集成超构表面重塑颠覆性光学平台综述

超构表面（Metasurfaces），一种亚波长人工结构的二维（2D）阵列，已作为传统的折射光学元件（ROE）和衍射光学元件（DOE）的替代技术而兴起，它们能够以紧凑的外形尺寸任意操纵出射光。

例如，超构表面能够为高端成像应用提供像差校正和衍射极限分辨率。此外，偏振选择性焦点和边缘探测已经通过单片超构透镜输出光的空间工程偏振轮廓得到证明。类似地，超构表面还展示了各种前所未有的光学特性，例如通过利用大量轨道角动量（OAM）对视频进行重新编码，在高数值孔径（NA）以接近一致的效率聚焦，以及在三维（3D）空间中创建任意偏振态。

这些复杂的光学响应通过精心设计的人工结构和精确纳米制造而实现，为构建具有紧凑尺寸的高端光学器件开辟了新的自由度。

近些年，通过将超构表面与发光二极管（LED）、OLED、垂直腔面发射激光器（VCSEL）、电荷耦合器件（CCD）、微机电系统（MEMS）、液晶（LC）、波导、光纤甚至是传统ROE等组件集成，超构表面的研究正在走向商业化。

通过将超构表面与这些光学组件集成，接收器/发射器的性能得到了改善，实现了更好的接收/发射效率。可调谐元件则为可重构电磁波操纵提供了一种有效的方法。此外，通过对输入耦合器、输出耦合器和ROE的光学表面进行工程设计，可以精确地控制波前和色散。这些尝试证实，超构表面可以通过集成其它标准光学组件引入现有设备。此外，现有研究还指出了基于超构表面构建实际应用结构的多种可能方案。

据麦姆斯咨询介绍，为了推动超构表面集成光学系统的应用，有必要对集成超构表面进行综述，为指导高端光学元件和超构表面的整合铺平道路。在此背景下，韩国浦项科技大学的研究人员近期在Light: Science & Applications volume期刊上发表了一篇综述文章，介绍了与发射器、接收器、MEMS、LC、加热器、ROE、平面波导和光纤等标准光学元件整合的集成超构表面。这篇综述涵盖了在实际光子系统中使用的多种超构表面组件。此外，在综述的后半部分，研究人员讨论了超构表面集成光子平台的最新发展，包括虚拟/增强现实（VR/AR）、激光雷达（LiDAR）以及光子传感器。最后，研究人员还展望了超构表面集成光学元件需要克服的主要挑战。

超构表面集成的总体概念及其有前景的应用

基于超构表面的光学系统通过提供高分辨率接收器、偏振控制单光子发射器和可调谐波前控制器取得了巨大成功。通过整合经典光学元件，平面波导、光纤和ROE的性能得到了扩展。此外，复合超构表面提供了空间波前控制、高端光学安全和偏振分析仪等。

超构表面与发射器/接收器集成

超构表面集成光发射器用于提高效率（a~c）和波前整形（d~f）

超构表面集成接收器用于提高效率（a和b）、选择性光电检测（c）、波前分选（d和e）以及增强视场（FoV）（f）

超构表面与电调谐元件集成

MEMS集成超构表面用于MEMS驱动的超构透镜（a和b）、光束转向器（c）以及结构色像素（d和e）

超构表面与传统光学元件集成

随着市场对高端激光雷达（LiDAR）和VR/AR技术的需求增长，其光学系统采用了透镜、波导和光纤等一系列光学组件。超构表面可以提供改进的功能，同时减少这些光学组件的尺寸和重量。此外，超构表面的应用已经扩展到了光通信和计算领域，凭借其在高密度集成和减少发热方面的前景而备受关注。

超构表面集成平面波导用于结构光（a~c）、解复用（d和e）以及二极管（f）

超构表面集成可穿戴显示系统用于VR/AR

超构表面集成激光雷达

然而，超构表面光学系统的商业化仍然面临三个主要挑战。一般来说，超构表面大多采用CMOS工艺制造，许多研究人员认为，为商业设备引入超构表面，CMOS工艺有利于商业化。然而，这对于注塑成型或铣削等光学模块制造工艺来说通常是不可行的。此外，CMOS工艺的成本相比ROE和DOE的生产方法更高，增加了超构表面集成光学平台的总生产成本。

另一个挑战与超构表面的低效率有关。尽管超构表面的效率在单一波长下可以达到90%以上，但在可见光下，消色差超构透镜的效率（40%）仍然低于传统ROE（>95%，Thorlabs，消色差双合透镜）。由于整个光学系统的效率受限于其光学组件的最低效率，因此超构表面不适合于需要高效光操纵的应用。

第三个挑战在于超构表面的量化方法。与传统ROE和DOE相比，超构表面量化方法尚未统一。例如，就超构透镜而言，各个小组定义了不同的效率定义，并使用了不同的测量系统。因此，不同的品质因数不仅使超构表面之间难以比较，而且当光学系统与超构表面集成时，也使它们无法与其它传统光学系统进行比较。

尽管存在这些挑战，但我们相信超构表面仍将是未来光学平台设计的重要组成部分，例如汽车环境感知传感器、可穿戴设备显示器以及用于精确诊断的医疗保健监视器等。其纳米制造方法经过发展已经与先进的光学材料更兼容，并且其效率正随着光学材料的带隙工程而不断提高。

例如，颗粒嵌入树脂和大面积、低损耗介电沉积方法最近被证明可用于超构表面制造，以接近一致的效率实现了大面积超构表面的低成本生产。这些方法实现了具有成本效益的超构表面制造，其生产成本将匹配传统ROE和DOE。

此外，最近有报道提出了超构表面的统一量化方法，研究人员认为超构表面集成光学器件将是构建光子学平台的一个很有前途的选择，推动超构表面集成光子学在日常生活中获得广泛应用。

超构表面已经证明能够为操纵电磁波提供一种有效且可行的途径，同时，业界对紧凑尺寸和极致光操纵的需求也在增加。为了将超构表面引入实际应用，应该将超构表面与过渡组件集成，而不是与传统光学系统直接竞争。

审核编辑：刘清