Advanced Photonics Nexus 2023年第6期文章：
Raana Sabri, Hossein Mosallaei. High-quality-factor space–time metasurface for free-space power isolation at near-infrared regime[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(6): 066008
超表面是由亚波长结构构成的二维平面阵列，能够实现对光波前的灵活调控，在众多应用中都展现出了前所未有的能力，如脉冲整形、偏振控制和光束聚焦等。超薄、紧凑的超表面具有器件尺寸小且制备可行性高的优势，在光学元件微型化和芯片集成方面具有广阔的前景。在超表面发展之初，研究人员主要着眼于无源超表面的研究，通过调整结构的几何参数控制光学响应。无源超表面的静态特性决定了它仅适用于最初设计的功能，并且限制了光学响应的可调性。然而，激光雷达、光通信、增强/虚拟现实和成像等许多新型应用都亟需一种新型的超表面，以实现多样化的动态响应以及波前整形。
在微波领域，非互易波前工程的概念已经得到了实验证明，这种非互易性是由于在上/下转换过程中施加了截然不同的相位梯度而产生的。在这种情况下，通过对变容二极管施加相位延迟的信号实现对单元格的调制，可以获得超过20 dB的隔离响应。此外，还可以利用基于非线性材料和Weyl半金属的替代方法来诱导非互易性。
由于载波信号的频率更高，超越微波频率进入红外和可见光范围可以实现自由空间通信中的高速传输平台。在另一背景下，通过时间调制超表面之间的光子跃迁实现光功率隔离和循环的概念也已经得到证明。在这种方法中，使用相反的相位进行频率向上和向下的转换，即可实现非互易响应。然而，这种方法对两个光学模式的频率存在限制，且隔离性只能在由支持模式的色散设置的两个特定方向之间实现。在近红外(NIR)区域，非互易时空超表面范式面临的一个主要挑战是，在时间反演的情况下，光的空间路径中只有微小变化被显著地记录在基频和高阶旁带上。因此，在两个方向之间仅能获得较弱的功率隔离水平，其根本原因在于载波频率与调制频率之间存在明显差异。在这种情况下，对处于绝热状态的时空超表面而言，散射光波长通过在同一空间路径上进行频率转换而发生偏移;然而，由于相同的频率转换性能的限制，功率隔离的程度大幅降低。
因此，美国东北大学Hossein Mosallaei教授等人提出了一种在近红外频率下利用时空梯度超表面实现强大自由空间功率隔离的方法。通过设计具有极高Q因子的时空超表面解除调制的绝热性，从而延长光子寿命并使调制时间尺度与谐振腔的光学振荡相匹配。研究表明，在非绝热区域，即使光的空间光路一致，时空超表面的频率转换性能在时间反演情况下对上、下转换的边带仍会呈现显著差异，这确保了自由空间中任意两个方向之间都具有强大的光功率隔离。通过在时空超表面上实施逐渐增加的相位延迟，垂直入射光线(端口1)在上转换时被引导至所需的20度角(端口2)。在时间反演情况下，源自2号端口的入射光通过上转换效应，沿着原始空间路径被引导至1号端口。然而，鉴于非绝热调制带来的影响，端口1反射功率得到明显压制，并成功实现了超过35 dB的归一化功率隔离。相关成果以“High-quality-factor space–time metasurface for free-space power isolation at near-infrared regime”为题，发表在Advanced Photonics Nexus2023年第6期。
超高Q谐振全介电超表面
时空非互易超表面示意图如图1所示。超表面结构由非晶硅(a-Si)亚波长光栅(SWG)周期重复排列在二氧化硅(SiO2)层上，并且整个结构背靠分布式布拉格反射镜(DBR)。SWG的尺寸经过精心调整以支持具有超过104的Q值的高阶Mie模式，从而实现对光谐振特性的局域操控。在垂直方向上，SWG被配置为多层p-n结，以实现时变偏置电压下基于载流子重分布的时空调制。频率为ωc(电场沿SWG方向)的TE偏振光从端口1输入后经上转换被耦合到端口2，而从端口2输入的入射光在上转换后与端口1耦合时被强烈抑制，因此自由空间中的端口1和2是相互隔离的。
图1 时空非互易超表面的原理
时空超表面平台
该研究团队的目标在于利用时空超表面实现非互易响应，以达到自由空间中的光功率隔离。从本质上来说可以通过优化调制波形为光子提供所需的动量，在基频和高阶边带之间实现目标。利用优化后的波形，可以将输入功率尽可能转换为所需的边带，同时抑制不必要的混频产物。
图2(a)描述的是应用于超表面的调制与时间的关系，其中调制波形上下界的选择要能保证多层p-n结中电子和空穴的均匀分布。图2(b)和图2(c)分别是一个调制周期内电子和空穴沿SWG高度的空间分布，其中虚线表示p型和n型区域之间的边界。在施加偏置电压后，电子和空穴根据调制波形的大小和轨迹被重新分布。因此，载流子浓度通过连续的积累和消耗以正弦函数方式随时间进行调制。随着时间的推移，当偏压小于直流电压时，n型和p型区域中的载流子浓度将逐渐减少。相反，在调制周期的后半段增加的偏压超过直流电压时，载流子将会在p区域和n区域开始积累。
图2 高Q超表面的时空调制
其中值得注意的是，沿y轴的SWG长度方向可以通过远离施加偏置电压的触点实现载流子在横向方向上的调制。因此，在实际应用中，为了避免侧向载流子密度变化对元表面电光性能产生影响并最小化RC时间延迟以提高响应时间，应该选择更紧凑的SWG(<10 μm)。图2(d)和(e)展示了在工作波长为λ=1548.2 nm的多层p-n结构中，实部和虚部折射率在一个调制周期内随时间变化的空间分布，其中虚部较小是由于p型和n型区域适度的背景掺杂。
非互易光束导向的梯度超表面
为了在自由空间中建立两个端口之间的隔离，研究人员在反射面上应用调制波形和所需的相位梯度。在时间反演的作用下，入射光可以进行上转换或下转换，并被引导至由相位梯度定义的不同空间路径。对于入射光而言，在非绝热频率转换性能方面，当其波长较长于共振波长时，下转换效应被强烈抑制;而当入射波长较短于共振波长时，则上转换现象得以消除。
图3(a)-(d)展示了当反射阵列被正常和斜入射光照射时，基频及其上转换的反射光波前的情况。在时间反演的情况下，端口1的输入功率主要耦合到端口2，而从端口2到端口1的功率耦合极小，这确保了两个端口在自由空间中光功率的有效隔离。此概念可轻松扩展至在自由空间中建立任意两个端口之间的隔离连接。
图3 自由空间的光功率隔离
总结与展望
本文展示了近红外区域高品质因子时空梯度超表面的设计原理，该原理能够延长光子寿命，并通过提升调制的非绝热性实现强大的功率隔离。全介电超表面由一系列硅亚波长光栅(SWG)组成，与分布式布拉格反射器之间采用二氧化硅缓冲层进行分隔。本文在SWG内部激发出超过104的高品质因子，并在多层p-n结中配置了SWG，通过时间变化波形进行多门偏置以实现对载流子在空间和时间上的调制。本文提出的非互易超表面利用调制引起的相位差实现自由空间的光功率隔离。结果显示，在时间反演条件下，通过交换入射和观测端口方向，可以保持约35 dB的功率隔离效果。
