超构透镜专栏（五）—— 新一代集成光学平台-超构表面
作为微纳光学领域最前沿的技术方向，超构表面在学术界和工业界都备受关注，一方面得益于其丰富的功能和灵活的调制手段，另一方面得益于与多种传统光学组件优异的集成能力。目前，超构表面器件已经被证明与光发射器件LED、电荷耦合元件CCD、微机电系统MEMS、液晶器件LC、平面波导和光纤等器件的集成，用于大幅改进传统光学元件的集成度和性能。该推文将详细介绍作为新一代集成光学平台——超构表面的应用，同时分析其未来的商用化进展。
超构表面作为一种二维亚波长人工原子阵列，可以完全控制光场的属性，包括振幅、相位、波长和偏振等，被认为除折射光学元件和衍射光学元件外的新一代光学组件。从功能上讲，超构表面元件可以完美替代传统的光学透镜、光栅、偏振器和反射元件，同时具备传统元件较弱的轻量化、易集成等优势。因此，超构表面的商业化将为新一代光学集成元件，包括更复杂功能的光发射器件与光接收器件、多功能集成的光纤器件、灵活调制的液晶光学元件和MEMS器件等带来全新的发展，为AR/VR显示、LiDAR激光雷达、多功能传感器等提供重要的光学集成平台。
1.超表面集成的光发射器件（LED、VCSEL）
作为光源，光发射器件一直是最重要的光学组件。目前应用最广泛的光发射器件包括LED元件和VCSEL元件等，LED元件是屏幕显示中的核心组件，而VCSEL器件在结构光投影、激光雷达等应用中扮重要角色。LED、OLED元件一个重要的问题是效率受限，影响出射光的亮度，同时为彩色显示增加的多色滤波片也进一步降低了光的利用率。超构表面在光发射层或镜面反射层新增了调制器件，可以大幅度提高LED出射光的利用率，纳米级的像素调制在超高清显示等领域也带来了无限可能。在VCSEL垂直腔面发射激光器领域，超表面的引入也带来了全新的应用场景，传统的结构光点云和复杂波前都需要额外的光学元件，这大幅度降低了器件的整体性和集成性，超构表面器件可以直接集成在VCSEL的表面，实现任意结构光场的同步调制，实现出射即所需，这在人脸识别、激光雷达、三维投影等领域有重要的应用。
2.超表面集成的单光子发射器及量子光源（BBO、2D material）
作为量子计算、量子通信和纠缠量子密钥等量子应用中最重要的器件之一，单光子光源和纠缠量子对生成器件在集成量子体系中至关重要。纠缠量子对中自旋角动量、轨道角动量、频率等参数作为单光子的纠缠特性，目前还没有办法做到高效的调控。同时，纠缠量子对的数量作为量子计算的核心参数，直接决定了量子比特数的大小，产生超高纠缠光子对的集成式器件在量子系统中尤为重要。超构表面与BBO晶体、二维材料等的集成，为单光子发射器和量子光源提供了新的契机。一方面，超构透镜阵列与BBO晶体等集成，可以在单个平面中同时高效产生上百对纠缠光子对，这为超大容量的量子计算和量子通信奠定了光源基础。另一方面，超构表面与二维材料（WSe2、MoS2、InSe、hBN）的集成，可以提供超高效率、超高纠缠维度的单光子光源，这为集成式光量子系统的构建提供了有力的支持。
3.超表面集成的光探测器件（CCD、CMOS）
之前的模块主要介绍光发射器，这个模块介绍光接收器，也就是光电探测器与超表面的集成。光探测器作为使用最广泛的光电子器件之一，在日常生活中随处可见。大大小小的手机摄像头、相机、自动驾驶汽车的探测器和激光雷达、无人机上的遥感相机等，所有的成像设备，其核心都是光电探测器。光电探测器将输入的光信号转换为可检测的电信号，然后通过显示器将电信号转换为光信号展示。目前常见的光电探测器分为CCD和CMOS两大类，目前其核心问题有两类，一个是光电转换效率的提升，一个是视场角的拓展。超构透镜作为微型集成的光器件，可以轻松胜任单波长聚焦和多波长分束等功能，因此在与CCD等探测器集成中，将入射光完全聚焦在光电转换区域，这大幅度提升了光电探测器的转换效率。同时，超构透镜还可以实现波长分束，该功能可以完全替代传统的拜耳滤色片等器件，进一步提升光电探测器的能量利用率。另外一个具有巨大潜力的设计是多功能超透镜与CMOS的集成，超透镜可以实现涡旋光OAM识别、手写数字识别等功能，该技术有希望应用于机器视觉、图像全光识别等功能，作为人工智能的终端设备集成在各种视觉场景中。
4.超表面集成的微机电系统MEMS器件
上述模块主要介绍光发射器和光接收器集成，这个模块介绍动态可调谐集成超表面。超表面器件中一个待解决的问题是可调控功能设计，MEMS器件为动态可调超表面提供了一个直接有效的方案。MEMS器件作为目前十分成熟的微米级器件架构，已经广泛应用在包括环境监测、生物传感、光通信设备与射频器件中。MEMS器件能商用化的核心优势之一，就是与CMOS工艺兼容，可以大规模批量生产。超构表面器件同样具有该优势，因此MEMS与超构表面的集成被认为是最有可能应用在工业领域的方案。早期的思路放在超构透镜与MEMS的集成，通过电可调MEMS器件，调节双层超构透镜的间距等参数，实现不同焦距的超透镜成像。之后关注点逐步落在动态光束偏折等应用，通过电调谐功能，实现不同方向的动态光束偏折，以此实现探测等应用。目前MEMS与超构表面器件的集成还停留在研发阶段，离商用化还有一段距离，可以构思MEMS与超构表面集成实现丰富的传感和监测等功能，以贴近实际应用价值。
5.超构表面集成的液晶器件LC
液晶作为最关键的电可调器件，在空间光调制器SLM、液晶显示器等器件中广泛应用。液晶器件与超构表面的集成，同样为可调谐超表面带来了新的生机。在显示器领域，通过将超构表面器件与液晶的高效集成，可制备高效可调结构色显示器件，超表面结构色包含更丰富的色域和更高的空间分辨率，有希望应用在下一代超高分辨显示器件和加密器件中。在空间光调制器领域，超构表面与液晶器件的高密度集成，可以实现大带宽、高动态范围的振幅和相位调制，这给空间光调制器带入到纳米像素领域，提供提供超大的可视角度，为全新的SLM器件带来新设计方案。
6.超构表面集成的折射光学元件
上一个模块介绍了两种主流方案用于动态可调集成超表面，该模块介绍超构表面与传统光学元件的集成。首先介绍折衍射混合集成超表面。折射光学元件，包括透镜和棱镜等，作为光学领域的最基础元件，应用在几乎所有的成像系统中。但是，传统的棱镜存在色散、像散等问题，导致成像质量下降。为解决该问题，常规的方案是透镜组级联的形式，通过不断优化透镜组的品质，达到较好的成像效果。但是该方案毫无疑问会带来复杂的光路系统和庞大的空间体积，最直观的感受就是目前的智能手机后背，高高凸起的摄像头模组。超构表面器件作为纳米级厚度的光学元件，多参数灵活调控的特性为解决上述问题提供了重要的手段。通过将超构表面器件集成在折射光学元件的表面，可以赋予光场新的属性。例如不同属性的透镜，通过集成超表面可以实现完全不同的聚焦成像功能；将超表面与透镜集成可以有效的调控色散，实现宽带消色差成像功能；又比如将超透镜设计为空间板的功能，可以有效压缩透镜的焦距，大幅度减少成像系统的空间体积。折衍射混合成像系统同时包含了折射光学元件和超构透镜的优势，同时降低了自身的弊端，是被认为最接近商业化应用的成像系统，期待在未来几年布局手机相机领域中。
7.超构表面集成的光纤器件（Fibers）
上一组介绍了超表面与最简单的折射光学元件的集成，这一组介绍与另外一个重要的光学元件——光纤的集成。光纤自从问世以来，就受到广泛的关注和应用，其中最重要的就是光通信领域，光纤的诞生将人类社会带入到全新的信息时代。除了光通信领域，医疗中的内窥镜，温度、压力、位移等传感器都离不开光纤。目前一个主流的方案是Lab-on-fiber，在光纤上构建实验室，即将探测、传感、调控等都在光纤端面上实现。在该趋势驱动下，超构表面与光纤器件的集成成为一个必然。目前已经开发出许多超构表面与光纤的集成应用，包括光学滤波器、光束调制器、消色差宽带光纤成像、集成式内窥镜系统和光纤传感等，赋予了光纤全新的功能和更高效的品质。随着光纤技术的进一步发展，超构表面与光纤器件的集成将在医疗成像、环境监测、传感领域中大放异彩。
8.超构表面集成的激光雷达器件（LiDAR）
激光雷达作为一种距离深度扫描探测技术，目前已经在自动驾驶、无人机、智能机器人、人脸识别等领域普及。目前激光雷达有两大类方案，一个是主动式激光雷达，采用ToF技术测量距离信息，一个是SL技术，利用结构光点云计算立体深度信息。ToF深度测量技术从早期的扫描式方案，逐步演变成无扫描方案，通过将输入激光信号分散成照明光点，利用单光子探测器等技术测量反射的光子从而计算距离信息。SL技术同样利用DOE等元件将光场调制为大视场的点云阵列，通过分析结构光的调制特性计算出深度信息。目前，该两种方案都受限于DOE元件和SLM元件分辨率不高、衍射效率低、视场角小等问题，还难以构建高品质的激光雷达探测系统。超表面集成的激光雷达探测方案为该问题提供了全新的解决思路。不同于DOE元件的衍射光场调制，超构表面亚波长尺度的精细化调控和超高的衍射效率，带来了超大视场角、超高点云密度和超快扫描速度等优势，这将重塑激光雷达系统的组件。超构透镜商业化领头羊公司MetalenZ，就推出了两款基于该思路的产品，一个是超构表面点云发射器，用于手机和智能机器人等领域的深度识别，另一个是超构透镜激光雷达，用于光发和光收端的小型化集成。目前该领域作为超构透镜最早推出商用化产品的领域，有希望在未来两三年应用于生活场景中，进一步提升人工智能的应用。
总结：
超构表面作为微纳光学领域最活跃的学科，目前在学术界已经证明，可以和各种光学器件集成体现巨大的优势。从商用化角度来说，超构表面依旧面临着之前所提到的几大挑战：大批量加工方案仍不成熟、大带宽高效调制依旧受限、超表面量化标准还未统一等。但是，目前光学平台的小型化、多功能、高效率等趋势是确定的，超构表面器件作为完全契合的光学元件，必然成为未来设计方案中的核心组成部分，与传统的光学系统深度集成，成为广泛应用的商业化产品。
参考文献：
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- Li, T. et al. Revolutionary meta-imaging: from superlens to metalens. Photonics Insights 2, R01 (2023).
- Arbabi, A. & Faraon, A. Advances in optical metalenses. Nat. Photon. 17, 16–25 (2023).
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