據(jù)麥姆斯咨詢介紹，光學超表面(Optical Metasurface，以下簡稱“OMS”)是納米結(jié)構(gòu)元素(通常稱為“元原子”)的亞波長密集平面陣列，旨在控制散射光場的局部相位和振幅，在亞波長尺度操縱輻射波前。在過去的十年中，已經(jīng)出現(xiàn)在自由空間波前整形、多功能偏振變換、光渦生成和光學全息等應(yīng)用中。然而，迄今為止，大多數(shù)已報道的OMS都是靜態(tài)的，其特征是由制造工藝設(shè)置的OMS配置所決定，有明確定義的光學響應(yīng)。對于更智能的自適應(yīng)系統(tǒng)，如激光雷達(LiDAR)、自由空間光學跟蹤和通信、動態(tài)和全息顯示，則需要開發(fā)可通過外部控制實現(xiàn)重構(gòu)功能的動態(tài)OMS。

動態(tài)OMS的實現(xiàn)非常具有挑戰(zhàn)性，因為要將高密度陣列元素安排在納米級厚度的平面中。方法之一是采用可動態(tài)控制的構(gòu)成材料，其光學特性可以通過外部驅(qū)動進行調(diào)整，從而實現(xiàn)光學響應(yīng)調(diào)整和OMS重構(gòu)功能。不同的動態(tài)OMS使用的材料不同，如液晶(LC)、相變材料、二維(2D)材料等。例如，通過將OMS集成到液晶單元，以可尋址的方式通過對液晶進行電學旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)光束操縱的重構(gòu)。相變材料，例如Ge?Sb?Te?(鍺銻碲)或VO?(氧化釩)具有可逆的晶體/非晶體轉(zhuǎn)變或金屬/絕緣體轉(zhuǎn)變特性，也可用于實現(xiàn)動態(tài)OMS。此外，2D材料尤其是石墨烯，其光學特性可以通過電學門控、化學摻雜實現(xiàn)超快切換速度，從而使動態(tài)OMS的潛在響應(yīng)速度非?？?。盡管上述方法取得了一定進展，但仍存在未解決的關(guān)鍵問題：液晶本身就需要偏振操作，相變材料的響應(yīng)時間相對較長，而基于2D材料的OMS的調(diào)制效率相對較低。

實現(xiàn)動態(tài)OMS的另一種方法依賴于通過機械式驅(qū)動直接修改其幾何參數(shù)。最初，嘗試了在彈性基板上制造OMS，通過OMS拉伸實現(xiàn)動態(tài)功能。MEMS執(zhí)行器可實現(xiàn)更快、更精確的執(zhí)行操作，具有納米精度和分辨率，且設(shè)計和制造技術(shù)成熟。

來自南丹麥大學納米光學中心的Chao Meng及其研究團隊，通過將壓電MEMS薄膜與基于間隙表面等離子體(gap-surface plasmon，以下簡稱“GSP”)的OMS相結(jié)合，開發(fā)出電學動態(tài)MEMS-OMS平臺，可實現(xiàn)高效、寬帶和快速的2D波前反射塑形。主要思路是拆分傳統(tǒng)的基于GSP的OMS，使包含金屬納米磚和背反射器的OMS層通過空氣間隙進行物理分離，超平面MEMS微鏡的作用是可移動背反射器(圖1A)。OMS和壓電MEMS微鏡是獨立設(shè)計和制造的，再組裝在一起，從而確保兩者的設(shè)計自由度，降低制造復雜性?；贕SP的OMS與壓電MEMS微鏡的結(jié)合，取決于后者的具體優(yōu)勢，包括連續(xù)的外部執(zhí)行能力、低電壓/低功耗工作，從而開發(fā)出尺寸非常緊湊、低功耗的連續(xù)可調(diào)、可重構(gòu)的MEMS-OMS組件。

圖1：MEMS-OMS實現(xiàn)2D波前塑形

通過此平臺，研究人員用實驗演示了與偏振無關(guān)的動態(tài)光束操縱(圖1B)和反射式2D對焦(圖1C)。通過電驅(qū)動MEMS微鏡，從而調(diào)整MEMS微鏡與OMS的距離，實驗發(fā)現(xiàn)與偏振無關(guān)獨立動態(tài)響應(yīng)的調(diào)制效率較高。具體來說，當以800 nm的波長工作時，TM波和TE波偏振的光束操縱效率(一級衍射)分別達到40%和46%，其模擬預(yù)測值分別為76%和78%;光束對焦效率分別達到56%和53%，模擬預(yù)測值為64%和66%。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)MEMS-OMS的動態(tài)響應(yīng)特點是上升/下降時間為分別為0.4 ms和0.3 ms，在兆赫茲(MGHz)范圍內(nèi)通過壓電MEMS微鏡優(yōu)化，還有改進空間。

圖2：與偏振無關(guān)的光束操縱的特性表現(xiàn)：(A)不同電壓下，TM和TE直接對象(DI)和傅里葉圖像(FI)的光學圖像;(B)不同電壓與不同階衍射效率的函數(shù)關(guān)系;(C)不同階衍射效率與TM/TE事件光波長的函數(shù)關(guān)系;(D)通過使用周期性矩形信號驅(qū)動MEMS微鏡來測量不同衍射級別(m = 0/+1)的響應(yīng)時間。

開發(fā)用于動態(tài)光束操縱和聚焦的MEMS-OMS，其中的OMS采用標準的電子束光刻(EBL)、薄膜沉積和剝離(Lift Off)等制造工藝完成。而MEMS微鏡也是采用標準的半導體制造工藝，并結(jié)合了PZT壓電薄膜制造工藝。首先，在SOI晶圓上沉積出鉑(Pt)下電極、厚度為2 um的PZT薄膜、TiW(鈦鎢)/Au(金)組成的上電極。然后，使用深反應(yīng)離子刻蝕硅和氧化物埋層，在中間打開一個3 mm的圓形孔。在晶圓背面進行深溝蝕刻，從而釋放圓形孔。最后，在晶圓背面濺射金(Au)形成超平面MEMS鏡面。

OMS和MEMS微鏡都制造完成后，就進入封裝和組裝階段。在組裝之前，需要對MEMS微鏡鏡面和玻璃襯底的表面形貌進行白光干涉測量，以便選擇污染物量最少和表面粗糙度最佳的區(qū)域，從而避免MEMS鏡面與OMS的距離過近。接下來將MEMS微鏡粘合在有OMS結(jié)構(gòu)的玻璃基板上。通過壓電電極可調(diào)整MEMS微鏡的傾斜度，使鏡面和OMS平行。最后，再將MEMS-OMS粘附在PCB。

圖3：MEMS-OMS組裝示意圖：(A)MEMS-OMS組裝后的圖像;(B)OMS的光學顯微鏡圖像;(C)OMS的周期性排列。