MEMS可重构超构表面与纳米光子学：进展与展望
2026-04-03 15:15:39   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微机电系统（MEMS）已成为实现可重构超构表面（Metasurface）与纳米光子学的重要技术，为原本在静态纳米光子器件中固定的光学功能提供了动态、低功耗且可扩展的调控手段。通过引入机械自由度，MEMS驱动的超构表面与纳米光子学能够在宽光谱范围内实现对光学共振、耦合强度、相位分布以及辐射特性的实时调制。这一能力为自适应传感、可调谐辐射源、可重构硅光子平台、动态超构透镜（Metalens）以及太赫兹（THz）超构表面等领域开辟了新的机遇。

据麦姆斯咨询报道，近日，新加坡国立大学的研究团队在Micro & Nano Manufacturing期刊上发表了题为“MEMS-enabled reconfigurable metasurface and nanophotonics: advances and perspectives”的综述论文，概述了近年来MEMS驱动的可重构超构表面与纳米光子学的最新进展，重点关注以应用为导向的发展方向，包括传感、辐射源、集成硅光子学、平面光学以及太赫兹系统。此外，文中还讨论了在人工智能（AI）辅助设计与闭环控制推动下，智能化与可编程纳米光子系统的发展趋势。最后，该综述展望了将MEMS驱动的可重构纳米光子技术从实验室验证走向实际大规模应用过程中仍需解决的关键挑战及未来发展方向。

近年来，MEMS技术与超构表面、硅光子学以及太赫兹纳米光子学的融合，显著拓展了可重构光子系统的功能边界和应用空间（图1）。值得注意的是，大面积MEMS驱动技术、与CMOS工艺兼容的制造方法以及异质集成的进展，使得系统级、可扩展实现成为可能，推动MEMS驱动的纳米光子技术从概念验证逐步迈向实际应用部署。与此同时，可重构纳米光子系统日益增长的复杂性，促使AI与机器学习方法被引入到器件设计、优化与调控中。AI辅助逆向设计、物理信息神经网络以及闭环优化策略，在应对MEMS-纳米光子系统高维设计空间方面展现出巨大潜力，并能够实现自适应、自优化运行。这些进展正推动纳米光子学从可重构向可编程和智能化转变，使光子功能能够根据环境反馈和应用需求实现动态自适应调节。

图1 MEMS驱动的可重构纳米光子学发展路线图

可重构纳米光子学的MEMS驱动机制

MEMS通过将电激励转换为可控的微机械运动，为纳米光子结构的动态调谐提供了一种高效平台。为了在MEMS光子系统中产生平面外和平面内机械运动，研究者已开发出多种驱动机制。其中，热驱动、静电驱动和压电驱动是应用最为广泛的三类方案，主要得益于它们与微纳制造工艺的良好兼容性，以及在微尺度下实现可控位移的能力。不同驱动机制在驱动电压、响应速度、位移范围和功耗等方面各有权衡。

MEMS驱动的可重构超构表面与纳米光子学的应用

用于传感的MEMS纳米光子学

静态纳米光子结构（包括等离激元纳米天线、光子晶体和超构表面）通过在亚波长尺度实现强场约束和增强的光–物质相互作用，在光学传感领域取得了显著进展。尤其是基于静态超构表面的传感器，利用精心设计的共振效应来增强与分子振动和转动“指纹”的相互作用，在太赫兹和中红外（MIR）光谱范围内展现出高灵敏度和分子选择性。这类方法已被广泛应用于化学和生物传感领域。

尽管已经取得了诸多进展，静态纳米光子和超构表面传感器仍然受限于其在制造阶段即已确定的固定光谱响应。这些根本性限制推动了动态与自适应传感策略的发展，即通过动态调谐纳米光子结构的光学响应，使其能够实时匹配目标分析物的光谱特征。在这一背景下，MEMS驱动的可重构纳米光子学提供了一种极具吸引力的解决方案。通过机械方式调制光学共振、耦合条件或等效腔长，基于MEMS的纳米光子传感器能够实现光谱响应与分子吸收特征的动态匹配，从而增强光–物质相互作用，并提升对环境波动的鲁棒性。这种能力在太赫兹和中红外光谱范围尤为关键，因为这些波段中的分子指纹识别高度依赖于精确的光谱匹配。

图2 用于传感的MEMS纳米光子学

从基于平面外驱动的基础共振调谐，到可穿戴计算光谱技术，再到面向实际应用的气体传感平台，MEMS提供了一种统一的机械调谐框架，从而提升了系统的适应性、光谱精度和整体鲁棒性。这些优势使得MEMS驱动的可重构纳米光子学成为下一代智能化、自适应传感系统的关键技术。

基于MEMS的可重构硅光子平台

硅光子学已成为集成光学的重要平台，这主要得益于其支持器件的微型化，并且能够采用与CMOS工艺兼容的制造技术。然而，在许多应用中，实现片上导光只是部分挑战，光子回路还必须具备可调谐性。

因此，将MEMS驱动器与纳米光子波导集成，已成为实现集成光学中实际可重构性的最具吸引力路径之一，主要因为它能够解决大规模波导系统中的两个关键瓶颈：（i）单个器件的调谐范围有限，以及（ii）功耗和热负担随着电路规模扩大而不利增长。传统硅光子技术在很大程度上依赖热-光效应调谐和自由载流子效应。这些方法在工艺上较为简单，但其引起的折射率变化幅度较小，并且通常伴随着一些代价，例如静态功耗、热串扰、额外的光学损耗以及对波长的敏感性。当需要数百到数千个调谐单元时，这些问题会变得尤为突出。相比之下，MEMS并非通过微小改变材料折射率来实现调谐，而是通过直接对波导结构的几何形态进行重构（例如间隙、重叠程度或对称性），从而在几乎零静态功耗的情况下实现显著的光学响应变化。

图3 MEMS可调谐纳米光子波导器件，实现可重构光学功能

近年来的发展表明，MEMS作为一种几何驱动的调谐方法，具有较高的光学调制效率和近乎零的待机功耗，能够直接应对高密度波导系统中热调谐所面临的规模化限制。随着集成光子学向高密度、可重构波导系统不断发展，MEMS为在控制系统级功耗、串扰和损耗的同时保持可编程性，提供了一条技术上可行的实现路径。

用于可调谐超构材料的MEMS垂直驱动平台

作为一种典型的MEMS驱动平台，垂直驱动结构为微器件的机械重构提供了一种简单而有效的方式。该结构依赖于一个悬置元件，在施加电压时可向固定电极方向移动，从而实现可控且可重复的平面外运动。垂直驱动具有结构紧凑、能效高且与CMOS工艺兼容等优点，因此被广泛应用于可调谐超构材料中，以实现对光场的灵活调控。

总而言之，MEMS垂直驱动平台是一种强大的调谐手段，能够提供空间维度上的可调性。随着研究不断探索诸如连续域束缚态（BIC）、拓扑光子学以及量子光学等新型物理机制，将垂直MEMS驱动与先进光子架构相结合，有望实现更丰富的调谐能力，并催生更加多样且非常规的光学功能。

图4 基于MEMS器件层协同垂直驱动的微纳光子学应用

MEMS驱动的可重构超构透镜

基于平面超构表面的超构透镜已成为一种颠覆性的光学平台，通过提供超薄、轻量且高度紧凑的替代方案，有望取代传统折射光学器件。通过对亚波长尺度的超构原子进行空间工程设计，超构透镜能够精确调控入射光的相位、振幅和偏振，在平面结构中实现衍射极限聚焦和像差控制。这些独特优势推动了其在成像、增强现实（AR）与虚拟现实（VR）以及紧凑型光学系统等领域的广泛研究。然而，与其它静态超构表面器件类似，传统超构透镜在制造完成后其焦距等光学特性即被固定，这从根本上限制了其对不同成像条件、目标距离以及系统需求的适应能力。

为克服这一限制，研究者提出了MEMS驱动的可重构超构透镜，通过机械驱动实现对光学聚焦的动态调控。

图5 MEMS驱动的可重构超构透镜

MEMS驱动的可重构超构透镜正从基础的可调焦元件，快速发展为具备多功能性、可扩展性且面向实际应用的平面光学系统。通过利用精确的机械控制，MEMS驱动的超构透镜克服了静态超构表面的固有不可调性，实现了自适应聚焦、像差校正以及系统级的可重构能力。随着MEMS制造技术和异质集成的不断成熟，可重构超构透镜有望在下一代紧凑型成像系统、可穿戴光学以及智能光子平台中发挥关键作用。

MEMS驱动的可重构太赫兹超构表面

将MEMS驱动与超构材料及超构表面谐振器集成，催生了一类强大的结构可重构平台，可用于对电磁波进行动态调控。通过将柔性的微/纳机械元件直接嵌入亚波长单元结构中，这类系统能够以高可逆性和器件级可扩展性，对共振频率、线宽、偏振响应以及近场耦合进行调制。

与相变材料或载流子注入等基于材料性质调谐的方法相比，基于MEMS的可重构提供了一种几何优先的调控路径，不仅与光刻制造工艺具有良好的兼容性，还可实现大范围调谐和多状态可编程。图6展示了一系列具有代表性的MEMS驱动可重构超构材料与超构表面平台，整体反映了该领域从基础光谱调谐向可编程化、面向传感以及高性能纳米光子功能演进的发展趋势。

图6 MEMS/NEMS驱动的可调谐超构材料与超构表面的发展时间线及代表性功能

AI辅助的可重构超构表面设计

尽管可实现的功能迅速扩展，设计层面却面临日益突出的瓶颈：MEMS超构表面将亚波长单元与可机械变形的几何结构相结合，形成了一个高维且强耦合的参数空间，难以仅依赖全波仿真和人工经验进行有效探索。尤其是在多目标优化任务中，需要在大量几何结构和机械状态之间反复评估，使传统优化方法的计算成本迅速变得难以承受。这些挑战自然推动了基于深度学习的设计范式的引入，其中神经网络可作为快速代理模型、逆向设计工具和生成模型，加速设计空间的探索，并实现MEMS结构与电磁响应的协同设计。

深度学习（DL）已迅速成为计算物理领域的核心工具之一，因为它能够以实用的方式学习高成本数值求解器的快速代理模型，实现从响应到结构的逆向映射，并发现超越人类直觉的新型设计。在超构材料/超构表面研究中，这一趋势尤为显著：亚波长单元会产生高度非线性的光谱响应，而当从静态结构拓展到可重构的MEMS几何结构时，设计空间很快变得高度高维。因此，深度学习不仅被用于加速全波电磁仿真流程，也逐渐用于实现器件设计与系统级目标之间的协同优化。

图7 深度学习辅助的MEMS超构材料/超构表面设计架构

深度学习正通过满足两个互补需求来重塑MEMS超构材料/超构表面设计：一是数据高效的探索，二是快速且精确的设计收敛。结合其它新兴模型架构，这些方法为处理电磁-机械耦合的设计空间提供了一套实用工具，从而实现更快速的设计探索、更精确的性能目标达成，以及器件级超构表面工程与系统级功能之间更紧密的融合。

结论与展望

MEMS驱动的可重构超构表面与纳米光子学已迅速发展为一种多功能且强大的动态光调控范式，克服了传统静态纳米光子器件的固有不可调性。通过引入机械自由度，MEMS提供了低功耗、大调谐范围和宽带调控能力，使得对光学共振、相位分布、耦合条件以及辐射特性的自适应调控成为可能。这些能力已在多个应用领域取得显著进展，包括自适应传感、可调谐超构表面辐射源、可重构硅光子平台、动态超构透镜以及太赫兹超构表面等。

随着MEMS制造技术、异质集成以及智能化控制的持续发展，MEMS驱动的可重构超构表面与纳米光子学有望在下一代自适应光学系统中发挥关键作用，推动该领域从实验室验证迈向实际应用。力学、光子学与人工智能技术的融合，最终将重塑光学功能在多种技术领域的设计、操控与应用方式。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s44374-026-00015-y

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》