南丹麦大学结合压电MEMS微镜与光学超表面实现动态光束操纵

据麦姆斯咨询介绍，光学超表面(Optical Metasurface，以下简称“OMS”)是纳米结构元素(通常称为“元原子”)的亚波长密集平面阵列，旨在控制散射光场的局部相位和振幅，在亚波长尺度操纵辐射波前。在过去的十年中，已经出现在自由空间波前整形、多功能偏振变换、光涡生成和光学全息等应用中。然而，迄今为止，大多数已报道的OMS都是静态的，其特征是由制造工艺设置的OMS配置所决定，有明确定义的光学响应。对于更智能的自适应系统，如激光雷达(LiDAR)、自由空间光学跟踪和通信、动态和全息显示，则需要开发可通过外部控制实现重构功能的动态OMS。

动态OMS的实现非常具有挑战性，因为要将高密度阵列元素安排在纳米级厚度的平面中。方法之一是采用可动态控制的构成材料，其光学特性可以通过外部驱动进行调整，从而实现光学响应调整和OMS重构功能。不同的动态OMS使用的材料不同，如液晶(LC)、相变材料、二维(2D)材料等。例如，通过将OMS集成到液晶单元，以可寻址的方式通过对液晶进行电学旋转，从而实现光束操纵的重构。相变材料，例如Ge₂Sb₂Te₅(锗锑碲)或VO₂(氧化钒)具有可逆的晶体/非晶体转变或金属/绝缘体转变特性，也可用于实现动态OMS。此外，2D材料尤其是石墨烯，其光学特性可以通过电学门控、化学掺杂实现超快切换速度，从而使动态OMS的潜在响应速度非常快。尽管上述方法取得了一定进展，但仍存在未解决的关键问题：液晶本身就需要偏振操作，相变材料的响应时间相对较长，而基于2D材料的OMS的调制效率相对较低。

实现动态OMS的另一种方法依赖于通过机械式驱动直接修改其几何参数。最初，尝试了在弹性基板上制造OMS，通过OMS拉伸实现动态功能。MEMS执行器可实现更快、更精确的执行操作，具有纳米精度和分辨率，且设计和制造技术成熟。

来自南丹麦大学纳米光学中心的Chao Meng及其研究团队，通过将压电MEMS薄膜与基于间隙表面等离子体(gap-surface plasmon，以下简称“GSP”)的OMS相结合，开发出电学动态MEMS-OMS平台，可实现高效、宽带和快速的2D波前反射塑形。主要思路是拆分传统的基于GSP的OMS，使包含金属纳米砖和背反射器的OMS层通过空气间隙进行物理分离，超平面MEMS微镜的作用是可移动背反射器(图1A)。OMS和压电MEMS微镜是独立设计和制造的，再组装在一起，从而确保两者的设计自由度，降低制造复杂性。基于GSP的OMS与压电MEMS微镜的结合，取决于后者的具体优势，包括连续的外部执行能力、低电压/低功耗工作，从而开发出尺寸非常紧凑、低功耗的连续可调、可重构的MEMS-OMS组件。

图1：MEMS-OMS实现2D波前塑形

通过此平台，研究人员用实验演示了与偏振无关的动态光束操纵(图1B)和反射式2D对焦(图1C)。通过电驱动MEMS微镜，从而调整MEMS微镜与OMS的距离，实验发现与偏振无关独立动态响应的调制效率较高。具体来说，当以800 nm的波长工作时，TM波和TE波偏振的光束操纵效率(一级衍射)分别达到40%和46%，其模拟预测值分别为76%和78%;光束对焦效率分别达到56%和53%，模拟预测值为64%和66%。此外，研究人员发现MEMS-OMS的动态响应特点是上升/下降时间为分别为0.4 ms和0.3 ms，在兆赫兹(MGHz)范围内通过压电MEMS微镜优化，还有改进空间。

图2：与偏振无关的光束操纵的特性表现：(A)不同电压下，TM和TE直接对象(DI)和傅里叶图像(FI)的光学图像;(B)不同电压与不同阶衍射效率的函数关系;(C)不同阶衍射效率与TM/TE事件光波长的函数关系;(D)通过使用周期性矩形信号驱动MEMS微镜来测量不同衍射级别(m = 0/+1)的响应时间。

开发用于动态光束操纵和聚焦的MEMS-OMS，其中的OMS采用标准的电子束光刻(EBL)、薄膜沉积和剥离(Lift Off)等制造工艺完成。而MEMS微镜也是采用标准的半导体制造工艺，并结合了PZT压电薄膜制造工艺。首先，在SOI晶圆上沉积出铂(Pt)下电极、厚度为2 um的PZT薄膜、TiW(钛钨)/Au(金)组成的上电极。然后，使用深反应离子刻蚀硅和氧化物埋层，在中间打开一个3 mm的圆形孔。在晶圆背面进行深沟蚀刻，从而释放圆形孔。最后，在晶圆背面溅射金(Au)形成超平面MEMS镜面。

OMS和MEMS微镜都制造完成后，就进入封装和组装阶段。在组装之前，需要对MEMS微镜镜面和玻璃衬底的表面形貌进行白光干涉测量，以便选择污染物量最少和表面粗糙度最佳的区域，从而避免MEMS镜面与OMS的距离过近。接下来将MEMS微镜粘合在有OMS结构的玻璃基板上。通过压电电极可调整MEMS微镜的倾斜度，使镜面和OMS平行。最后，再将MEMS-OMS粘附在PCB。

图3：MEMS-OMS组装示意图：(A)MEMS-OMS组装后的图像;(B)OMS的光学显微镜图像;(C)OMS的周期性排列。