由动态可调的超高频Q值硅膜超表面实现的中红外光调制器

《Nature Communications》：Mid-IR light modulators enabled by dynamically tunable ultra-high-Q silicon membrane metasurfaces

　　

摘要

超表面能够实现对自由空间光波长的亚波长级控制，可应用于传感、非线性光学以及量子光子学领域。然而，其实际应用受到两大限制的阻碍：一是低Q值共振与弱振幅对比度之间的矛盾，二是这类超表面多为静态结构，仅能实现被动功能。在中红外波段，这些问题更为突出，因为该波段缺乏低损耗材料，从而限制了超表面的性能与发展潜力。在此，我们展示了一种可主动调谐的单晶硅膜超表面，它具备高Q值共振、强振幅对比度以及适合大规模制造的优点。该平台在中红外波段实现了高达3000的记录水平Q值，并支持两种动态调谐方式：一种是通过焦耳热效应实现电热调谐，在与CMOS兼容的电压下可实现超过50%的调谐深度，调谐速度可达14.5kHz；另一种是通过硅中的载流子生成实现超快全光调谐，响应时间可达纳秒级，调谐频率预计可达到亚吉赫兹级别。这些成果表明，硅膜超表面有望成为用于主动式中红外光子学发展的可扩展平台。