北大毕业生实现10万个纳米结构实时集成调控！加速光学系统小型化

“我认为这项技术有可能推动一些领域的革新，比如光学神经网络（optical neural networks）、深度传感（depth sensing）和自动驾驶中的激光雷达（LIDAR）技术。”华盛顿大学阿尔卡·马朱姆达尔（Arka Majumdar）教授告诉媒体。

近日，来自麻省理工学院（MIT）的胡崛隽教授研究团队与合作者们在微纳光子学领域有了新进展。基于光学新型相变材料（optical phase change materials），该团队开发出一种光学超表面的集成调控平台，为可调控光学器件和光学系统的小型化提供了可行性方案。

相比于传统超表面的功能单一，这项光学研究成果的“升级”宛如从过去的“螺丝刀”进步到“瑞士军刀”。

（来源：受访者）

超表面（metasurface）是一种厚度小于波长的超薄人工结构，它可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。

传统光学元件与超表面光学器件，就好似“前浪”与“后浪”。通常，传统光学元件的物理尺寸大，而超表面光学器件通过其不同纳米的结构与光相互作用，用一层极薄的平面结构就可以达到同等的效果。

近年来，随着市场对光学器件和系统小型化的需求日益增多，超表面光学迅速发展，其研究主要集中在探索不同波段适用的材料以及纳米结构的设计。

随着超表面在无源光学（passive optics）发展的日趋成熟，科学家们开始致力于利用实时调控（active tuning）。实时调控功能的出现，可极大地增加超表面器件的自由度和应用空间。

图丨相关论文（来源：Nature Nanotechnology ）

基于此，胡崛隽研究团队用一种新型光学相变材料实现了集成化超表面的实时调控功能，并实现了整个系统的小型化。相关论文以《基于低损耗光学相变材料的非易失性电控超表面》（Electrically reconfigurable non-volatile metasurface using low-loss optical phase-change material）为题在 Nature Nanotechnology 上发表。

集成 10 万纳米结构，利用原子结构的快速、可逆改变实现调控

得益于微纳加工技术的不断进步，市场上出现了越来越多的小型光学器件和系统，如基于超表面的透镜、偏振片、全息器件和光谱仪。

相变材料扮演着怎么样的角色呢？由于相变材料晶态和非晶态的光学性质（包括折射率和消光系数）存在巨大的差异，同样尺寸的相变材料可实现比其他材料大几个数量级的调控幅度。

在传统应用上，相变材料多用于电子存储和 CD、DVD 等光学存储。在近些年的可调控微纳光子学发展中，相变材料再一次成为研究的“新宠儿”。

那么，传统的相变材料面临什么问题呢？它并未经过针对光学应用的系统性优化，消光系数过高，因此，在光学应用中会带来较严重的光损耗。

图 | GSST 晶态、非晶态的折射率（左轴）和消光系数（右轴）（来源：Nature Nanotechnology ）

此前，该研究团队提出一种有别于传统相变材料的新型光学相变材料，即 GSST。对此，该论文第一作者章逸飞对 DeepTech 解释道，与传统的相变材料 GST 不同，GSST 相变材料用 Se 元素替换了部分 Te 元素，能在维持较大折射率差的前提下，在晶态和非晶态均做到红外透明，从而极大地降低了光损耗。

据该团队介绍，若想能够完全非晶化，GST 纳米结构的厚度极限约为 100 纳米。相比传统相变材料GST，GSST 材料本身更容易非晶化，这使得其超表面纳米结构的大小不会被熔淬（melt-quench）状态的降温速率影响。

“这样，可在更大的尺寸下仍完成可逆相变，这极大地拓展了可调控超表面的应用场景。”章逸飞说。

图 | 胡崛隽研究团队（来源：受访者）

此次实现超表面实时调控的研究中，该研究团队依然选择了新型光学材料 GSST。通过微纳加工制造了含有约 10 万个 GSST 纳米结构的超表面器件，连同它的调控电路集成在同一硅片上，由此实现了整个系统的小型化。

历经两年，让光学系统小型化成为可能

此前章逸飞在北京大学物理学院读本科时，从大学二年级起就希望未来可从事光学领域的研究，后在 MIT 材料系攻读。博士期间，导师胡崛隽教授“从物理本质出发”的研究理念出发，通过做具有现实意义的科研理想使他获益良多。

章逸飞告诉 DeepTech，这项可调控超表面的研究经历两年左右，期间也遭遇了一些波折。

图 | 章逸飞（来源：受访者 ）

最初，该团队尝试直接将电脉冲施加在相变材料结构上，却发现大尺寸相变材料的晶化过程并不会覆盖整个结构，而是会先形成能导电的晶化通道，电流集中在这些晶化通道中，阻碍了整个结构的晶化过程。

随后，他们采用金属加热结构，并逐步摸索出了金属的材料选择和形状优化方案，最终成功实现了集成化的超表面实时调控。

图 | 相变超表面的电学调控示意图 （左）；集成硅片上的超表面器件阵列（右）（来源：Nature Nanotechnology ）

相比于其他光学调控技术，相变材料具备非易失性（non-volatile），能大大降低能耗。这意味着，任何一个态的维持都不需要外界能量的输入，只能在调控的时候进行能量输入。

事实上，可调控超表面是一项平台技术，这项技术中超表面的使用以及与调控电路的整体集成，为可调控光学器件和很多光学系统的小型化提供一种可能的方案。

章逸飞认为，这种快速可重构超表面的能力开辟的应用前景广阔，该研究目前已经克服了几个重要的障碍。

此外，章逸飞进一步补充道，“光束控制器是自动驾驶中激光雷达的一个关键部件，而我们利用这项技术展示了一种基于超表面的光束控制器。未来，可调控超表面在激光雷达小型化方面或将起到重要作用。”

多方面优化超表面调控方案，或推动可调控光学革新发展

章逸飞告诉 DeepTech，在过去实现的研究案例中，相变超表面的调控通过激光扫描等方式来实现，但调控的耗时较长，且未使用可集成的解决方案，因此极大地限制了可调控超表面的应用场景。

对此，该研究团队采用的方式是，在 GSST 相变超表面的下方加入一片钛/铂金属，通过在该金属两边施加不同振幅和时长的电脉冲，对相变材料的晶化状态进行控制，从而实现相变超表面的可逆调控。而且，对于超表面光学性质的调控并不仅限于两个状态（bi-state），也可以是准连续的（quasi-continuous）。

此外，他们还对这片金属的几何形状进行了优化，以实现超表面区域中更为均匀的温度分布。这样一来，既提升了 GSST 材料在反复相变下的稳定性，又实现了大尺寸的超表面调控，最大尺寸可达 400 μm X 400 μm，已经满足了多种实际应用场景下的尺寸需求。

图 | 超表面区域的温度分布（左为未经过优化的结果；右为经过优化的结果）（来源：Nature Nanotechnology ）

凭借这一调控方案，研究人员在该研究中展示了一系列超表面光学的应用，包括绝对调制幅度达到 30% 的反射强度调制器（reflection modulator）、频谱覆盖达到半倍频程（half-octave）的准连续光谱滤波器（quasi-continuous spectral filter）以及光束控制器（beam-steering device）。

其中，超表面光束控制器采用非对称的超表面单元设计，在非晶态下起到了类似闪耀光栅的作用，正入射下反射时有一定角度；而在晶态下，由于两个纳米结构的反射相位都为 0。

因此，器件起到了“平面镜”的作用，正入射下反射角为 0 度。对光束出射角度的实时调控功能，是实现光束控制器的关键。

图 | 基于相变材料的超表面光束控制器（来源：Nature Nanotechnology）

章逸飞认为，他们的方案仍有一些可拓展空间。一方面，这款可调控超表面只能在反射模式下工作。为解决这一问题，他们正在尝试通过石墨烯、掺杂硅等透明导电材料作为加热结构，以实现透射式的工作模式，现已取得初步进展。

另一方面，如何进一步提升光学调制幅度、优化加热结构的几何形状和超表面的设计方案，也是他们之后的研究方向之一。

另外，章逸飞表示，“在一篇和我们同时发表的文章中，来自斯坦福大学 的Brongersma 教授团队利用传统相变材料 GST，以及类似的金属加热结构实现了对相变纳米天线和一维阵列的电学调控。”

值得一提的是，该文章的第一作者王逸飞是章逸飞的多年好友。“尽管我们的工作是独立构思和开展的，当我们发现这一巧合后，我们决定一起投稿 Nature Nanotechnology。这也说明，现在正是可调控超表面的快速发展期。”

现在，章逸飞在微软 Hololens 从事光学研发工作。他表示，相信在他之后的博士同学能在胡教授的指导下，为可调控超表面领域实现更多的技术突破。