挑戰。還討論了用于超表面制造、材料選擇、與電子設備的協同設計，以及設備集成的各種策略，所有這些都是超表面技術商業化的關鍵步驟。

　　通過納米級調控光波，超表面Metasurfaces，為光子學設計帶來了新的機遇。這些人工結構層，主要用于調控光的相位、振幅和偏振，從而無源地操縱光的流動。同時，超表面也可以動態地調制這些參數，并操縱基本的光吸收和發射過程。

　　這些有價值的特性，可將超表面應用領域拓展到芯片級光電子學，以及概念上的新量子光源、顯示器、空間光調制器、光電探測器、太陽能電池和成像系統。在材料和器件與現有技術集成方面，也出現了新的機遇和挑戰。

　　近日，新加坡科技研究局(A*STAR)Son Tung Ha，Arseniy I. Kuznetsov等，美國斯坦福大學(Stanford University)Qitong Li，Mark L. Brongersma等，在Science上發表綜述文章，旨在鞏固當前的研究前景，并提供光電器件特定的超表面特征，為學術界和工業界未來的研究和開發工作，提供新的方向。光電超材料器件

　　超表面Metasurfaces，是亞波長納米結構的薄平面陣列，改變了調控光流動的方式。最近研究突破，已經將超表面能力拓展到無源操縱之外，實現了動態調控光的發射、吸收和調制過程。融合超表面與光電器件(如發光二極管(LED)、激光器、調制器和光電探測器)，超材料器件metadevices 正在出現，提供關鍵性能和全新功能。這為增強現實augmented reality (AR) 和虛擬現實virtual reality (VR) 系統、光通信、智能熱管理、計算成像、太陽能采集和量子技術等應用，帶來了令人興奮的機會。隨著超表面MetaSurface技術的成熟，并與光電子學集成，有望在先進光電子器件的發展中，發揮日益突出的作用。

　　這一綜述討論了最新的研究進展，新興的機遇，以及將超表面集成到光電器件中的持續挑戰。通過將傳統光電器件內的金屬、半導體和絕緣層圖案化成納米結構，可以利用超表面光學諧振。以提高性能。還開啟了新機會，即設備中的納米結構，可以同時執行重要的光學、電子、力學和熱功能。為此，探索如何將這些概念，應用于實現光發射、調制和檢測等概念的新光電器件。

　　光電超材料器件

　　圖1. 不同類型的光電超材料器件和啟用功能。

　　圖2. 在光電器件中，金屬和半導體納米結構的多重作用。

　　圖3. 基于超表面的LED設備和顯示器。

　　圖4:基于超表面的激光器。

　　圖5. 可調諧超表面器件及其應用的示例。

　　圖6:基于超表面的光電探測器和太陽能電池。

　　在發光二極管LED中，超表面已用于增強發射體的輻射衰減，從而導致更高的量子產率和更長的器件壽命。某些光學信道的外部耦合能力進一步促進了方向性、光譜和偏振控制，并且提高了提取效率。超表面增強激光器豐富了諧振腔設計原理，拓寬了可獲得的物理學領域。在光束質量、發射控制和偏振選擇性方面，已經證明了顯著的提升。這些對于光通信、精密傳感和計算成像應用，是至關重要的。此外，超表面已用于光學調制器，以顯著增強通常較弱的電光效應，從而在較小的覆蓋區中，實現更快的相位和幅度調制，以促進AR/VR、LIDAR(光探測和測距)和全息顯示器的更高空間分辨率。光電探測器也受益于超表面集成。可以過濾或選擇性地吸收特定光學模式的光子，因此不僅可以捕獲強度，還可以捕獲復雜的光場信息，包括入射光的光譜、相位和偏振特性。這種能力，已經促進了成像系統的進步，特別是在基于硬件的圖像處理和光學計算。此外，超表面，還可以在超薄柔性太陽能電池上形成圖案，通過提供有價值的抗反射和光捕獲功能，以提高太陽能電池的能量轉換效率。

　　展望未來

　　通過實現超緊湊、高效和多功能系統，將超表面集成到光電器件中，為推進未來技術帶來了相當大的希望。然而，為了充分實現這一優勢，協同設計方法，是至關重要的，確保光子和電子功能，同時得以優化。實現納米級光控制和高效電子操作(如電荷注入和熱管理)之間平衡，仍然是主要挑戰。超材料器件的設計，必須考慮材料兼容性和超表面相對于有源電子層的戰略布局。此外，工業標準兼容的大規模制造技術，對于將超材料技術過渡到商業應用，是至關重要的。

　　隨著超材料領域的進步，光子、電子、材料科學和制造業之間的跨學科合作，將是克服這些挑戰并釋放基于超表面的光電器件在實際應用中全部潛力的關鍵所在。

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　　參考文獻：中國光學期刊網

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