超構(gòu)表面（Metasurfaces），一種亞波長人工結(jié)構(gòu)的二維（2D）陣列，已作為傳統(tǒng)的折射光學(xué)元件（ROE）和衍射光學(xué)元件（DOE）的替代技術(shù)而興起，它們能夠以緊湊的外形尺寸任意操縱出射光。

例如，超構(gòu)表面能夠?yàn)楦叨顺上駪?yīng)用提供像差校正和衍射極限分辨率。此外，偏振選擇性焦點(diǎn)和邊緣探測已經(jīng)通過單片超構(gòu)透鏡輸出光的空間工程偏振輪廓得到證明。類似地，超構(gòu)表面還展示了各種前所未有的光學(xué)特性，例如通過利用大量軌道角動量（OAM）對視頻進(jìn)行重新編碼，在高數(shù)值孔徑（NA）以接近一致的效率聚焦，以及在三維（3D）空間中創(chuàng)建任意偏振態(tài)。

這些復(fù)雜的光學(xué)響應(yīng)通過精心設(shè)計(jì)的人工結(jié)構(gòu)和精確納米制造而實(shí)現(xiàn)，為構(gòu)建具有緊湊尺寸的高端光學(xué)器件開辟了新的自由度。

近些年，通過將超構(gòu)表面與發(fā)光二極管（LED）、OLED、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、電荷耦合器件（CCD）、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）、液晶（LC）、波導(dǎo)、光纖甚至是傳統(tǒng)ROE等組件集成，超構(gòu)表面的研究正在走向商業(yè)化。

通過將超構(gòu)表面與這些光學(xué)組件集成，接收器/發(fā)射器的性能得到了改善，實(shí)現(xiàn)了更好的接收/發(fā)射效率。可調(diào)諧元件則為可重構(gòu)電磁波操縱提供了一種有效的方法。此外，通過對輸入耦合器、輸出耦合器和ROE的光學(xué)表面進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，可以精確地控制波前和色散。這些嘗試證實(shí)，超構(gòu)表面可以通過集成其它標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)組件引入現(xiàn)有設(shè)備。此外，現(xiàn)有研究還指出了基于超構(gòu)表面構(gòu)建實(shí)際應(yīng)用結(jié)構(gòu)的多種可能方案。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，為了推動超構(gòu)表面集成光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用，有必要對集成超構(gòu)表面進(jìn)行綜述，為指導(dǎo)高端光學(xué)元件和超構(gòu)表面的整合鋪平道路。在此背景下，韓國浦項(xiàng)科技大學(xué)的研究人員近期在Light: Science & Applications volume期刊上發(fā)表了一篇綜述文章，介紹了與發(fā)射器、接收器、MEMS、LC、加熱器、ROE、平面波導(dǎo)和光纖等標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)元件整合的集成超構(gòu)表面。這篇綜述涵蓋了在實(shí)際光子系統(tǒng)中使用的多種超構(gòu)表面組件。此外，在綜述的后半部分，研究人員討論了超構(gòu)表面集成光子平臺的最新發(fā)展，包括虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）、激光雷達(dá)（LiDAR）以及光子傳感器。最后，研究人員還展望了超構(gòu)表面集成光學(xué)元件需要克服的主要挑戰(zhàn)。

超構(gòu)表面集成的總體概念及其有前景的應(yīng)用

基于超構(gòu)表面的光學(xué)系統(tǒng)通過提供高分辨率接收器、偏振控制單光子發(fā)射器和可調(diào)諧波前控制器取得了巨大成功。通過整合經(jīng)典光學(xué)元件，平面波導(dǎo)、光纖和ROE的性能得到了擴(kuò)展。此外，復(fù)合超構(gòu)表面提供了空間波前控制、高端光學(xué)安全和偏振分析儀等。

超構(gòu)表面與發(fā)射器/接收器集成

超構(gòu)表面集成光發(fā)射器用于提高效率（a~c）和波前整形（d~f）

超構(gòu)表面集成接收器用于提高效率（a和b）、選擇性光電檢測（c）、波前分選（d和e）以及增強(qiáng)視場（FoV）（f）

超構(gòu)表面與電調(diào)諧元件集成

MEMS集成超構(gòu)表面用于MEMS驅(qū)動的超構(gòu)透鏡（a和b）、光束轉(zhuǎn)向器（c）以及結(jié)構(gòu)色像素（d和e）

超構(gòu)表面與傳統(tǒng)光學(xué)元件集成

隨著市場對高端激光雷達(dá)（LiDAR）和VR/AR技術(shù)的需求增長，其光學(xué)系統(tǒng)采用了透鏡、波導(dǎo)和光纖等一系列光學(xué)組件。超構(gòu)表面可以提供改進(jìn)的功能，同時(shí)減少這些光學(xué)組件的尺寸和重量。此外，超構(gòu)表面的應(yīng)用已經(jīng)擴(kuò)展到了光通信和計(jì)算領(lǐng)域，憑借其在高密度集成和減少發(fā)熱方面的前景而備受關(guān)注。

超構(gòu)表面集成平面波導(dǎo)用于結(jié)構(gòu)光（a~c）、解復(fù)用（d和e）以及二極管（f）

超構(gòu)表面集成可穿戴顯示系統(tǒng)用于VR/AR

超構(gòu)表面集成激光雷達(dá)

然而，超構(gòu)表面光學(xué)系統(tǒng)的商業(yè)化仍然面臨三個(gè)主要挑戰(zhàn)。一般來說，超構(gòu)表面大多采用CMOS工藝制造，許多研究人員認(rèn)為，為商業(yè)設(shè)備引入超構(gòu)表面，CMOS工藝有利于商業(yè)化。然而，這對于注塑成型或銑削等光學(xué)模塊制造工藝來說通常是不可行的。此外，CMOS工藝的成本相比ROE和DOE的生產(chǎn)方法更高，增加了超構(gòu)表面集成光學(xué)平臺的總生產(chǎn)成本。

另一個(gè)挑戰(zhàn)與超構(gòu)表面的低效率有關(guān)。盡管超構(gòu)表面的效率在單一波長下可以達(dá)到90%以上，但在可見光下，消色差超構(gòu)透鏡的效率（40%）仍然低于傳統(tǒng)ROE（>95%，Thorlabs，消色差雙合透鏡）。由于整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的效率受限于其光學(xué)組件的最低效率，因此超構(gòu)表面不適合于需要高效光操縱的應(yīng)用。

第三個(gè)挑戰(zhàn)在于超構(gòu)表面的量化方法。與傳統(tǒng)ROE和DOE相比，超構(gòu)表面量化方法尚未統(tǒng)一。例如，就超構(gòu)透鏡而言，各個(gè)小組定義了不同的效率定義，并使用了不同的測量系統(tǒng)。因此，不同的品質(zhì)因數(shù)不僅使超構(gòu)表面之間難以比較，而且當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)與超構(gòu)表面集成時(shí)，也使它們無法與其它傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行比較。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，但我們相信超構(gòu)表面仍將是未來光學(xué)平臺設(shè)計(jì)的重要組成部分，例如汽車環(huán)境感知傳感器、可穿戴設(shè)備顯示器以及用于精確診斷的醫(yī)療保健監(jiān)視器等。其納米制造方法經(jīng)過發(fā)展已經(jīng)與先進(jìn)的光學(xué)材料更兼容，并且其效率正隨著光學(xué)材料的帶隙工程而不斷提高。

例如，顆粒嵌入樹脂和大面積、低損耗介電沉積方法最近被證明可用于超構(gòu)表面制造，以接近一致的效率實(shí)現(xiàn)了大面積超構(gòu)表面的低成本生產(chǎn)。這些方法實(shí)現(xiàn)了具有成本效益的超構(gòu)表面制造，其生產(chǎn)成本將匹配傳統(tǒng)ROE和DOE。

此外，最近有報(bào)道提出了超構(gòu)表面的統(tǒng)一量化方法，研究人員認(rèn)為超構(gòu)表面集成光學(xué)器件將是構(gòu)建光子學(xué)平臺的一個(gè)很有前途的選擇，推動超構(gòu)表面集成光子學(xué)在日常生活中獲得廣泛應(yīng)用。

超構(gòu)表面已經(jīng)證明能夠?yàn)椴倏v電磁波提供一種有效且可行的途徑，同時(shí)，業(yè)界對緊湊尺寸和極致光操縱的需求也在增加。為了將超構(gòu)表面引入實(shí)際應(yīng)用，應(yīng)該將超構(gòu)表面與過渡組件集成，而不是與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)直接競爭。

審核編輯：劉清