基于硅-有機(jī)電光可調(diào)諧超構(gòu)表面的動態(tài)光場調(diào)控工作原理

有源超構(gòu)表面（metasurface）為光的快速時(shí)空調(diào)控提供了機(jī)會。在各種調(diào)諧方法中，有機(jī)電光（OEO）材料由于其速度快、非線性大以及使用基于浸潤的制造技術(shù)的可能性而具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）的科研團(tuán)隊(duì)在Nature Communications發(fā)表了題為“Dynamic light manipulation via silicon-organic slot metasurfaces”的論文，提出將基于狹縫模式（slot-mode）諧振的高Q超構(gòu)表面與有機(jī)電光材料實(shí)現(xiàn)的獨(dú)特納米制造技術(shù)相結(jié)合，從而顯著降低了工作電壓。該硅-有機(jī)電光可調(diào)諧超構(gòu)表面器件具有3 MHz的3 dB帶寬，最大調(diào)諧靈敏度為0.16 nm/V，在電信波長下±17 V電壓范圍內(nèi)最大消光比為38%。本研究的成果為在CMOS級電壓下實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧硅-有機(jī)混合超構(gòu)表面提供了一條途徑。

本文提出的硅-有機(jī)電光可調(diào)諧超構(gòu)表面及其工作原理示意圖如圖1所示。一束光入射到由硅納米棒（nano-bars）構(gòu)成的超構(gòu)表面上。該光束被耦合到超構(gòu)表面內(nèi)部的slot mode中，這種超構(gòu)表面對狹縫中的任何折射率擾動都很敏感。有機(jī)電光材料被涂覆在超構(gòu)表面的頂部，并填充硅納米棒之間的狹縫波導(dǎo)。狹縫內(nèi)的有機(jī)分子與電極產(chǎn)生的直流/射頻（DC/RF）場對齊。當(dāng)RF偏置電壓施加在電極上時(shí)，電光（Pockels）效應(yīng)將產(chǎn)生折射率調(diào)制。因此，反射光束的強(qiáng)度將相應(yīng)地被調(diào)制。

圖1 硅-有機(jī)電光可調(diào)諧超構(gòu)表面的概念示意圖

接著，研究人員通過數(shù)值方法展示了所選模式相比結(jié)構(gòu)中其它支持模式的優(yōu)勢。示例器件的詳細(xì)示意圖、俯視圖和橫截面圖如圖2a所示，其中三種不同的顏色（灰色、藍(lán)色、綠色）表示不同的材料（硅、二氧化硅、有機(jī)電光材料或HLD）。圖2b顯示了在電極上施加DC偏置電壓時(shí)的極化場分布。圖2c-2e顯示了源自器件不同部分的三個(gè)橫截面光學(xué)模式分布（Mode I、II、III），其中Mode I是slot mode。在相同的偏置電壓下，slot mode具有最大的諧振偏移，如圖2f–2h中的模擬結(jié)果所示。因此，slot mode對于硅-有機(jī)超構(gòu)表面的低電壓調(diào)制至關(guān)重要。

圖2 slot mode諧振在有機(jī)電光調(diào)制器中的優(yōu)勢

研究人員在絕緣體上硅（SOI）晶圓上通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了上述討論的器件設(shè)計(jì)理念。器件的橫截面、俯視圖和電壓設(shè)置如圖3a、3b所示。器件的尺寸為80?μm×?100 μm（圖3e）。如圖3f所示，多個(gè)器件被制造在一塊芯片上，以提高制造誤差的容差，并測試多個(gè)幾何參數(shù)。在涂覆有機(jī)電光材料后，將器件引線鍵合到定制的印刷電路板上進(jìn)行極化和運(yùn)行，如圖3g所示。

圖3 電光自由空間調(diào)制器

為了通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證slot mode的諧振光學(xué)特性與器件幾何形狀之間的關(guān)系，研究人員制造了多個(gè)具有不同設(shè)計(jì)參數(shù)的器件，并將其測量的光學(xué)特性與相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了比較。圖4顯示了不同幾何形狀的slot mode諧振的計(jì)算和測量光譜。

圖4 Slot mode諧振特性

器件在DC偏置電壓下的運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。圖5a-5c顯示了3個(gè)不同器件在最大偏置電壓下介質(zhì)擊穿前的結(jié)果。擊穿電壓的變化是由于有機(jī)電光材料制備和器件制造的質(zhì)量不同而導(dǎo)致的。圖5a中的器件的交流（AC）調(diào)諧特性被測試，結(jié)果如圖6a所示。

圖5 器件的DC調(diào)諧特性

圖6 器件的AC調(diào)諧特性和電路模型

綜上所述，這項(xiàng)研究提出了一種用于自由空間調(diào)制的硅-有機(jī)超構(gòu)表面，其工作電壓降低至±17 V。所提出的slot mode結(jié)合了兩個(gè)電極之間的距離短和與有機(jī)電光材料重疊度大的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)諧靈敏度Sabs?=?0.161 nm/V，與現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)相比，其靈敏度提高了1.6倍。硅-有機(jī)超構(gòu)表面具有高達(dá)3 MHz的帶寬。slot mode的使用并不局限于電光系統(tǒng)。所提出的設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用于對低折射率介質(zhì)中的擾動靈敏度至關(guān)重要的任何系統(tǒng)。

總之，這項(xiàng)研究提出了一種使用硅-有機(jī)平臺的低電壓幅值調(diào)制器。slot mode超構(gòu)表面有望實(shí)現(xiàn)高速和低電壓光開關(guān)、傳感和調(diào)諧，適用于可見光無線通信（LiFi）、激光雷達(dá)（LiDAR）、空間光調(diào)制器和量子光通信等眾多應(yīng)用。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45544-0