光子学新时代：超构表面赋能集成硅光子学
2026-04-11 22:18:16 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
超构表面与硅光子器件具有互补的优势与局限，因此将二者集成是突破单一技术短板的有效策略。具体而言，将这两种技术结合后，可将PIC的动态调控能力与系统级集成特性，与超构表面实现的具有空间分辨能力的波前调控功能相结合。
光子学涵盖了光子产生、调控和探测相关的科学与技术，是现代光学系统和集成光路（PIC）的基础。集成光子学作为光子学的一个关键分支，利用半导体材料以及与CMOS兼容的制造工艺，实现了高度微型化的片上光路。超构材料（Metamaterials）和超构表面（Metasurfaces）是经由人工设计的介质，其能依靠亚波长结构以天然材料无法实现的方式调控电磁波。
超构表面与硅光子器件具有互补的优势与局限，因此将二者集成是突破单一技术短板的有效策略。具体而言，将这两种技术结合后，可将PIC的动态调控能力与系统级集成特性，与超构表面实现的具有空间分辨能力的波前调控功能相结合。
据麦姆斯咨询介绍，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所及南京航空航天大学等机构的联合研究团队近期在Advanced Photonics期刊上发表了一篇题为“Metasurface-empowered integrated silicon photonics: foundational principles, representative applications, and fabrication strategies”的综述性论文。研究团队从“基础原理、典型应用、制造策略”三个相互关联的角度，对超构表面集成硅光子学进行了全面综述。
为系统梳理目前已报道的各类集成策略，研究人员根据物理布局和制备方法将超构表面集成硅光子学分为两大类：片外耦合与片上集成（图1）。图1不仅对分类进行了总结，还展示了超构表面集成器件中对应的光相互作用路径。片外耦合是指将超构表面放置在与光子芯片存在物理间距的位置，通过自由空间传播或光纤接口实现光连接。这类配置虽限制了集成密度，并且需要制备后的精确对准与封装，但在验证超构表面功能方面曾发挥基础作用，至今仍对概念验证演示及模块化系统开发具有重要价值。相比之下，片上集成将超构表面直接整合至硅光子芯片平台，可实现更紧密的空间耦合、更优异的性能以及更高的可扩展性。
图1 超构器件与光子芯片集成示意图，分为片外耦合和片上集成两种集成方式，片上集成又进一步细分为混合集成、表面集成、嵌入集成三类，透视图展示了各类集成的代表性结构。白色箭头表示每种集成方案中典型的光传播路径。
为了奠定清晰的基础，本综述详细介绍了关键的概念原理，涵盖了超构表面和硅光子学的基础物理学以及二者集成的概念和分类。
片上集成
片上集成是指在光子芯片的制造过程中，将超构表面直接集成到芯片中的策略。该方法具有诸多优势，包括消除对准问题、实现紧凑的器件设计以及实现超构表面与光子组件的无缝耦合。片上超构表面集成主要包含三种方式：混合集成、表面集成、嵌入集成。为了在光子芯片制造流程中对超构表面集成策略进行系统对比，图2和图3从集成时机、加工工艺、优势及挑战等方面，总结了片外耦合、混合集成、表面集成、嵌入集成四种典型方案。每种方案对应绝缘体上硅（SOI）光子工艺的不同阶段，并且在兼容性、可扩展性和制造复杂度之间存在独特的权衡。
图2 根据物理布局和制备工艺对超构表面集成硅光子器件进行分类
图3 四种代表性方案的制造方法、集成技术、优势与挑战对比
典型应用
超构表面与光子芯片的集成已成为现代集成光子学领域一项具有变革性的范式，能在自由空间-芯片光耦合、片上导模调控、导模-自由空间辐射这三个关键工作阶段实现对光与物质相互作用前所未有的操控（图4）。这些关键工作阶段对应自由空间模式与导模之间的光转换方向，体现了超构表面在整个光学信息链中的工作方式。在耦合阶段，超构表面充当接口，使来自光纤或自由空间光束的外部光能够高效耦合进入片上波导。在传输阶段，超构表面集成于芯片内部，用于调控光在导波介质中的传播。最后，在辐射阶段，超构表面将导波光转换回具有定制波前的自由空间光束。
图4 超构器件在集成光子芯片系统中的应用
由此，能够实现多种应用，包括芯片级全息显示、集成传感器，以及用于光束操控或空间复用的波前整形。此外，超构表面在面内和面外表面等离激元极化子的激发与调控方面也发挥着关键作用。尽管严格来说并不归属于自由空间或导模转换范畴，但基于表面等离激元极化子的功能构成了光子学与等离激元学领域之间的重要桥梁，因此被列为互补且关键的应用领域。本论文通过专门的章节对这三个领域的最新进展进行了分类并详细综述，探讨了其针对特定应用的发展与创新。
图5 片上超构表面在全息成像、色彩生成和图像路由中的典型应用
图6 由超构材料辅助结构实现的代表性多功能光学传感器
图7 用于结构光生成和波前调控的片上导波驱动超构表面
展望与结论
本文综述了超构表面与光子芯片的研究现状及进展，并对其基本原理进行了系统阐述。此外，本文还总结并探讨了集成器件中最具代表性的设计方案，强调了它们在优化光调控与集成性能方面的积极贡献。最后还详细阐述了不同类型器件的制备技术，分析了它们在形貌设计与加工方面的优缺点。
为加速超构表面集成光子器件的开发与应用，重点聚焦非硅平台、材料及光学现象的创新至关重要。这些跨学科进展为提升各类光学系统中超构表面的性能与功能提供了巨大潜力。本综述总结了突破集成光子学边界，推动开发适用于各类应用的更紧凑、高效、高性能光学系统的创新进展。
超构表面与硅基PIC的融合为集成光学开启了新篇章，展现出极为广阔的应用前景。未来的发展有望沿以下几个关键方向演进：
（一）动态调控有望成为未来研究的核心方向。将相变材料、电光材料、微/纳机电执行器等有源材料与硅光子器件集成，能够实现可重构超构表面，支持实时光束操控、自适应聚焦和可调谐全息成像。这些混合平台为可编程超构芯片提供了可能，通过电或热按需调控超构表面的波前调控，可实现超构表面或PIC单独无法企及的多功能性。
（二）量子超构表面是实现紧凑且可扩展量子光子系统的一条极具前景的路径。与硅基PIC集成后，超构表面可通过亚波长精度的偏振调控、空间模式工程和相位调制，助力片上量子态生成、路由与操控。这些能力可实现量子态多路复用、高维量子编码和更高效的纠缠分发，推动量子信息系统的小型化与功能拓展。
（三）超构表面与PIC集成技术的进步，还将得益于新型材料平台与深度学习、全局优化、拓扑优化等智能设计方法的联合应用。在此背景下，III-V族半导体、铁电薄膜、相变材料等材料为超构表面辅助的片上架构提供了额外的物理自由度，可被系统性开发利用。这些方法能够加速研发出效率更高、带宽更宽且具备多功能工作模式的器件结构。
总结而言，超构表面已成为亚波长尺度下实现精准光调控的变革性技术，将其集成到片上光子系统中，为推动小型化、多功能且可扩展的光学器件发展带来了广阔前景。集成工艺快速演进，催生了创新性的结构设计，也让超构表面的潜力突破了传统光子学的范畴。这些进展让人们能更好地控制集成光子系统中的片上互连、信号传输与处理，对高性能传感器、光信号处理、光学全息显示，以及激光雷达系统和环境监测等领域产生了重要影响。这种集成不仅会提升现有应用的性能，还将实现全新的功能，为通信、医疗健康、环境传感等众多领域带来重大创新，标志着光子学新时代的到来。
论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.8.2.024003
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