- 简体中文
- English
片上“魔术师”:铌酸锂可寻址超表面网络，让动态全息显示随心所欲
片上超表面已被用来操纵导波进入具有所需波前的自由空间，并弥合导模和自由空间光场之间的差距。然而，现有的用于导波辐射的片上超表面在实际应用中通常缺乏动态可调性和高容量复用。近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士团队提出了一种基于动态波导的全息显示器，该显示器由绝缘体平台上的铌酸锂上的片上超表面网络实现。基于几何相位和迂回相位，在2×2波导交叉阵列上实现的片上多路复用元表面网络与两级铌酸锂（LN）开关相结合，构建了一个可寻址的框架。具体内容以“Dynamic holographic display with addressable on-chip metasurface network based on lithium niobate photonics”为题发表于《Light: Science & Applications》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02014-6
超表面在亚波长尺度上具有强大的光学场操纵能力，在各种光学应用中展现出非凡的前景。除了自由空间的重大进步外，元表面最近还与光波导结合，以建立具有扩展功能和改进性能的光子集成电路（PIC）的构建块。这种片上超表面能够灵活操纵引导信号，并重新定义众多光子集成器件。迄今为止，片上超表面的许多努力都投入到多通道导波辐射中。然而，在实际应用场景中，仍有很大的空间进一步增加多路复用信道的数量。另一方面，如何实现动态调制能力一直是超表面器件长期面临的问题。尽管已经尝试过液晶和液体浸入式地层来获得可切换的调制，但它们的响应速度很低。此外，之前的大多数可调元表面都是在全局相位调制中设计的，缺乏局部或像素化的调制功能。因此，实现大容量、像素级和快速可调性对现有的元表面设备构成了相当大的挑战。
由于片上布置方案，元表面允许空间扩展，并可能有助于多通道复用的片上元表面网络（OCMN）。此外，波导交叉阵列（WCA）已证明其能够为可寻址信号处理提供可靠的配置。该文章展示了一个由2×2 LN WCA促进的OCMN，用于LNOI平台上的可寻址全息显示。通过几何相位和迂回相位的联合调制，偏振复用和光照方向复用的片上元表面被优化为基本寻址单元。在此基础上，通过二维空间扩展，OCMN在具有四个输入端口的2×2 LN WCA上实现，以演示静态调谐功能。此外，这种OCMN与由三个LN调制器组成的两级LN MZI开关连接，以执行全息显示的动态切换。这种片上方案具有可扩展性，并与其他光子集成器件兼容，为显示技术、自由空间通信和信息编码开辟新的前景。
如图1所示，所提出的可寻址OCMN可以理解为三个过程，即光栅耦合、光路由和图形化波辐射。具体来说，导模由光栅耦合器从自由空间入射激发，并在单模脊LN波导中传播。随后，引导模式通过1×2多模干涉（MMI）耦合器分为第一级LN调制器，然后是两个第二级LN调制器。借助电光调制，导模可以高速切换到特定的输出端口，并通过锥形绝热波导路由到后续2×2 LN WCA的四个输入端口之一。一旦在WCA内传播的导模遇到可被视为OCMN中寻址单元的片上元表面，它将被解耦到自由空间并被调制成所需的光场分布。由于弱相互作用过程，导模可以通过沿导模传播方向定位的片上元表面（如图1中的绿色和黄色元表面）连续提取。所有片上超表面都基于几何相位和迂回相位调制机制，每个机制都有四个与照明方向和输出偏振态相关的多路复用通道。因此，通过LN MZI开关控制LN WCA的输入端口，可以动态调节全息图像形式的不同导波辐射。这种配置不仅提供了OCMN支持的足够数量的多路通道，还开发了全息显示的动态方案，并利用了LNOI平台上可扩展寻址能力的原型。
图1 LNOI平台上基于光栅耦合器、LN MZI开关和2×2 WCA的可寻址OCMN示意图
为了构建OCMN，片上多路复用元表面被设计为一个寻址单元，由x切LNOI芯片上的非晶硅纳米柱组成。如图2a所示，在600nm厚的板状LN波导上实现。研究人员在蚀刻深度为300 nm的LN波导交叉上制备了片上超表面。图2d和e分别显示了所制造的100×100像素片上超表面的光学显微镜图像和扫描电子显微镜图像。图2f表示，由于片上超表面的自旋解耦特性，通过将偏振分析器的状态从左偏振（LCP）调整到右偏振（RCP），可以将沿x方向照射下的投影全息图像从“M”灵活地转换为“A”。通过沿y方向切换照明，另外两个全息图像被寻址并呈现为LCP和RCP状态的“T”和“E”。这种照明方向复用功能为可寻址OCMN奠定了基础。
图2 片上元表面的设计。基于几何相位和迂回相位的双原子结构相位调制原理。（b）左圆极化（LCP）和（c）右圆极化（RCP）输出通道的模拟相移图。d LN波导交叉顶部制造的片上超表面的光学显微镜图像。e 片上超表面的扫描电子显微镜图像。f 使用LCP和RCP分析仪在TE0模式照明下沿x和y方向模拟和测量四通道全息图像。
由于片上元表面的导波辐射是一个弱相互作用过程，因此可以沿传播方向连续提取强度几乎均匀的导波。因此，片上元表面可以通过WCA方案沿二维空间扩展为OCMN（即沿x和y方向级联），如图3所示。在这种情况下，WCA的输入端口可以被视为编码地址。因此，通过切换输入端口以激活片上元表面网络中的特定单元，可以寻址不同的全息图像。这种设计具有高度的可扩展性，有望实现用于光信息存储和编码的大规模OCMN。
图3 OCMN支持的可切换全息显示器的演示
在静态层面验证了可寻址能力后，研究人员继续将这种OCMN与由四个输出端口组成的LN电光MZI开关连接，以获得动态全息显示功能。图4a-c显示了制造的样品，包括光栅耦合器、两级LN MZI开关和在2×2 WCA上实现的OCMN的区域。
图4 LN MZI开关启用的动态全息显示器的特性。由（a）光栅耦合器、b施加电压V1、V2、V3的两级LN MZI开关和（c）OCMN组成的制造样品的图像。
总之，该团队提出了在LNOI平台上具有改进的多路复用能力的动态全息显示的快速调制策略。通过几何相位和迂回相位的联合相位调制，利用改进的G-S优化算法，设计了一个双原子多路复用片上元表面作为寻址单元。作为扩展，通过切换不同的输入端口和偏振分析器，建立了一个由2×2 WCA促进的OCMN，用于在八幅全息图像之间进行可寻址操作。
此外，采用三个LN调制器构建一个两级LN MZI开关来控制四个照明端口，从而实现了空间可扩展OCMN的动态可调性。尽管本研究仅以全息显示的形式展示了自由空间光场辐射动态控制的集成配置，但由LN开关驱动的OCMN框架为快速动态控制和大容量调制提供了一个通用且可扩展的集成平台，并实现了其他有吸引力的功能。因此，可以在此配置中额外引入尖端的元表面设计方法和算法优化策略，以同时扩展调制通道的数量并提高导波辐射的质量，从而促进成像、显示、自由空间光互连和光通信等更广泛的应用。
片上“魔术师”:铌酸锂可寻址超表面网络，让动态全息显示随心所欲
片上超表面已被用来操纵导波进入具有所需波前的自由空间，并弥合导模和自由空间光场之间的差距。然而，现有的用于导波辐射的片上超表面在实际应用中通常缺乏动态可调性和高容量复用。近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士团队提出了一种基于动态波导的全息显示器，该显示器由绝缘体平台上的铌酸锂上的片上超表面网络实现。基于几何相位和迂回相位，在2×2波导交叉阵列上实现的片上多路复用元表面网络与两级铌酸锂（LN）开关相结合，构建了一个可寻址的框架。具体内容以“Dynamic holographic display with addressable on-chip metasurface network based on lithium niobate photonics”为题发表于《Light: Science & Applications》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02014-6
超表面在亚波长尺度上具有强大的光学场操纵能力，在各种光学应用中展现出非凡的前景。除了自由空间的重大进步外，元表面最近还与光波导结合，以建立具有扩展功能和改进性能的光子集成电路（PIC）的构建块。这种片上超表面能够灵活操纵引导信号，并重新定义众多光子集成器件。迄今为止，片上超表面的许多努力都投入到多通道导波辐射中。然而，在实际应用场景中，仍有很大的空间进一步增加多路复用信道的数量。另一方面，如何实现动态调制能力一直是超表面器件长期面临的问题。尽管已经尝试过液晶和液体浸入式地层来获得可切换的调制，但它们的响应速度很低。此外，之前的大多数可调元表面都是在全局相位调制中设计的，缺乏局部或像素化的调制功能。因此，实现大容量、像素级和快速可调性对现有的元表面设备构成了相当大的挑战。
由于片上布置方案，元表面允许空间扩展，并可能有助于多通道复用的片上元表面网络（OCMN）。此外，波导交叉阵列（WCA）已证明其能够为可寻址信号处理提供可靠的配置。该文章展示了一个由2×2 LN WCA促进的OCMN，用于LNOI平台上的可寻址全息显示。通过几何相位和迂回相位的联合调制，偏振复用和光照方向复用的片上元表面被优化为基本寻址单元。在此基础上，通过二维空间扩展，OCMN在具有四个输入端口的2×2 LN WCA上实现，以演示静态调谐功能。此外，这种OCMN与由三个LN调制器组成的两级LN MZI开关连接，以执行全息显示的动态切换。这种片上方案具有可扩展性，并与其他光子集成器件兼容，为显示技术、自由空间通信和信息编码开辟新的前景。
如图1所示，所提出的可寻址OCMN可以理解为三个过程，即光栅耦合、光路由和图形化波辐射。具体来说，导模由光栅耦合器从自由空间入射激发，并在单模脊LN波导中传播。随后，引导模式通过1×2多模干涉（MMI）耦合器分为第一级LN调制器，然后是两个第二级LN调制器。借助电光调制，导模可以高速切换到特定的输出端口，并通过锥形绝热波导路由到后续2×2 LN WCA的四个输入端口之一。一旦在WCA内传播的导模遇到可被视为OCMN中寻址单元的片上元表面，它将被解耦到自由空间并被调制成所需的光场分布。由于弱相互作用过程，导模可以通过沿导模传播方向定位的片上元表面（如图1中的绿色和黄色元表面）连续提取。所有片上超表面都基于几何相位和迂回相位调制机制，每个机制都有四个与照明方向和输出偏振态相关的多路复用通道。因此，通过LN MZI开关控制LN WCA的输入端口，可以动态调节全息图像形式的不同导波辐射。这种配置不仅提供了OCMN支持的足够数量的多路通道，还开发了全息显示的动态方案，并利用了LNOI平台上可扩展寻址能力的原型。
图1 LNOI平台上基于光栅耦合器、LN MZI开关和2×2 WCA的可寻址OCMN示意图
为了构建OCMN，片上多路复用元表面被设计为一个寻址单元，由x切LNOI芯片上的非晶硅纳米柱组成。如图2a所示，在600nm厚的板状LN波导上实现。研究人员在蚀刻深度为300 nm的LN波导交叉上制备了片上超表面。图2d和e分别显示了所制造的100×100像素片上超表面的光学显微镜图像和扫描电子显微镜图像。图2f表示，由于片上超表面的自旋解耦特性，通过将偏振分析器的状态从左偏振（LCP）调整到右偏振（RCP），可以将沿x方向照射下的投影全息图像从“M”灵活地转换为“A”。通过沿y方向切换照明，另外两个全息图像被寻址并呈现为LCP和RCP状态的“T”和“E”。这种照明方向复用功能为可寻址OCMN奠定了基础。
图2 片上元表面的设计。基于几何相位和迂回相位的双原子结构相位调制原理。（b）左圆极化（LCP）和（c）右圆极化（RCP）输出通道的模拟相移图。d LN波导交叉顶部制造的片上超表面的光学显微镜图像。e 片上超表面的扫描电子显微镜图像。f 使用LCP和RCP分析仪在TE0模式照明下沿x和y方向模拟和测量四通道全息图像。
由于片上元表面的导波辐射是一个弱相互作用过程，因此可以沿传播方向连续提取强度几乎均匀的导波。因此，片上元表面可以通过WCA方案沿二维空间扩展为OCMN（即沿x和y方向级联），如图3所示。在这种情况下，WCA的输入端口可以被视为编码地址。因此，通过切换输入端口以激活片上元表面网络中的特定单元，可以寻址不同的全息图像。这种设计具有高度的可扩展性，有望实现用于光信息存储和编码的大规模OCMN。
图3 OCMN支持的可切换全息显示器的演示
在静态层面验证了可寻址能力后，研究人员继续将这种OCMN与由四个输出端口组成的LN电光MZI开关连接，以获得动态全息显示功能。图4a-c显示了制造的样品，包括光栅耦合器、两级LN MZI开关和在2×2 WCA上实现的OCMN的区域。
图4 LN MZI开关启用的动态全息显示器的特性。由（a）光栅耦合器、b施加电压V1、V2、V3的两级LN MZI开关和（c）OCMN组成的制造样品的图像。
总之，该团队提出了在LNOI平台上具有改进的多路复用能力的动态全息显示的快速调制策略。通过几何相位和迂回相位的联合相位调制，利用改进的G-S优化算法，设计了一个双原子多路复用片上元表面作为寻址单元。作为扩展，通过切换不同的输入端口和偏振分析器，建立了一个由2×2 WCA促进的OCMN，用于在八幅全息图像之间进行可寻址操作。
此外，采用三个LN调制器构建一个两级LN MZI开关来控制四个照明端口，从而实现了空间可扩展OCMN的动态可调性。尽管本研究仅以全息显示的形式展示了自由空间光场辐射动态控制的集成配置，但由LN开关驱动的OCMN框架为快速动态控制和大容量调制提供了一个通用且可扩展的集成平台，并实现了其他有吸引力的功能。因此，可以在此配置中额外引入尖端的元表面设计方法和算法优化策略，以同时扩展调制通道的数量并提高导波辐射的质量，从而促进成像、显示、自由空间光互连和光通信等更广泛的应用。