摘要：电光有源超表面能够通过电极驱动实现光学波前的控制，在激光雷达、自由空间光通信等领域有重要作用。然而，目前的电光有源超表面的设计都需要大量独立可控的局部栅极组成的栅极阵列，导致驱动机制较为复杂且光学效率受到限制。近日，来自韩国科学技术院的Min Seok Jan

导读

电光有源超表面能够通过电极驱动实现光学波前的控制，在激光雷达、自由空间光通信等领域有重要作用。然而，目前的电光有源超表面的设计都需要大量独立可控的局部栅极组成的栅极阵列，导致驱动机制较为复杂且光学效率受到限制。近日，来自韩国科学技术院的Min Seok Jang等研究人员设计了一种有源光束切换器件，仅需要对单层石墨烯施加单栅极电压实现，并通过遗传算法实现各项性能指标的最大化，为可靠的动态光学光束控制提供了一种新的思路。

该文章发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Single-gate electro-optic beam switching metasurfaces”，韩国科学技术院的Sangjun Han是论文的第一作者，韩国科学技术院的Min Seok Jang是论文的通信作者。

研究背景

光束方向的动态控制在激光加工、激光雷达以及自由空间光通信等领域有重要的作用。传统的光束控制可以通过机械运动部件或者微机电系统（MEMS）进行调节，但是存在体积庞大、耐用性不足、运行速度有限等问题。有源超表面（尤其是可通过机械、热、电控制的可调谐超表面）具有可以精确控制光束的波前的优势，恰好可以解决上述问题。

其中，电可调谐超表面因其尺寸小、功耗低、热量少等优势备受关注，但由于电光折射率变化较小，大多数电光超表面通过对单个纳米结构进行多参数的共同调谐，实现共振调控以增加光与物质的相互作用。但为了实现所需的空间波前，需要大量的局部栅电极对每个纳米结构进行独立栅控，这种局部共振控制器件需要复杂的电路驱动，从而表现出易故障、损耗高、效率低等劣势，并且在多个衍射级上会展现出效率不均匀的问题。

创新研究

研究人员首先给出了电光光束切换超表面的逻辑示意图（图1a），45°角入射的TM偏振光会被超表面反射，并根据施加在单层石墨烯的全局栅极偏压衍射到0级或-1级通道，同时抑制所有更高级别的衍射。研究人员还给出了显微镜下拍摄的超表面器件的整体视图（图1b）以及一个周期金光栅的俯视图的SEM图像（图1c）。

图1. 单栅极电光光束切换超表面

接下来，研究人员给出了进行有源光束切换的光路图（图2a），该光路可以测量反射光在宽角度范围内的效率。实验结果表示，在41.17 THz的工作频率下通过工作电压（10 V和-80 V）的调整，超表面散射的光可以高度定向到两个衍射通道，且旁瓣较小（图2b）。后续，研究人员还进一步测量了绝对效率以及相对效率随栅极偏压的情况（图2c-d）。

图2. 光学装置与测量结果

进一步，研究人员介绍了使用遗传算法进行光束切换超表面的结构参数与工作频率优化过程。为了理解优化后的超表面在有源切换过程中的机制，使用严格耦合波分析（RCWA）进行了数值计算并进行了实验验证，结果显示，仿真与实验结果高度接近（图3a），证实了模拟框架的可靠性。当栅极偏置电压从10 V变化为-80 V时，石墨烯的费米能级也会发生变化，通过两种费米能级下的模拟散射磁场分布们可以看出两种衍射路径具有57°的偏转角（图3b）。

图3. 单栅极电光光束切换超表面的电磁模拟

为了进一步探索该平台的性能潜力，研究人员探索了宽松约束下的结构分析，结果表明，在44.16 THz的工作频率下，会表现出更高的理论性能（图4a），对于0级和-1级衍射能达到0.385以及0.976的高相对效率。另外，通过结构参数的调整，该结构也能实现三级有源光束切换（0级，±1级），结果显示三种情况下均可以实现0.8以上的相对效率（图4b）。

图4. 宽松约束下有缘光束切换超表面的优化结果

总结与展望

研究人员通过遗传算法的结构优化方法设计了单栅极电光光束切换的石墨烯超表面，并通过该结构实现了光束切换的实验验证及综合分析。通过栅极电压的调整，可实现不同衍射光束切换，并在衍射级上表现出宽偏转角、高相对效率以及均匀的绝对效率等特点，为有源光束切换超表面的设计提供了新思路。

研究人员还提出了多种器件优化策略，一方面，通过器件电容的增加（提高栅极电介质的介电常数）可以显著降低该器件工作所需的栅极电压；另一方面，通过工艺的提升，如极紫外光刻，实现更精细的特征尺寸，从而进一步突破其功能边界。并且提出，本研究的设计原理以及分析在中红外以外的频率也同样适用，未来可以进一步拓展其应用范围。

论文信息

Han, S., Kong, J., Choi, J. et al. Single-gate electro-optic beam switching metasurfaces. Light Sci Appl14, 292 (2025).

来源：科创中国一点号