Localized high-Q resonances enable electrically defined beam steering in lithium niobate metasurfaces

光不仅仅是我们所看到的东西；对于科学家和工程师而言，它是感知世界、跨越遥远距离传输信息以及创造沉浸式视觉体验的工具。为了让这些工具发挥作用，我们需要能够快速、精确地引导光束，在不移动任何沉重机械部件的情况下将其指向不同的方向。想象一下，尝试通过转动手腕来瞄准手电筒，与仅仅通过改变光的颜色来使其弯曲进行对比；后者才是现代光学研究的目标。挑战在于如何在微观尺度上控制光波的相位，或者说控制其时间性。如果我们能够调节光波穿过薄表面时的相位，我们就能使光束发生弯曲。然而，要在现实世界中使用（例如在自动驾驶汽车或高速互联网中），实现足够快的速度，需要能够在施加电信号时几乎瞬间改变其特性的材料。

斯坦福大学的一个研究小组开发了一种实现这一目标的新方法，创造了一种只需通过改变电学模式而非构建新的物理形状，即可将光引导至不同角度的表面。他们结合了两个强大的概念：一种被称为铌酸锂的特殊晶体，它在施加电压时会改变其光学特性；以及能够将光捕捉在共振状态中的微小硅结构。把这些硅结构想象成光的“音叉”；当它们以正确的频率振动时，就会紧紧锁住能量。通过使这些“音调叉”具有极高的品质，研究人员放大了电信号的效果，从而能够以极快的速度控制光的传播方向。其结果是一个扁平的固体表面，只需通过切换电压开关，即可将光束重新定向到特定的角度，例如 53.5 度或 32.4 度。

该器件是构建在薄层铌酸锂之上的，这种材料以其对电力的快速反应能力而闻名。在这一薄膜之上，研究人员放置了一个微小的硅纳米天线阵列。这些天线并非实心块，而是通过带有小缺口的设计来使其能够以非常特定的方式与光相互作用。当光击中表面时，它会被捕捉在硅内部的导模中，在其中来回反射后再泄露出来。这种捕捉效应产生了一种共振，即光能积聚的状态。这种共振的质量是通过一个被称为“品质因子”（Q 值）的数值来衡量的。在本实验中，研究人员实现的 Q 值大于 1700，这意味着光在逃逸前会循环多次。这种高品质至关重要，因为它使系统对微小的变化极其敏感。当在下方的铌酸锂上施加电压时，材料的折射率会发生轻微偏移。由于光被紧紧捕捉，即使是这种微小的偏移也会导致天线发出的光波相位发生显著变化。

为了引导光束，研究人员并没有改变天线的形状，而是改变了施加在它们身上的电学模式。他们使用了一种“推拉式”设计，即电压在相邻的天线之间交替改变方向。这在表面上创造了一种重复的相位偏移模式，有效地将这张薄片变成了一个衍射光栅。衍射光栅是一种根据其图案将光分解到不同方向的表面。通过调整电偏置，研究人员可以定义这种模式的间距。在一种配置中，他们设置模式以将光引导至 53.5 度的角度。在另一种使用不同电序列的配置中，他们将同一束光引导至 32.4 度。物理器件本身保持完全不变；改变的仅仅是电学指令。这证明了转向角度是由电学定义的，而不是由芯片的几何形状定义的。

团队测量了该系统的运行效果，发现它可以在每秒高达 9.4 亿次循环（即 940 兆赫兹）的速度下调制光。这个速度足以应对许多高性能应用。他们观察到，大约 0.09% 的入射光功率被成功地重新定向到了引导光束中。虽然这个百分比看起来很小，但它是向新方向转移功率的直接测量，证实了光束确实在移动。研究人员还指出，转向效率取决于器件的大小。他们测试了三种不同尺寸的超表面，并发现器件越小，响应速度就越快。最小的器件测量尺寸为 100 x 100 微米，达到了 940 兆赫兹的最高速度。这种关系表明，如果将器件做得更小，它们潜力甚至可以在几个吉赫兹的速度下运行。

研究的一个关键部分涉及理解为什么这些微小的天线可以单独控制而不互相干扰。由于天线之间的距离非常近，存在一种风险，即被捕捉在其中一个天线中的光可能会泄露到相邻的天线中，导致它们作为一个整体而非独立的控制器起作用。研究人员发现，通过将铌酸锂薄膜蚀刻到天线之间特定的残余厚度，他们可以抑制这种不希望发生的耦合。他们计算出，相邻天线之间的相互作用需要相对于光从共振中自然衰减的速率保持较弱。他们的测量结果证实，耦合确实足够弱，足以允许对每个天线的相位进行独立控制，这对于创建复杂的模式至关重要。

该研究还探讨了当前设计的局限性。研究人员发现，在可用电压下所能实现的相位变化是有限的。为了获得完整的控制范围，他们需要更高的品质因子或更大的电压，但电压受限于材料的特性。他们建议，未来的改进可以来自于优化天线的形状以最大化相位偏移，或者使用更好的制造技术以确保每个天线的行为完全一致。尽管存在这些限制，这项工作证明了创建一个电学可重构、快速且紧凑的束流转向器件是可能的。

这种方法为需要快速、精确控制光的技术提供了一条新路径。未来，此类表面可用于激光雷达（LiDAR）系统，这对于自动驾驶汽车至关重要。它们还可以实现自由空间光通信，即通过光束而非光纤在空气中传输数据。这种无需机械运动即可转向光束的能力，使得这些系统更加耐用，且潜在成本更低。此外，由于转向角度是由电学模式决定的，单个芯片理论上可以被编程为指向许多不同的方向，甚至可以创建更复杂的形状，例如可以进行电子聚焦和去焦的透镜。研究人员通过展示仅通过改变布线模式即可在不同角度之间切换，证明了由同一组相同的纳米天线阵列可以执行多种功能。

这项工作是超表面领域的一个重要进展，超表面是指旨在以天然材料无法做到的方式控制光的工程化表面。通过将铌酸锂的速度与硅纳米结构的精度相结合，团队已经证明了实现高速、电控转向是可行的。他们提供了关于如何平衡高质量共振与独立控制需求的设计规则，为未来的设备提供了蓝图。结果证实，虽然当前原型的效率尚处于初级阶段，但其底层物理机制允许建立一个既快速又灵活的系统，为开发能够实时适应环境的新一代光学设备打开了大门。