超表面是一種二維納米工程結(jié)構(gòu)，能與電磁波產(chǎn)生強(qiáng)烈相互作用，并以驚人精度控制光波。這種超薄層狀材料可廣泛應(yīng)用于光學(xué)光子、傳感與通信系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域。其中，活性超表面因其電磁響應(yīng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控，在可重構(gòu)天線(xiàn)、高靈敏度傳感器等自適應(yīng)系統(tǒng)中展現(xiàn)巨大潛力，還能作為光調(diào)制器通過(guò)調(diào)節(jié)光強(qiáng)或相位將信息編碼至光束。

盡管近年來(lái)科研人員已開(kāi)發(fā)出多種超表面光調(diào)制器，但現(xiàn)有設(shè)備大多需要高壓電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，用戶(hù)必須施加強(qiáng)電場(chǎng)才能顯著改變超表面的光學(xué)響應(yīng)。東京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)最新研發(fā)的混合超表面將硅納米結(jié)構(gòu)與有機(jī)電光層結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超低電壓下的光調(diào)控。這項(xiàng)突破性成果發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》雜志，有望推動(dòng)低功耗高速光學(xué)技術(shù)發(fā)展。

論文作者Go Soma、Koto Ariu指出："結(jié)合電光材料的活性超表面可構(gòu)成高速自由空間光調(diào)制器，在光通信、傳感與計(jì)算等領(lǐng)域前景廣闊。但由于光與物質(zhì)相互作用長(zhǎng)度有限，現(xiàn)有技術(shù)通常需要數(shù)十伏驅(qū)動(dòng)電壓才能實(shí)現(xiàn)有效調(diào)制。我們開(kāi)發(fā)的硅-有機(jī)混合超表面采用二聚化光柵納米結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了低壓高速自由空間光調(diào)制。"

該混合超表面與現(xiàn)行互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體納米加工工藝兼容，意味著可便捷集成于現(xiàn)有設(shè)備。通過(guò)將光線(xiàn)精準(zhǔn)約束于特制納米結(jié)構(gòu)中，其調(diào)制性能得到顯著增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，這種超表面在實(shí)現(xiàn)高速光調(diào)制的同時(shí)僅需低壓驅(qū)動(dòng)，較現(xiàn)有技術(shù)大幅降低功耗。

研究團(tuán)隊(duì)特別說(shuō)明："利用高品質(zhì)因數(shù)諧振模式，垂直入射光被有效捕獲在嵌入有機(jī)電光材料的亞微米級(jí)硅縫隙區(qū)域。這種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高效調(diào)制，在0.2V和1V驅(qū)動(dòng)電壓下分別達(dá)成50兆比特/秒與1.6千兆比特/秒的數(shù)據(jù)傳輸速率。這種超表面調(diào)制器首次實(shí)現(xiàn)在CMOS兼容電壓水平下運(yùn)行，為活性超表面的高效節(jié)能應(yīng)用開(kāi)辟道路。"

這項(xiàng)突破性研究將推動(dòng)高速通信與傳感系統(tǒng)等技術(shù)發(fā)展，其創(chuàng)新納米工程策略也為提升光調(diào)制器能效提供新思路。

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