過去十幾年，以微納結構為基礎的超構表面在光場調控方面表現出顯著的優越性，已經被證明是調製電磁波基本特性的有力平台。這些平面光學元件可以將電磁能量局域在亞波長尺度，增強光與物質相互作用，從而對光場的振幅、相位、偏振等信息進行全方位調控，為先進光子器件的集成化與小型化發展提供新思路。然而，大多數超構表面器件都是靜態的，一經加工其光學響應就無法改變。因此，如何實現動態光場調控將成為推動超構表面實際應用的關鍵。
目前，動態超構表面的設計路線大致包含三種：1）通過外部激勵改變結構的光學響應，如電激勵、磁激勵、光激勵、化學反應和熱激勵等；2）使用特殊的活性材料，如液晶、相變材料和功能晶體等；3）施加外力使結構發生形變，如微機電系統（MEMS）、柔性拉伸材料等。這些調控方案可以使超構表面結構對入射光場表現出靈活的動態響應。其中，電調諧的方法更容易與成熟的光電器件集成，在眾多的調諧機制中脫穎而出。基於一些特殊材料對電場具有不同的響應機制，電調諧動態超構表面的設計發展出了許多技術路線，例如使用液晶材料、透明導電氧化物（Transparent Conducting Oxide，TCO）、石墨烯、III-V族半導體材料、過渡金屬二硫化物（Transition Metal Dichalcogenide，TMD）材料、電光晶體（Electric Optical Crystal，EO-crystal）等。
據麥姆斯諮詢報道，近期，西安交通大學電子學院的研究人員在《光子學報》期刊上發表了題為“電調超構表面研究進展”的綜述文章，對近年來電調諧動態超構表面進行分類匯總，將目前主要的調諧機制分為電控載流子激發、液晶調控、MEMS驅動以及電光晶體四個設計方案，總結了不同方案的物理機制、調諧方法、研究現狀以及發展趨勢。旨在對這個迅速發展的領域進行系統性歸納總結，促進基於超構表面的納米光子器件的研究發展與應用。
電調超構表面的設計方案
近年來，動態超構表面的光場調控研究熱度逐年增加（如圖1）。超構表面的動態調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表面的幾何結構。
圖1 Web of Science近十年收錄的動態超構表面文章數量。檢索關鍵詞：可調/動態/可重構/有源超構表面
電控載流子調控方案
基於TCO材料的電調諧超構表面
通過外加電場改變導電材料中自由載流子的濃度是電調光中最常見的方法之一。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（Epsilon Near Zero，ENZ）點。
2016年，HUANG Y W等設計了金光柵-ITO層-絕緣層-金襯底結構，使用4V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；並利用2.5V的偏壓產生了180°的相位偏移，實現反射光在±1級衍射之間切換，調製速率可達10MHz （如圖2（a））。2020年，SHIRMANESH G K等利用ITO和金納米天線設計了一款可編程的超構表面多功能微控制器。在波長1522nm附近實現了>270°的相位調製，並實現了23.5°的光束偏轉和1.5~3μm的焦距調控。2021年，PARK J等在金光柵和鋁襯底之間引入ITO層，設計了550個可單獨尋址的諧振器構成超構表面，實現了0~360°的相位調控，調製速率理論可達到5.4MHz，並在4.7m的距離內實現了三維深度掃描（如圖2（b））。
圖2 ITO材料與金屬結構結合的電調諧超構表面
基於TCO材料的電光調控主要限制是光學性能的變化僅僅發生在電荷積累層附近，該厚度通常僅有1~2nm，稱為徳拜長度。因此，拓展徳拜長度可以進一步提高ITO的光學響應靈敏度。2018年，SHIRMANESH G K等應用雙門控電路設計了鋁納米天線-絕緣層-ITO層-絕緣層-金屬襯底結構，兩個獨立的電壓控制通道串聯連接。施加6.5V偏壓，該結構可在波長1550nm附近實現>300°的反射相位調製以及89%的相對反射率調製（如圖3（a））。
圖3 雙門控ITO超構表面以及ITO材料與介電材料結合的電調諧超構表面
金屬固有的寄生損耗和較弱的光與物質相互作用是限制這種調控方式的另一個因素。與金屬表面等離激元模式相比，高折射率介質材料可以支持更強的局域電磁模式，具有更多的調控自由度和更低的吸收損耗。因此，將ITO與全介質超構表面結合是另一條重要路線。2018年，HOWES A等報道了一種電調諧全介質惠更斯超構表面，該結構由頂部塗敷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生在ITO的ENZ波段，通過電調諧改變ITO層內的局部電場，實現了31%的透射率調控，並演示了26°左右的光束偏轉（如圖3（b））。
除了ITO之外，其他TCO材料也同樣具有電調諧的潛力，如摻鋁氧化鋅（Alumium-doped Zinc Oxide，AZO）、氧化銦（In2O3）、氧化銦硅（Indium Silicon Oxide，ISO）等。
基於石墨烯的電調諧超構表面
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透明度，並且具有更靈活的可調性、更好的魯棒性和環境穩定性，這使其成為光子學和光電子學的絕佳材料。
2018年，ZENG B等將石墨烯與金納米天線結合，實現了一種混合超構表面空間光調製器。在8μm波長處，通過施加大約7V的柵極偏壓調節石墨烯層的電導率，實現了對反射光強度90%的調製深度和高達1GHz的調製速率（如圖4（a））。此外，石墨烯在中紅外到太赫茲波段吸收較低，增強吸收可實現對光場強度的有效調控。2021年，SUN Z等設計了銀開口環諧振器（Split-ring Resonator， SRR）與石墨烯構成的超構表面，施加60V的電壓，可以在中紅外波段內產生超過330°的連續相位變化，實現了60°的光束偏轉和22%的平均效率（如圖4（b））。
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，FP）模式結合，通過施加80V的電壓在5~7μm波段實現了反射率幾乎100%的調製深度，調製速率高達20GHz （如圖4（c））。
圖4 基於石墨烯的電調諧超構表面
基於過渡金屬二硫化物的電調諧超構表面
TMDs是另一種廣受關注的二維材料。
為了實現電調光的效果，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，展示了優異的動態光場調控能力。LEE B等和LIU W等分別利用MoS2和WS2與金屬納米天線結合，通過調節柵極偏壓導致激子與表面等離激元之間共振耦合的轉變。2019年，NI P等將MoS2與基於金光柵的間隙等離激元超構表面結合，報道了一款柵極可調的發光超構表面。當施加正向偏壓時，界面處產生一定厚度的電子積累層，誘導激子轉變成帶負電的三激子；而在負偏壓時，電子的流失導致帶負電的三激子又轉變成中性激子。這個過程可以靈活改變超構表面的光致發光特性（如圖5（a））。基於相似的原理，GROEP J等利用電門控來改變激子狀態，在可見光波段演示了原子級厚度WS2圖案化波帶片透鏡，聚焦效率調製了33%。由於在電壓偏置時受離子液體的影響，調製速率被限制在~40ms左右（如圖5（b））。
圖5 TMDs與金屬結構結合的電調諧超構表面
基於Ⅲ-V族半導體與多量子阱的電調諧超構表面
Ⅲ-V族半導體材料的電調諧機理與TCO材料類似。通過在Ⅲ-V族半導體襯底上施加柵極偏壓，可以在半導體層的界面附近產生厚度可調的電荷積累區，其介電常數可隨局部載流子濃度的改變而發生變化，相關調控多與金屬表面等離激元結合。
CHENHT等將金SRR集成在GaAs半導體襯底上，通過改變偏置電壓可以調節開口間隙附近GaAs襯底的載流子密度，改變其介電常數，實驗上演示了16V反向柵極偏壓下，在太赫茲波段50%的相對透射率調製（如圖6（a））。隨後，他們的團隊又利用相似的結構製備了4×4的像素矩陣。在0~14V的偏置電壓下，在0.36THz波段實現35%到50%範圍的幅度調製（如圖6（b））。此外，PARK J等將鋁光柵製作在外延生長的InAs襯底上，通過電門控偏壓控制InAs層內載流子的變化，進而導致輻射峰值的光譜偏移，可改變超構表面的吸收和發熱特性，在中紅外波段實現了3.6%的輻射效率變化。
圖6 III-V族半導體/表面等離激元電調諧超構表面
基於半導體異質結組成的多量子阱（Multiple Quantum Wells， MQWs），如InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs等結構，在可見光到太赫茲波段的電調光應用中有廣泛研究。WU P C等基於MQWs開發了一種具有分布式布拉格反射器的有源介質超構表面，在915~920nm近紅外波段，系統折射率實部的調製範圍大約可達到0.01~0.05，並且在7V的偏壓下可以獲得高達270%的反射率調製以及0~70°的相位變化（如圖7（a））。LEE J等將MQWs與等離激元共振結合，通過施加5V偏壓，在波長7μm實現了超過30%的吸收變化，實驗觀察到了<10ns的超快響應速度。BENZ A等將量子阱的子帶間躍遷同光與物質強耦合機制相結合，通過施加5V偏壓，在2.5THz實現了中心頻率移動>8%線寬的調控（如圖7（b））。
圖7 基於MQWs的電調諧超構表面
液晶調控方案
液晶作為一種工藝成熟且應用廣泛的光學活性材料，具有折射率可調範圍大、傳輸效率高、功耗低、可集成性強等諸多優點，在可調諧光學元器件中佔據非常重要的地位。
BUCHNEV O等使用向列型液晶和V型金納米陣列組成結構簡單的超構表面，通過施加7V的電壓在波長1550nm附近實現了50%的透射率調製。由於液晶的表面錨定效應會影響其動態響應效果。隨後，他們巧妙地設計了一種向列型液晶和鋸齒形金納米陣列組成超構表面，減小了液晶的表面錨定。實驗上，他們利用1.5~2.7V的低調控電壓，使光譜偏移達到110nm，並可以在2V的電壓下產生π/4的相位變化（如圖8（a））。液晶內分子的轉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等設計了向列型液晶/鋁光柵超構表面，通過0~4V的電壓改變控制橫磁（Transverse Magnetic，TM）到橫電（Transverse Electric，TE）模式的轉換，實現了反射結構色的動態改變（如圖8（b））。
圖8 基於液晶的電調諧超構表面
電光晶體調控方案
電光晶體是目前商用電光調製器的主要材料，它是一種具有電光效應的功能型晶體。將電光晶體與超構表面結合，利用亞波長結構中局域電磁模式，增強光場的折射率變化響應靈敏度，成為近年電光調控的重要路線。2021年，WEISS A等將金納米顆粒置於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40V偏壓，在1550nm波長處實現反射率40%的調製深度（如圖9（a））。WEIGAND H等在薄膜LN上設計了硅納米柱陣列，陣列所引入的光學共振能夠帶來80倍的場增強；通過施加小於1V的電壓，實現了10Hz到2.5MHz寬帶幅度調製（如圖9（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的對稱性獲得具有超高品質因子的准連續域束縛態（Bound States in the Continuum，BIC）模式，在±150V的電壓驅動下，獲得了大約47°的相位變化（如圖9（c））。KLOPFER E等將硅波導與薄膜LN結合，在單個波導的長度方向上通過刻蝕小缺陷引入了品質因子高達30000的Fano共振。仿真模擬表明，±25V的偏置電壓下，能夠實現0~360°的相位變化，並且反射率保持在90%以上（如圖9（d））。
圖9 基於電光晶體的電調諧超構表面
MEMS驅動的調控方案
在超構表面的動態調控路線中，除了通過改變材料自身的光學特性之外，還可以通過改變外部的應力來重新配置超構表面的結構單元。MEMS可以在微納尺度上通過外加電場、磁場、熱刺激等方式精準地對目標結構產生一定的外力（庫侖力、安培力等），通過打破超構表面原本的力學平衡使其幾何形狀發生定量形變，從而對其光學響應進行精準動態調控。許多研究將電調諧MEMS與超構表面結構相結合，研究了從可見光到太赫茲波段的動態超構表面。
MANJAPPA M等設計了一款由兩個SRR組成的可重構MEMS超構表面。它們可以分別由兩個偏置電壓通道獨立控制超構表面諧振器的面外不對稱性，激發Fano共振。這種各向異性的變化導致系統的磁滯回效應，允許通過兩個獨立控制的電輸入和一個太赫茲頻率的光學讀數執行邏輯操作，實現了太赫茲波段下“與”和“或”門邏輯運算（如圖10（a））。HOLSTEEN A L等提出了一款多功能超構表面，可以實現顏色控制、動態光束控制和可見光範圍內的光聚焦控制。他們將Mie型諧振器懸於絕緣襯底硅（Silicon on Insulator，SOI）之上，通過MEMS進行機械調節，在不同的電壓調控速率下實現了超構表面結構色的轉變；在3.2V的電壓下實現了0~360°的相位調控以及2°~12°的光束偏轉；在600nm波長下，施加2.2V電壓，實現了焦距從26um到5μm的調節（如圖10（b））。ZHANG X等提出一款基於焦平面開關陣列（Focal Plane Switch Array，FPSA）的超構表面激光雷達的設計方案。他們在1cm²的SOI材料上設計了128×128的光柵型納米天線陣列，使用MEMS進行列與行的單獨選址控制，可以實現70°×70°的寬視場效果和0.6°×0.6°精細分辨率，並通過實驗演示了激光雷達的測距和三維成像效果（如圖10（c））。
圖10 基於MEMS的超構表面功能型器件
隨着MEMS技術的快速發展，基於MEMS的有源超構表面依然具有巨大的潛力，並非常有希望在可變焦透鏡、激光雷達、光子芯片、光電探測器等先進光子器件中發揮重要作用。
總結與展望
眾多動態超構表面的不斷發展正推動着下一代可調諧光學元件的變革。本文根據調控機制將電調諧超構表面的設計路線分為電控載流子激發、液晶調控、電光晶體調控以及MEMS驅動四個方向，它們依託於各自的優勢在過去的十幾年裡蓬勃發展並衍生出了許多不同的設計方案。藉助於超構表面獨特的電磁場局域模式，各個設計方案都在向著360°的全相位調控以及更大的調製深度不斷探索。然而，這些設計方案之間並不是簡單的替代關係，而是面向不同的應用環境，可以根據各自的特點相互補充。比如在可見光到太赫茲的調控波段內，TCO、TMDs以及液晶調控主要應用在可見光到近紅外的波段範圍。而石墨烯調控、III-V族半導體與多量子阱調控主要面向中紅外到太赫茲波段的應用。在調製速率方面，基於載流子激發原理的調控方案憑藉著載流子遷移速度快的優勢基本上可以達到GHz的調製速率，可以面向許多高速響應的應用。而液晶調控與MEMS調控受限於自身響應的滯後性，其調製速率分別只能達到KHz以及MHz。但它們憑藉著自身的穩定性以及成熟的工藝技術，已經成功的實現了許多低響應速度的應用。
值得一提的是，電光晶體調控可以覆蓋可見光到太赫茲的全波段範圍，並且可以具有GHz以上的超高調製速率，在眾多調製方案中嶄露頭角。但電光晶體受制於加工工藝以及薄膜化產業不夠成熟，基於電光晶體的超構表面設計起步較晚，目前相關的研究還比較少。同時，由於在微納尺度下的電光效應很弱，帶來了調製深度與功耗之間的矛盾，這對超構表面的設計提出了更高的挑戰。儘管如此，作為傳統電光調製器的主導材料，基於電光晶體的動態超構表面設計仍然潛力巨大。
隨着工業4.0的深入推進，許多技術應用對易於集成的可調諧光學元件將會有更大的需求。其中包括各種可穿戴設備、自動駕駛、機器人、增強和虛擬現實、通信、傳感、成像和顯示技術等。電調超構表面技術與半導體集成電路技術的結合有希望在這些技術的變革升級中發揮重要的作用。許多新穎的調控方式正在不斷誕生，比如通過深度學習設計的可編程超構表面，以及通過腦電波無線遠程操控超構表面等等。然而，可調諧超構表面技術目前各自存在着不同的優勢和劣勢，儘管已經實現了許多出色的應用，但還沒有某一種完美的調諧方法可以在各個指標上都滿足這些更高級的工業化應用需求。可調諧超表面的研究僅僅發展了十幾年，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的升級、研究新的活性材料以及新的調控方法，或者將多種調控方案結合使其優勢互補，構建複合型可調諧超構表面。儘管實現動態超構表面的工業級應用相當充滿挑戰，仍然可以預見，未來可調諧超構表面的研究將會在跨領域、多學科的協調努力下高速發展，並能夠成為推動小型化、集成化新型光電器件應用的重要力量。
