单栅电光光束切换超表面：实现高效大角度偏转与简化驱动机制的新突破

为解决电光主动超表面驱动复杂、效率低的问题，研究人员开展基于单栅极石墨烯的电光光束切换超表面研究，实现57°偏转角度下0.765-0.836的相对效率和0.078-0.084的绝对效率，为LiDAR和光通信提供了高性能、简化的光束控制方案。

　　

在光探测与测距（LiDAR）、自由空间光通信、激光显示和激光加工等前沿应用领域，动态光束控制技术正发挥着越来越重要的作用。传统的机械式光束控制方法存在体积庞大、功耗高等固有缺陷，而微机电系统（MEMS）技术虽然在一定程度上实现了小型化，但仍面临耐久性和操作速度的挑战。主动超表面（active metasurfaces）技术的出现为解决这些问题提供了新思路，它能够以前所未有的时空分辨率精确调控光波前。

然而，现有的电光主动超表面大多需要复杂的栅极阵列来独立控制每个超原子（metaatom）的局部响应，这种设计不仅导致驱动机制复杂化，还因强光-物质相互作用带来较大损耗，使得光学效率显著降低。此外，实现大角度光束偏转需要陡峭的空间相位梯度，这容易导致相邻超原子之间的串扰（crosstalk），造成不同衍射级次效率不均匀的问题。更令人遗憾的是，即使是最简单的两电平电光光束切换超表面，也尚未有基于单一调谐参数的实验演示。

在这项发表于《Light-Science & Applications》的研究中，由Sangjun Han和Jinseok Kong共同第一作者、Min Seok Jang通讯作者带领的研究团队，成功设计并实验验证了一种基于单栅极石墨烯的电光光束切换超表面。该器件仅通过调控单层石墨烯的费米能级（Fermi level），就实现了57°的大角度光束切换，在-1级和0级衍射方向上分别获得了0.836和0.765的高相对效率（relative efficiency），以及0.078和0.084的绝对效率（absolute efficiency），其性能可与最先进的传统电光光束 steering 超表面相媲美。

研究人员采用了几项关键技术方法开展本研究：首先利用遗传算法（genetic algorithm）对超表面结构参数进行逆向设计优化；通过原子层沉积（ALD）制备30 nm氧化铝介电层；采用湿法转移技术实现单层石墨烯的集成；结合电子束光刻和氧等离子体刻蚀技术定义金 grating 结构；最后搭建了基于量子级联激光器（quantum cascade laser）的角分辨光学测量系统，在氮气环境下完成光电性能表征。

研究团队首先通过精巧的器件设计与制备，在硅氮化物衬底上构建了包含金 grating、石墨烯 ribbon 和背向金反射层的多层结构。每个 grating 周期由五条金 strip 组成，通过调节 strip 宽度（w_i）和间隙（g_i）来实现光学响应的优化。电学测量表明，该器件在-80 V至+70 V的栅压扫描范围内表现出良好的稳定性和耐久性，漏电流得到有效抑制。

在光学性能方面，研究人员在41.17 THz（λ₀=7.281 μm）工作频率下观察到了显著的光束切换效果。当栅压V_G=10 V（对应石墨烯电中性点CNP）时，光束主要偏向-1级衍射方向（θ_-1=-12°），绝对效率为0.078；而当V_G=-80 V（对应E_F=0.42 eV）时，光束切换至0级衍射方向（θ₀=45°），绝对效率达0.084。特别值得注意的是，随着栅压从-80 V向10 V变化，两个衍射级的相对效率呈现渐进的交叉过渡特性，这表明该器件还可作为可调谐自由空间分束器使用。

为了深入理解器件的工作机制，研究团队进行了详细的电磁仿真分析。RCWA（严格耦合波分析）计算结果与实验数据高度吻合，验证了仿真框架的可靠性。仿真结果显示，随着石墨烯费米能级从CNP增加到0.42 eV，石墨烯电导率变化导致衍射光谱发生蓝移，这一现象与一阶微扰理论的预测一致。场分布分析表明，电场主要集中在金 strip 之间的狭窄间隙区域，而磁场则局限在背向反射器与石墨烯之间的介质层内，且场分布在不同切换状态下保持相似，表明器件工作不依赖于石墨烯等离激元共振。

通过准正规模（QNM）分析，研究人员揭示了器件工作的物理本质：光学响应来源于共振QNM与非共振背景响应之间的干涉效应。在CNP状态下，0级衍射的QNM与背景响应振幅相近且相位相反，产生近乎完美的相消干涉，导致镜面反射几乎消失；而对于-1级衍射，由于振幅失配导致不完全相消，从而产生显著的衍射效率。在E_F=0.42 eV时，相位差的差异使得波前主要偏向0级衍射方向。这种基于非局域QNM展开的分析框架为理解主动光束切换机制提供了深刻见解。

在讨论部分，研究团队进一步探讨了该设计平台的性能极限和改进潜力。通过放松制备约束（最小特征尺寸20 nm）和假设更高的石墨烯载流子迁移率（1000 cm²/V·s），优化后的超表面理论性能大幅提升，在0级和-1级衍射均可实现0.385的绝对效率和0.976的相对效率。更有意义的是，研究证明了三电平主动光束切换的可行性：在正常入射条件下，通过设置8.358 μm的 grating 周期，在45.89 THz工作频率下可实现0级、±1级三个衍射方向的高效切换，绝对效率分别达到0.311、0.148和0.148，相对效率分别为0.851、0.852和0.886。

研究还指出，通过使用高κ介电材料（如HfO₂）替代Al₂O₃，以及采用轻掺杂硅作为中红外透明电极材料，可显著降低工作电压。极紫外光刻等先进制备技术有望进一步推动该超表面功能的发展。虽然本研究聚焦于中红外波段，但其所提出的设计和分析原理可扩展至可见光和近红外频率，具有广泛的应用前景。

该研究首次实验演示了单栅极电光光束切换超表面，通过费米能级依赖的共振QNM与背景模式干涉机制，实现了大偏转角、高相对效率和均匀绝对效率的光束控制。由于构成光学元件之间的强相互作用，这类器件难以采用基于局部周期近似（LPA）的单元胞设计方法，而遗传算法优化策略为主动光束切换超表面的设计提供了新的思路。这项技术在未来LiDAR、光通信、可调谐自由空间分束器、光束解复用器、太阳帆主动定向推进、折叠光学束路由和光学计算等领域具有广阔的应用前景。随着材料科学和器件制备技术的进步，这类超表面的性能有望进一步提升，带来更具影响力的应用和发现。