超構(gòu)表面（Metasurfaces）已經(jīng)成為亞波長尺度光場調(diào)控的重要平臺(tái)，因其有望取代傳統(tǒng)笨重的光學(xué)元件而備受關(guān)注。然而，目前大多數(shù)超構(gòu)表面均采用靜態(tài)設(shè)計(jì)，具有固定的功能。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，浙江師范大學(xué)和浙江大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過將相變Sb?Se?薄膜與壓電MEMS微鏡異質(zhì)集成，展示了一種高效可調(diào)諧的超構(gòu)波片（meta-waveplate）。利用Sb?Se?可逆的非晶態(tài)-晶態(tài)相變特性，并結(jié)合MEMS微鏡實(shí)現(xiàn)的納米級(jí)空氣間隙調(diào)控，該超構(gòu)表面在1550 nm通信波長下可實(shí)現(xiàn)零波片（ZWP）、半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）功能之間的動(dòng)態(tài)切換。該器件在不同旋轉(zhuǎn)角度下均保持穩(wěn)定的偏振轉(zhuǎn)換性能。此外，研究團(tuán)隊(duì)還基于該平臺(tái)開發(fā)了一套納米四分之一波片設(shè)計(jì)庫，可實(shí)現(xiàn)反射光場的大范圍相位調(diào)控，并支持可編程的光束掃描。這種可調(diào)架構(gòu)為具有動(dòng)態(tài)切換功能的自適應(yīng)光子學(xué)開辟了新的發(fā)展方向。相關(guān)研究成果以“Electrically Tunable Meta-Waveplate Enabled by Sb?Se?-Heterogeneously Integrated Piezoelectric MEMS Mirror”為題發(fā)表于Micromachines期刊上。
可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片設(shè)計(jì)
圖1展示了本研究所提出的可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片（TMMW）器件的工作原理。如圖1a和圖1b所示，該器件采用異質(zhì)集成架構(gòu)，其中涂覆SiO?-Sb?Se?-SiO?多層膜的MEMS微鏡與具有超構(gòu)表面圖案的玻璃襯底鍵合。該MEMS微鏡由集成在微鏡表面下方的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電薄膜執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。通過施加調(diào)制壓電V?，利用電壓驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)界面空氣間隙T?，從而實(shí)現(xiàn)器件的動(dòng)態(tài)調(diào)控。相變材料Sb?Se?的相變狀態(tài)可以通過電熱相控方案實(shí)現(xiàn)可逆切換。
圖1 可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片反射模式下的工作原理
從微觀的角度來看，可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片的超構(gòu)單元沿x和y主軸方向的光學(xué)反射響應(yīng)可通過瓊斯矩陣完整描述。圖2展示了x偏振光激勵(lì)下，可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片的超構(gòu)單元在非晶態(tài)和晶態(tài)時(shí)隨空氣間隙T?變化的模擬反射振幅和相位分布，其結(jié)果與圖1c至圖1h的工作狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。
圖2 在1550 nm波長、x偏振光激勵(lì)下，反射系數(shù)隨超構(gòu)原子尺寸變化的映射圖
圖3展示了在x偏振和y偏振光入射下與波長相關(guān)的反射振幅（|??xx|和|??yy|）及相對(duì)相位差（Δδ），表明了在不同空氣間隙值下，無論處于非晶態(tài)還是晶態(tài)，器件均表現(xiàn)出良好的可調(diào)性能。
圖3 可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片在x偏振和y偏振光激勵(lì)下的模擬光譜響應(yīng)，顯示了反射振幅（|??xx|和|??yy|）和相對(duì)相位差（Δδ）
可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片性能
為了進(jìn)一步評(píng)估可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片的性能，研究團(tuán)隊(duì)分析了反射光的三個(gè)關(guān)鍵偏振參數(shù)：線偏振度（DoLP）、圓偏振度（DoCP）以及線偏振角（AoLP）。圖4展示了在1500-1600 nm波長范圍內(nèi)，左旋圓偏振（LCP）和右旋圓偏振（RCP）激勵(lì)下反射光的偏振特性，并比較了不同空氣間隙配置下Sb?Se?分別處于非晶態(tài)和晶態(tài)下的器件特性。
圖4 圓偏振光激勵(lì)下，可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片的性能
為了進(jìn)一步量化可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片的光學(xué)性能，研究團(tuán)隊(duì)分析了器件的反射率和偏振轉(zhuǎn)換效率。反射率定義為反射光強(qiáng)與入射光強(qiáng)之比，偏振轉(zhuǎn)換效率定義為轉(zhuǎn)換為目標(biāo)偏振態(tài)的光強(qiáng)與入射光強(qiáng)的比值。如圖5所示，在所有四種工作狀態(tài)下，器件的反射率和偏振轉(zhuǎn)換效率均穩(wěn)定保持在69.0%以上，峰值甚至超過82.1%。
圖5 圓偏振光激勵(lì)下，可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片的反射率和轉(zhuǎn)換效率
為了在圓偏振基下實(shí)現(xiàn)同偏振（co-polarized）和交叉偏振（cross-polarized）反射波的同步且獨(dú)立的相位調(diào)制，研究團(tuán)隊(duì)在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩個(gè)用于波束掃描的新梯度超構(gòu)表面（MS1和MS2）。對(duì)于超構(gòu)表面MS1（Sb?Se?處于晶態(tài)，T?為250 nm），LCP入射光被引導(dǎo)到同偏振和交叉偏振衍射通道中，如圖6c所示。通過協(xié)同利用諧振相位和幾何相位，超構(gòu)表面MS2（Sb?Se?處于晶態(tài)，T?為250 nm）被設(shè)計(jì)成將同偏振光波和交叉偏振光波分別引導(dǎo)至?1級(jí)和+1級(jí)衍射級(jí)。
圖6 可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片MS1的性能
圖7 可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片MS2的性能
總結(jié)
綜上所述，這項(xiàng)研究通過將相變Sb?Se?薄膜與壓電MEMS微鏡異質(zhì)集成，實(shí)現(xiàn)了一種近紅外波段的可調(diào)諧MEMS超構(gòu)波片。該平臺(tái)可在1550 nm波長下實(shí)現(xiàn)半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）功能之間的動(dòng)態(tài)可逆切換，并在寬旋轉(zhuǎn)角范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的偏振轉(zhuǎn)換性能。此外，研究團(tuán)隊(duì)建立了一套納米四分之一超構(gòu)波片（QWP）設(shè)計(jì)庫，其諧振相位調(diào)控范圍超過270°，這不僅有助于實(shí)現(xiàn)高效的圓偏振到線偏振的轉(zhuǎn)換，同時(shí)還能對(duì)反射波前進(jìn)行大范圍相位調(diào)控。通過將諧振相位與幾何相位結(jié)合，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了圓偏振光激勵(lì)下同偏振和交叉偏振通道的可編程光束掃描。這種異構(gòu)集成架構(gòu)標(biāo)志著自適應(yīng)超構(gòu)光學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)展，為動(dòng)態(tài)可重構(gòu)且高度緊湊的光子系統(tǒng)開辟了通用途徑。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/mi17060704
