基于硅-有机电光可调谐超构表面的动态光场调控工作原理

有源超构表面（metasurface）为光的快速时空调控提供了机会。在各种调谐方法中，有机电光（OEO）材料由于其速度快、非线性大以及使用基于浸润的制造技术的可能性而具有一些独特的优势。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州理工学院（California Institute of Technology）的科研团队在Nature Communications发表了题为“Dynamic light manipulation via silicon-organic slot metasurfaces”的论文，提出将基于狭缝模式（slot-mode）谐振的高Q超构表面与有机电光材料实现的独特纳米制造技术相结合，从而显著降低了工作电压。该硅-有机电光可调谐超构表面器件具有3 MHz的3 dB带宽，最大调谐灵敏度为0.16 nm/V，在电信波长下±17 V电压范围内最大消光比为38%。本研究的成果为在CMOS级电压下实现可调谐硅-有机混合超构表面提供了一条途径。

本文提出的硅-有机电光可调谐超构表面及其工作原理示意图如图1所示。一束光入射到由硅纳米棒（nano-bars）构成的超构表面上。该光束被耦合到超构表面内部的slot mode中，这种超构表面对狭缝中的任何折射率扰动都很敏感。有机电光材料被涂覆在超构表面的顶部，并填充硅纳米棒之间的狭缝波导。狭缝内的有机分子与电极产生的直流/射频（DC/RF）场对齐。当RF偏置电压施加在电极上时，电光（Pockels）效应将产生折射率调制。因此，反射光束的强度将相应地被调制。

图1 硅-有机电光可调谐超构表面的概念示意图

接着，研究人员通过数值方法展示了所选模式相比结构中其它支持模式的优势。示例器件的详细示意图、俯视图和横截面图如图2a所示，其中三种不同的颜色（灰色、蓝色、绿色）表示不同的材料（硅、二氧化硅、有机电光材料或HLD）。图2b显示了在电极上施加DC偏置电压时的极化场分布。图2c-2e显示了源自器件不同部分的三个横截面光学模式分布（Mode I、II、III），其中Mode I是slot mode。在相同的偏置电压下，slot mode具有最大的谐振偏移，如图2f–2h中的模拟结果所示。因此，slot mode对于硅-有机超构表面的低电压调制至关重要。

图2 slot mode谐振在有机电光调制器中的优势

研究人员在绝缘体上硅（SOI）晶圆上通过实验实现了上述讨论的器件设计理念。器件的横截面、俯视图和电压设置如图3a、3b所示。器件的尺寸为80 μm× 100 μm（图3e）。如图3f所示，多个器件被制造在一块芯片上，以提高制造误差的容差，并测试多个几何参数。在涂覆有机电光材料后，将器件引线键合到定制的印刷电路板上进行极化和运行，如图3g所示。

图3 电光自由空间调制器

为了通过实验验证slot mode的谐振光学特性与器件几何形状之间的关系，研究人员制造了多个具有不同设计参数的器件，并将其测量的光学特性与相应的数值计算进行了比较。图4显示了不同几何形状的slot mode谐振的计算和测量光谱。

图4 Slot mode谐振特性

器件在DC偏置电压下的运行结果如图5所示。图5a-5c显示了3个不同器件在最大偏置电压下介质击穿前的结果。击穿电压的变化是由于有机电光材料制备和器件制造的质量不同而导致的。图5a中的器件的交流（AC）调谐特性被测试，结果如图6a所示。

图5 器件的DC调谐特性

图6 器件的AC调谐特性和电路模型

综上所述，这项研究提出了一种用于自由空间调制的硅-有机超构表面，其工作电压降低至±17 V。所提出的slot mode结合了两个电极之间的距离短和与有机电光材料重叠度大的优点，实现了调谐灵敏度Sabs = 0.161 nm/V，与现有先进技术相比，其灵敏度提高了1.6倍。硅-有机超构表面具有高达3 MHz的带宽。slot mode的使用并不局限于电光系统。所提出的设计方法可以应用于对低折射率介质中的扰动灵敏度至关重要的任何系统。

总之，这项研究提出了一种使用硅-有机平台的低电压幅值调制器。slot mode超构表面有望实现高速和低电压光开关、传感和调谐，适用于可见光无线通信（LiFi）、激光雷达（LiDAR）、空间光调制器和量子光通信等众多应用。

论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45544-0

审核编辑：刘清