基于薄膜铌酸锂的可调控透射型超表面技术

逍遥设计自动化

引言
1 a; V0 }: I+ d( |随着光电子技术的快速发展，实时精确控制光的特性变得越来越重要。超表面作为一种具有亚波长结构的工程化表面，为动态光操控提供了新的解决方案。本文介绍一种基于薄膜铌酸锂和氧化铟锡（ITO）超光栅的透射型光强度调制器的研究进展[1]。
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( \7 A/ o$ ^" G2 `+ w器件结构与工作原理
: K/ ]% T# C, P5 O; A. X这项创新的基础在于其独特的结构设计。该器件采用了商用的x切铌酸锂绝缘体（LNOI）平台，由310纳米厚的铌酸锂薄膜置于约2微米的二氧化硅层之上。在器件的基本结构中，ITO纳米条被沉积并图案化在铌酸锂表面，形成周期性的超光栅结构。每个单元包含一对间距为220纳米的纳米条，这种精密的几何配置是实现高效电光调制的关键。
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图1：器件结构与工作原理展示：(a)横截面视图，(b)基本TE导模剖面，(c)器件俯视图，(d)扫描电镜图像，以及(e)透射型光调制器的功能示意图。
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* @" I9 T5 \: {2 c0 W% E该设计的独特之处在于ITO纳米条的双重功能：既作为电接触又作为谐振结构。这种创新方案显着简化了制造工艺，避免了复杂的对准要求。更重要的是，相比传统的金属接触，ITO的使用大大降低了光学损耗。器件在近红外区域通过透明导电氧化物层产生导模谐振（GMRs），实现了高效的电光调制。

, Q2 P) z1 O0 H! x, ]为了优化光的耦合效率，在每个纳米条的外侧创建了周期性凹槽结构，用于补偿动量失配。这种结构设计允许多个导模谐振级次在较宽的光谱范围内激发，满足式(2)：p = λeff,i = λ0/neff,i，其中λeff,i是第i阶GMR的有效导模波长，neff,i是其有效折射率，λ0是自由空间波长。

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光学性能与表征
详细的光学表征显示，该器件在多个方面都表现出优异的性能。实验测试采用了超连续谱宽带激光器配合单色仪作为可调谐光源。

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图2：器件导模谐振（GMR）表征，显示了在不同波长和入射角下的实验和模拟透射谱。
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在968.5纳米波长处，器件实现了基模谐振，品质因数高达440。这种高品质因数反映了器件优异的光场约束能力和较低的损耗。实验结果表明，器件在共振波长处表现出明显的透射凹陷，同时在非共振区域保持了约70%的高透射率。这种高背景透射率特性得益于ITO材料在近红外区域的低光学损耗。

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. b: x/ d. }: _# V, d+ O电光调谐机理与性能

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1 ^; M7 e, B( X9 P/ f7 z% W: I: A图3：器件在直流偏置下的光谱位移，展示了不同GMRs在±10V下的光谱位移和相应的调制比。
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器件的电光调谐能力通过直流和交流测试进行了系统研究。当在ITO纳米条之间施加±10V偏置电压时，基模出现了0.38纳米的显着光谱位移。这种位移源于铌酸锂中的电光波克尔斯效应：在电场作用下，材料的折射率发生变化，进而调制光的传输特性。不同模式表现出不同的调制效率，其中高阶模式达到了4.6%的最大调制幅度。
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* v% K5 y+ a" v. Q3 p$ n图4：器件在交流偏置下的调制特性，显示了在各种条件下的透射光响应，以及从不同正弦调制幅度中提取的调制比。

在交流调制测试中，器件展现出优异的线性响应特性。通过测量不同波长处的透射光响应，发现调制信号在共振波长两侧表现出相位相反的调制效应，而在共振波长处表现出倍频响应。这些现象与直流测试结果相符，证实了调制效应确实源于电光效应而非热效应。
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' u- y+ K' Z/ v8 E9 L: n1 H* ^应用前景
该器件的设计特点使其在多个领域具有应用潜力。在空间光调制方面，器件的透射型设计使其易于集成到复杂的光学系统中。在光通信领域，其在近红外波段的工作特性使其适用于高速光信号调制。此外，器件在900-1000纳米波长范围的工作能力使其适合用于激光雷达系统，而在铷原子吸收波长附近的调制能力则使其在磁场传感等精密测量领域具有应用价值。

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结论
可调控透射型超表面的研发展示了光调制技术的新进展。通过将铌酸锂的电光特性与ITO超光栅的优异光学性能相结合，该器件实现了高效的光调制，同时保持了高透射率和简化的制造工艺。这项技术将为光通信、传感等领域的发展提供新的技术支持。

1 r! k" v) E( e: T( G3 Z参考文献
[1] Z. Chen, N. Mazurski, J. Engelberg, and U. Levy, "Tunable Transmissive Metasurface Based on Thin-Film Lithium Niobate," ACS Photonics, Feb. 2025, doi: 10.1021/acsphotonics.4c02354.
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