光以卓越的多自由度调控能力，特别是大带宽和高速传输能力，使光子技术成为信息科学中高速通信和高性能计算的极具潜力平台。在过去的十多年里，超表面作为一种通过精巧设计的人工二维纳米结构操控光的前沿方法备受关注。在基础科学和工业领域呈现出广泛的应用前景，包括波前整形、偏振控制、成像、光谱测量和计算等领域。近年来关于超表面的研究聚焦于实现可调或可重构的光场，尤其在高速时空控制方面展现出巨大的潜力，为光子技术领域引入新颖的物理和实际应用。然而，高速、高效地在超表面上实现多自由度的可调性仍然是一个亟待解决的难题。
华东师范大学与南京大学的科研人员合作，通过集成超表面与光波导技术，实现了光场的高速时空控制。该方案融合了紧凑的光子集成电路（PICs），通过在PIC器件中整合超表面、绝缘体上铌酸锂薄膜（LNOI）的光波导和电极，成功展示了千兆赫可切换的波前整形。该集成平台为在紧凑系统内高速操控光场提供了高效路径，为光通信、计算、传感和成像等领域的创新性应用铺平了道路。相关论文以“Gigahertz-rate-switchable wavefront shaping through integration of metasurfaces with photonic integrated circuit”为题发表在Advanced Photonics 2024年第1期。
研究人员通过两根铌酸锂（LN）脊型波导在平板波导中引入正交传播的两个波导模式，并通过电控马赫-曾德尔干涉仪（MZI）和相移器实现了平板波导中偏振态分布的高速调制。随后，在平板波导上设计硅超表面结构，实现了不同功能光束的高速切换。器件基于X切LNOI平台设计，采用时域有限差分法（FDTD）模拟获取了平板波导区域精确的偏振态分布，如图1 所示。
图1 具有LNOI的PIC驱动型超表面器件示意图，红色箭头表示铌酸锂光轴方向
图2 (a) 展示了器件的显微镜图像，电极长度为5 mm，间隙为6.5 μm。图2 (b) 为加工的超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。图2 (c) 是实验中得到的聚焦光束，其半高全宽（FWHM）约为2 μm。通过施加在电极上的电压的调节，成功实现了焦点极化状态的动态操控。图2(d) 的庞加莱球上的测量点展示了对焦点调控得到的偏振状态，相应的消光比（PER）约为20 dB。由于加工存在一定的偏差，靠近庞加莱球两极的表面未被完全覆盖，这一问题可以通过提高加工精度或者再引入一个MZI来解决。通过调整电极电压，可以在蓝色区域对应的偏振状态间实现任意切换，如图2(e)和图2(f)所示，展现出器件的高稳定性和可重复性。
图2 (a) 所制备器件的显微镜图像。 (b) 波导超表面的SEM图像。 (c) 实验中得到的聚焦光束。 (d) 调控所得焦点的偏振状态在庞加莱球上的分布。(e)焦点的一种偏振状态随时间变化的Stokes参数。 (f) 在两个偏振状态之间切换过程的Stokes参数
除了能够生成具有可重构偏振态的单一波前外，该方案还通过引入偏振相关的超表面，实现了多功能的高速切换。如图3（a）所示，通过引入两组基于几何相位的超表面，可以通过偏振态的调控实现两种功能的切换。相关超表面由两组硅纳米条组成，分别基于左旋圆偏振和右旋圆偏振状态设计了两个聚焦在不同位置的聚焦光束。通过切换电压，实现了散射光在两个设计焦点之间的转换，同时抑制同偏振态噪声。实验显示其消光比约为10.2 dB，电光带宽约为1.4 GHz，证明了该策略的有效性。研究人员指出，这种高速可切换波前技术在光通信、成像、计算和传感等领域有巨大潜力。此外，通过使用光轨道角动量（OAM）光束替代焦点光束，器件也能够动态操控具有不同拓扑数的OAM光束，这为高速光通信和光操作的实现提供了可能。上述结果也表明在该平台上，利用基于几何相位的策略来实现空间复用的多通道器件是可行的。
图 3 (a) 可切换超表面设计的示意图。(b) 加工的超表面结构的SEM图像。(c)–(e) 在不同偏振状态下焦点的理论计算结果，其中图中标注为对应的入射偏振态。(f)–(h)展示了相应的实验结果。通过分别向电极施加图中所示的不同电压，实现不同位置的聚焦。(i) 描述了(f)中右侧焦点的强度随施加电压变化的关系；(j) 展示了在0Hz至2 GHz调制频率范围内，电光调制的焦点强度的最大振幅值
与此同时，研究团队证明了通过在PIC器件上应用双折射纳米结构来实现具有任意正交偏振状态波前的动态切换。通过调节纳米结构的尺寸和旋转方向，可以得到所需的琼斯矩阵，从而实现具有相应偏振状态的波前。并且，研究人员通过该方法实现了具有一般正交偏振态的贝塞尔光束间的可切换生成，这表明该方法在任意偏振状态下实现了可切换功能。该方案对于偏振光学应用具有重要意义，它提供了高度的多功能性和适应性。
实验结果证明了系统在任意正交偏振状态下进行波前整形和切换的能力。这种高速可切换的方案还可以扩展到非正交偏振状态，通过采用更复杂的单元结构、交错设计和人工智能技术等方法，可以实现更多的可切换偏振通道。这种方法不仅能生成特定的光束，还支持多种可切换和复杂的功能。利用PIC驱动的超表面不仅可以生成具有同偏振态的可切换的波前，还具有生成复杂矢量波前的潜力。此外，该方案也可以利用其他高速调制的PIC平台和机制，例如基于载流子色散的调控技术等，从而实现更高的集成度，提高与CMOS技术的兼容性。
该研究展示了一个基于LNOI的PIC驱动超表面集成光场调控平台。研究人员通过引入电控MZI和相移器，构建了一个可高速调控的多功能光场调控系统，为实现更多具有复杂偏振态的可切换功能提供了思路。该工作测得的调制带宽为1.4 GHz，根据LN的电光效应，这一带宽有望进一步提高到数百千兆赫甚至太赫兹，为高容量光通信、快速光计算、成像和传感等领域提供了重要机遇。
