基于压电MEMS微镜与相变薄膜异质集成的可调谐超构波片
2026-07-18 14:57:32 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
浙江师范大学和浙江大学的研究团队通过将相变薄膜与压电MEMS微镜异质集成，展示了一种高效可调谐的超构波片（meta-waveplate）。这种异构集成架构标志着自适应超构光学领域的重大进展，为动态可重构且高度紧凑的光子系统开辟了通用途径。
超构表面（Metasurfaces）已经成为亚波长尺度光场调控的重要平台，因其有望取代传统笨重的光学元件而备受关注。然而，目前大多数超构表面均采用静态设计，具有固定的功能。
据麦姆斯咨询报道，近日，浙江师范大学和浙江大学的研究团队通过将相变Sb₂Se₃薄膜与压电MEMS微镜异质集成，展示了一种高效可调谐的超构波片（meta-waveplate）。利用Sb₂Se₃可逆的非晶态-晶态相变特性，并结合MEMS微镜实现的纳米级空气间隙调控，该超构表面在1550 nm通信波长下可实现零波片（ZWP）、半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）功能之间的动态切换。该器件在不同旋转角度下均保持稳定的偏振转换性能。此外，研究团队还基于该平台开发了一套纳米四分之一波片设计库，可实现反射光场的大范围相位调控，并支持可编程的光束扫描。这种可调架构为具有动态切换功能的自适应光子学开辟了新的发展方向。相关研究成果以“Electrically Tunable Meta-Waveplate Enabled by Sb₂Se₃-Heterogeneously Integrated Piezoelectric MEMS Mirror”为题发表于Micromachines期刊上。
可调谐MEMS超构波片设计
图1展示了本研究所提出的可调谐MEMS超构波片（TMMW）器件的工作原理。如图1a和图1b所示，该器件采用异质集成架构，其中涂覆SiO₂-Sb₂Se₃-SiO₂多层膜的MEMS微镜与具有超构表面图案的玻璃衬底键合。该MEMS微镜由集成在微镜表面下方的锆钛酸铅（PZT）压电薄膜执行器驱动。通过施加调制压电Vₘ，利用电压驱动调节界面空气间隙Tₐ，从而实现器件的动态调控。相变材料Sb₂Se₃的相变状态可以通过电热相控方案实现可逆切换。
图1 可调谐MEMS超构波片反射模式下的工作原理
从微观的角度来看，可调谐MEMS超构波片的超构单元沿x和y主轴方向的光学反射响应可通过琼斯矩阵完整描述。图2展示了x偏振光激励下，可调谐MEMS超构波片的超构单元在非晶态和晶态时随空气间隙Tₐ变化的模拟反射振幅和相位分布，其结果与图1c至图1h的工作状态一一对应。
图2 在1550 nm波长、x偏振光激励下，反射系数随超构原子尺寸变化的映射图
图3展示了在x偏振和y偏振光入射下与波长相关的反射振幅（|𝑟xx|和|𝑟yy|）及相对相位差（Δδ），表明了在不同空气间隙值下，无论处于非晶态还是晶态，器件均表现出良好的可调性能。
图3 可调谐MEMS超构波片在x偏振和y偏振光激励下的模拟光谱响应，显示了反射振幅（|𝑟xx|和|𝑟yy|）和相对相位差（Δδ）
可调谐MEMS超构波片性能
为了进一步评估可调谐MEMS超构波片的性能，研究团队分析了反射光的三个关键偏振参数：线偏振度（DoLP）、圆偏振度（DoCP）以及线偏振角（AoLP）。图4展示了在1500-1600 nm波长范围内，左旋圆偏振（LCP）和右旋圆偏振（RCP）激励下反射光的偏振特性，并比较了不同空气间隙配置下Sb₂Se₃分别处于非晶态和晶态下的器件特性。
图4 圆偏振光激励下，可调谐MEMS超构波片的性能
为了进一步量化可调谐MEMS超构波片的光学性能，研究团队分析了器件的反射率和偏振转换效率。反射率定义为反射光强与入射光强之比，偏振转换效率定义为转换为目标偏振态的光强与入射光强的比值。如图5所示，在所有四种工作状态下，器件的反射率和偏振转换效率均稳定保持在69.0%以上，峰值甚至超过82.1%。
图5 圆偏振光激励下，可调谐MEMS超构波片的反射率和转换效率
为了在圆偏振基下实现同偏振（co-polarized）和交叉偏振（cross-polarized）反射波的同步且独立的相位调制，研究团队在原结构基础上，设计了两个用于波束扫描的新梯度超构表面（MS1和MS2）。对于超构表面MS1（Sb₂Se₃处于晶态，Tₐ为250 nm），LCP入射光被引导到同偏振和交叉偏振衍射通道中，如图6c所示。通过协同利用谐振相位和几何相位，超构表面MS2（Sb₂Se₃处于晶态，Tₐ为250 nm）被设计成将同偏振光波和交叉偏振光波分别引导至−1级和+1级衍射级。
图6 可调谐MEMS超构波片MS1的性能
图7 可调谐MEMS超构波片MS2的性能
总结
综上所述，这项研究通过将相变Sb₂Se₃薄膜与压电MEMS微镜异质集成，实现了一种近红外波段的可调谐MEMS超构波片。该平台可在1550 nm波长下实现半波片（HWP）和四分之一波片（QWP）功能之间的动态可逆切换，并在宽旋转角范围内保持稳定的偏振转换性能。此外，研究团队建立了一套纳米四分之一超构波片（QWP）设计库，其谐振相位调控范围超过270°，这不仅有助于实现高效的圆偏振到线偏振的转换，同时还能对反射波前进行大范围相位调控。通过将谐振相位与几何相位结合，研究团队进一步实现了圆偏振光激励下同偏振和交叉偏振通道的可编程光束扫描。这种异构集成架构标志着自适应超构光学领域的重大进展，为动态可重构且高度紧凑的光子系统开辟了通用途径。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17060704
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