悬空超表面加速中红外调制

瑞士、中国和俄罗斯的研究人员制造出含有 1 cm² 芯片的晶圆，每块芯片由 49 个新型硅超表面组成，用于调制红外激光光。[图片：EPFL BIOS CC BY SA 4.0]

一个国际科学家团队开发出一种新型硅基超表面，能够以极高速度调制中红外光，同时实现高精度和大幅度（Nat. Commun., doi: 10.1038/s41467-026-75121-6）。他们认为，该系统与 CMOS 制造工艺兼容，可应用于从光通信到量子光学的各个领域。

打造合适的超表面

超表面是由亚波长尺寸特征阵列构成的极薄人工材料，能够以新颖的方式操控光的相位、振幅和偏振。当超表面表现出尖锐共振时尤为有用——共振由称为品质（Q）因子的无量纲参数来量化——因为其窄带响应和对电磁场的强增强效应可实现高效激光、高分辨率光谱等应用。

然而，要制造出兼具高 Q 因子和显著振幅对比度的超表面绝非易事。要构建光学响应可在时间上主动控制的器件也很困难。对于波长在几微米量级的中红外超表面，这些问题尤为突出，因为损耗变得显著。例如，光通信中常用的材料——绝缘体上硅或蓝宝石上硅——在稍长波长下工作时会经历严重吸收。

在最新研究中，瑞士洛桑 EPFL 的 Hatice Altug、Felix Ulrich Brikh 及其同事与俄罗斯和中国的研究人员合作，展示了如何通过使用与高通量晶圆生产兼容的悬浮单晶硅薄膜超表面来克服这些问题。他们通过选择性去除绝缘体上硅晶圆上的（红外损耗的）缓冲氧化层并刻蚀贯穿承载硅的窗口来制造薄膜，同时通过以椭圆孔六角晶格图案化薄膜来针对中红外调谐其共振。

投入测试

研究人员首先使用定制显微镜测量一系列设计的透射光谱，以评估系统的静态性能，这些设计分别采用芯片级电子束光刻和晶圆级深紫外光刻制作。他们逐个改变超表面之间孔的椭圆度，记录每种情况下 Q 因子与共振振幅之间的权衡。对于形变因子为 1.08 的圆孔，他们实现了略低于 3000 的 Q 因子和超过 50% 的振幅对比度——他们表示这一组合“相比此前报道的中红外超表面实现了重大改进”。

此后，Altug 和同事将注意力转向动态测试，采用两种不同的方法来调谐超表面对中红外辐射的响应。其中一种方法是在每个超表面的边缘蒸镀铝薄膜，以驱动电流通过该结构，从而使其升温，并通过热光效应改变其折射率。他们用磷对硅进行掺杂，以增强给定电压下的加热效果，但前提是能够通过最小化非辐射光学损耗来维持高 Q 因子。

如果各种障碍能够被克服，研究人员认为他们的技术可能非常适合一系列应用。

为了最大化超表面的响应速度，他们必须克服空气是不良热导体这一事实，这使得在一个周期开始之前将热量从上一个周期中移除变得困难。这里的诀窍是制造更小的薄膜，因为它们比更大尺寸的版本能更有效地从侧面散热。然而，他们必须在阵列中保留一定数量的单元胞，以保持高 Q 因子。他们发现，对于小至 75 微米的薄膜，仍可实现所需的尖锐共振，其散热速度足够快，可达到 14.5 kHz 的调制频率。

全光方案

然而，这一速度与研究人员第二种（全光）调制方案所获得的速度相比相形见绌。该方案是将可见光泵浦脉冲照射到硅薄膜上，在硅中产生载流子，从而在极短的时间尺度上改变其折射率。为了探测这些转瞬即逝的变化，他们使用了第二个中红外脉冲源，通过改变两组脉冲之间的时间延迟，来确定材料在被可见光激光器移动到稍短波长后恢复原始共振所需的时间。

他们发现，他们可以在短至 2 纳秒内改变超表面并使其恢复到原始状态。虽然这一时间尺度原则上决定了调制速度，但任何实际工作的器件还必须在每个周期中散去激光产生的热量。由于硅的折射率可以被相当少量的感应电荷显著改变，从而最小化所需的泵浦强度，他们计算出该材料应能承受高达 120 兆赫兹的循环速率。

Altug 及其同事表示，通过在薄膜中引入更多缺陷以促进载流子复合，这一速率原则上可提升至 1 GHz。然而，他们提醒说，将外部泵浦激光器集成到实际器件中并不容易，这使得全光方案在实践中比电热方案更难实现。至于悬空薄膜的脆弱性，他们声称，针对中红外优化的结构将与广泛商用的微机电系统（MEMS）一样坚固。

如果各种障碍能够被克服，研究人员认为他们的技术可能非常适合一系列应用。这些应用包括高速、低功耗的自由空间通信，以及非常灵敏的化学和生物传感器，还有量子光学中的若干增强能力——例如对单光子源更高效的控制和可调谐的纠缠光子对产生器。