高Q值非局域锂铌酸盐超表面的可逆热调控

《Laser & Photonics Reviews》：Reversible Thermal Tuning of High-Q Non-Local Lithium Niobate Metasurfaces

锂氮化物超表面通过热调谐实现高精度反射谱调制，利用高Q值导模共振和准连续谱边界增强热光效应与热膨胀效应，温度变化85°C范围内反射效率从近零到最大值，灵敏度达1.176%/°C，克服传统电调谐的高电压限制，适用于可重构光学滤波、传感及量子光子器件。

　　近年来，随着现代纳米光子学应用的快速发展，光学共振的动态控制技术变得愈发关键。特别是在光学开关、显示和光通信等可调光子器件领域，对可重构光子结构的需求不断增长。这种需求促使研究人员探索新的方法，以实现更灵活和高效的光学调控。其中，锂铌酸（LiNbO?，简称LN）超表面因其广泛的透明窗口和较低的光学损耗，成为实现可调和可重构纳米光子系统的一个有前景的平台。然而，传统的电光调制方法通常受到高电压需求和制造限制的制约，这在一定程度上限制了其在实际应用中的可行性。

为了克服这些限制，研究者们提出了利用热调制来实现光学共振的动态调控。这种方法不仅可以避免复杂的电极配置和高电压操作，还能规避电光饱和和介电击穿等潜在问题，从而为LN超表面提供了一种更稳定和可控的调控手段。研究表明，LN材料的热光效应（thermo-optic effect）和热膨胀效应（thermal expansion effect）在特定结构设计下可以被显著增强，进而实现对反射光谱的高精度调制。这种调制能力覆盖了从室温到85°C的温度范围，为光子器件的热调制应用提供了广阔的空间。

在本研究中，研究人员通过设计高Q因子的LN超表面，实现了对高Q引导模式共振和准束缚态在连续（quasi-BICs）的热调制。他们提出了一种基于带折叠机制（Brillouin Zone Folding, BZF）的结构设计方法，通过调整超表面单元结构之间的间隙，可以有效地调控光的传播特性。这一方法不仅能够增强光的反射效率，还能在不同温度条件下实现对反射光谱的精准控制。例如，当温度变化时，反射光谱中的共振峰位置会发生明显偏移，从而实现对光信号的动态调控。

在实验设计方面，研究人员使用了基于Peltier元件的热调控系统，通过在超表面背面施加稳定的热源，实现了对光的反射特性进行周期性的加热和冷却操作。这种双通道调制方法（dual-channel tuning）使得光子响应可以在两个不同的共振通道中被同步调控，从而为多通道光通信系统提供了可能。同时，通过精确控制温度变化，他们能够在不使用高电压的情况下，实现对光信号的可逆调制，显著提高了系统的稳定性和实用性。

为了进一步验证这种热调制的可行性，研究人员通过实验测量和数值模拟相结合的方法，对LN超表面的调制性能进行了系统分析。实验结果显示，在温度变化范围内，反射效率可以从接近零增加到最大值，而共振峰的偏移范围达到了3纳米。这种调制能力在实际应用中具有重要意义，尤其是在需要高对比度和高效率的光子器件中，例如光学滤波器、传感器和主动光子电路等。此外，研究人员还评估了热调制的灵敏度，发现其在固定波长下具有1.176%的温度调制响应率，这表明系统能够实现对光谱的高精度调控。

值得注意的是，除了热光效应外，热膨胀效应在LN超表面的调制中也起到了重要作用。通过引入带折叠结构和准束缚态，研究人员发现，这两种机制能够显著增强LN材料的调制能力。在数值模拟中，他们考虑了温度变化对折射率和结构尺寸的影响，从而全面评估了热调制的综合效果。这种综合调制方法不仅提升了反射光谱的动态范围，还为实现更高效的光子调控提供了理论依据。

此外，研究人员还设计并测试了一种基于锥形结构的比较样本，以验证热调制在不同结构中的性能差异。结果显示，当考虑热光效应和热膨胀效应时，这种锥形结构的调制能力仅为高Q因子LN超表面的约5%，说明高Q因子结构在热调制中的优势。这一发现进一步证明了高Q因子超表面在热调制中的高效性和实用性。

本研究还揭示了TE和TM两种偏振模式在热调制下的不同响应特性。TE模式在带折叠结构中表现出显著的调制能力，而TM模式则由于其较低的热光和热膨胀系数，调制效果相对有限。然而，这种偏振选择性调制能力为实现同时进行光信号加密和解密、偏振编码的振幅调制以及可调光子源等提供了新的思路。这不仅拓展了LN超表面的应用范围，还为其在量子光子学领域的应用奠定了基础。

综上所述，这项研究通过引入高Q因子的结构设计，成功实现了LN超表面的热调制。这一技术突破为构建更高效、更稳定的可调光子器件提供了新的方向。此外，热调制方法的优势在于其无需高电压驱动，适用于多种工业和科学应用，包括光通信、光学传感和主动光子电路等。随着对LN材料特性研究的深入，未来有望进一步优化其调制性能，拓展其在光子学领域的应用前景。同时，这项研究也为其他可调光子结构的设计提供了借鉴，展示了热调制在现代光子学中的重要价值。