研究背景

高速、高消光比、低功耗的近红外光调制在光信号处理、光谱学、光开关和激光雷达等光学系统和光学器件中具有潜在的应用前景。光学斩波器和光快门、铌酸锂调制器、液晶衰减器以及光弹调制器是几种常见的用于光强调制的商用设备。光学斩波器和光快门基于机械原理实现光调制，缺点在于速度慢，以及大面积带来的高功耗。铌酸锂调制器由电信号控制，因此具有最高可达40 GHz的调制速率，但是需要辅以高电压才能实现调制。光弹调制器在不同的工作波长下需要使用不同类型的块状晶体，同时，还需要高电压及额外的偏振器，这些限制了其应用范围。液晶光快门则受限于极慢的开关速度。利用氧化铟锡（ITO）在近零介电常数（ENZ）波长处的损耗特性而设计的电控可调超表面能实现对反射光强度的调制。在±2.5 V的极低电压下，超表面的调制深度可达84 dB（即99.99%）。该超表面调制器具有对入射光偏振态不敏感的特点，因此适用于无需任何额外偏振器的紧凑设计。此外，双层ITO膜的设计使得该电控超表面能在千兆赫兹的通信速率下工作。

电控反射调制器超表面原理图（左）及其在三种电压下的仿真反射谱（右）

研究亮点

超表面是二维形式的超材料，由离散的亚波长结构组成，能实现对光的振幅、相位、色散、动量以及偏振特性的完全控制。超表面已经被广泛应用于从微波、太赫兹、红外、可见光到紫外的电磁波谱的不同领域。在可见光和近红外波段实现对光传播的主动控制，对于自动驾驶、机器人、显示、增强虚拟现实、消费电子、通讯和传感设备等领域具有重要的现实意义。通常，可以通过改变单元结构的属性或它所处的环境，实现对超表面的调制。通过在超表面中引入主动材料，就能以改变外部激励的方式获得可调谐的性能。新加坡科技研究局材料与工程研究院滕京华（Jinghua Teng）教授研究团队提出了一种新的电控可调超表面，用于偏振光和非偏振光的调制。该工作利用氧化铟锡（ITO）在近零介电常数（ENZ）波长处的损耗特性设计了一种电控可调超表面吸波器。超表面单元结构为一个圆形共振器，该圆形共振器包含了两层ITO圆盘及单层高介电常数钙钛矿钛酸锶钡薄膜。ITO圆盘累积层和耗尽层中的ENZ波长由所施加的偏置电压控制。发生在ITO薄膜累积层内部的磁偶极子共振与ENZ波长的耦合使得反射光被完全吸收。在820 nm的工作波长处，当偏置电压为-2.5 V时，对反射强度的调制深度可达84 dB（或99.99%）。此外，得益于共振单元的圆形设计及偏置连接的对称设计，超表面具有对入射光偏振态不敏感的特点。该工作以“Ultra-high extinction-ratio light modulation by electrically tunable metasurface using dual epsilon-near-zero resonances”为题发表在Opto-Electronic Advances 2021年第7期。

研究团队简介

材料与工程研究院（IMRE）隶属于新加坡科技研究局（A*STAR）科学工程研究理事会（SERC）。IMRE汇聚了才华横溢的研究人员，配备了最先进的研究设施，能够支撑世界一流的材料科学研究，并以提高新加坡生活水平、获取经济价值为目标。滕京华（Jinghua Teng）教授在IMRE所领导的光学和光子学研究团队立足于设计、材料和制造创新，致力于基础科学研究和工业应用的前沿技术发展。研究团队在纳米光学-光子学、超材料与超表面、表面等离子体光子学、半导体材料与器件、二维光子器件以及太赫兹技术领域具有广泛的专业知识和研究。同时，研究团队还与来自本土和世界各地的学术机构和行业合作伙伴的科学家积极地展开合作。