有源超構表面（metasurface）為光的快速時空調控提供了機會。在各種調諧方法中，有機電光（OEO）材料由于其速度快、非線性大以及使用基于浸潤的制造技術的可能性而具有一些獨特的優勢。

據麥姆斯咨詢報道，近日，美國加州理工學院（California Institute of Technology）的科研團隊在Nature Communications發表了題為“Dynamic light manipulation via silicon-organic slot metasurfaces”的論文，提出將基于狹縫模式（slot-mode）諧振的高Q超構表面與有機電光材料實現的獨特納米制造技術相結合，從而顯著降低了工作電壓。該硅-有機電光可調諧超構表面器件具有3 MHz的3 dB帶寬，最大調諧靈敏度為0.16 nm/V，在電信波長下±17 V電壓范圍內最大消光比為38%。本研究的成果為在CMOS級電壓下實現可調諧硅-有機混合超構表面提供了一條途徑。

本文提出的硅-有機電光可調諧超構表面及其工作原理示意圖如圖1所示。一束光入射到由硅納米棒（nano-bars）構成的超構表面上。該光束被耦合到超構表面內部的slot mode中，這種超構表面對狹縫中的任何折射率擾動都很敏感。有機電光材料被涂覆在超構表面的頂部，并填充硅納米棒之間的狹縫波導。狹縫內的有機分子與電極產生的直流/射頻（DC/RF）場對齊。當RF偏置電壓施加在電極上時，電光（Pockels）效應將產生折射率調制。因此，反射光束的強度將相應地被調制。

圖1 硅-有機電光可調諧超構表面的概念示意圖

接著，研究人員通過數值方法展示了所選模式相比結構中其它支持模式的優勢。示例器件的詳細示意圖、俯視圖和橫截面圖如圖2a所示，其中三種不同的顏色（灰色、藍色、綠色）表示不同的材料（硅、二氧化硅、有機電光材料或HLD）。圖2b顯示了在電極上施加DC偏置電壓時的極化場分布。圖2c-2e顯示了源自器件不同部分的三個橫截面光學模式分布（Mode I、II、III），其中Mode I是slot mode。在相同的偏置電壓下，slot mode具有最大的諧振偏移，如圖2f–2h中的模擬結果所示。因此，slot mode對于硅-有機超構表面的低電壓調制至關重要。

圖2 slot mode諧振在有機電光調制器中的優勢

研究人員在絕緣體上硅（SOI）晶圓上通過實驗實現了上述討論的器件設計理念。器件的橫截面、俯視圖和電壓設置如圖3a、3b所示。器件的尺寸為80?μm×?100 μm（圖3e）。如圖3f所示，多個器件被制造在一塊芯片上，以提高制造誤差的容差，并測試多個幾何參數。在涂覆有機電光材料后，將器件引線鍵合到定制的印刷電路板上進行極化和運行，如圖3g所示。

圖3 電光自由空間調制器

為了通過實驗驗證slot mode的諧振光學特性與器件幾何形狀之間的關系，研究人員制造了多個具有不同設計參數的器件，并將其測量的光學特性與相應的數值計算進行了比較。圖4顯示了不同幾何形狀的slot mode諧振的計算和測量光譜。

圖4 Slot mode諧振特性

器件在DC偏置電壓下的運行結果如圖5所示。圖5a-5c顯示了3個不同器件在最大偏置電壓下介質擊穿前的結果。擊穿電壓的變化是由于有機電光材料制備和器件制造的質量不同而導致的。圖5a中的器件的交流（AC）調諧特性被測試，結果如圖6a所示。

圖5 器件的DC調諧特性

圖6 器件的AC調諧特性和電路模型

綜上所述，這項研究提出了一種用于自由空間調制的硅-有機超構表面，其工作電壓降低至±17 V。所提出的slot mode結合了兩個電極之間的距離短和與有機電光材料重疊度大的優點，實現了調諧靈敏度Sabs?=?0.161 nm/V，與現有先進技術相比，其靈敏度提高了1.6倍。硅-有機超構表面具有高達3 MHz的帶寬。slot mode的使用并不局限于電光系統。所提出的設計方法可以應用于對低折射率介質中的擾動靈敏度至關重要的任何系統。

總之，這項研究提出了一種使用硅-有機平臺的低電壓幅值調制器。slot mode超構表面有望實現高速和低電壓光開關、傳感和調諧，適用于可見光無線通信（LiFi）、激光雷達（LiDAR）、空間光調制器和量子光通信等眾多應用。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-45544-0