过去十几年，以微纳结构为基础的超构表面在光场调控方面表现出显著的优越性，已经被证明是调制电磁波基本特性的有力平台。这些平面光学元件可以将电磁能量局域在亚波长尺度，增强光与物质相互作用，从而对光场的振幅、相位、偏振等信息进行全方位调控，为先进光子器件的集成化与小型化发展提供新思路。然而，大多数超构表面器件都是静态的，一经加工其光学响应就无法改变。因此，如何实现动态光场调控将成为推动超构表面实际应用的关键。
目前，动态超构表面的设计路线大致包含三种：1）通过外部激励改变结构的光学响应，如电激励、磁激励、光激励、化学反应和热激励等；2）使用特殊的活性材料，如液晶、相变材料和功能晶体等；3）施加外力使结构发生形变，如微机电系统（MEMS）、柔性拉伸材料等。这些调控方案可以使超构表面结构对入射光场表现出灵活的动态响应。其中，电调谐的方法更容易与成熟的光电器件集成，在众多的调谐机制中脱颖而出。基于一些特殊材料对电场具有不同的响应机制，电调谐动态超构表面的设计发展出了许多技术路线，例如使用液晶材料、透明导电氧化物（Transparent Conducting Oxide，TCO）、石墨烯、III-V族半导体材料、过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenide，TMD）材料、电光晶体（Electric Optical Crystal，EO-crystal）等。
据麦姆斯咨询报道，近期，西安交通大学电子学院的研究人员在《光子学报》期刊上发表了题为“电调超构表面研究进展”的综述文章，对近年来电调谐动态超构表面进行分类汇总，将目前主要的调谐机制分为电控载流子激发、液晶调控、MEMS驱动以及电光晶体四个设计方案，总结了不同方案的物理机制、调谐方法、研究现状以及发展趋势。旨在对这个迅速发展的领域进行系统性归纳总结，促进基于超构表面的纳米光子器件的研究发展与应用。
电调超构表面的设计方案
近年来，动态超构表面的光场调控研究热度逐年增加（如图1）。超构表面的动态调控原理总的来说可以分为两类：改变材料的折射率或改变超构表面的几何结构。
图1 Web of Science近十年收录的动态超构表面文章数量。检索关键词：可调/动态/可重构/有源超构表面
电控载流子调控方案
基于TCO材料的电调谐超构表面
通过外加电场改变导电材料中自由载流子的浓度是电调光中最常见的方法之一。氧化铟锡（Indium Tin Oxide，ITO）是目前使用最广泛的TCO材料之一，它在近红外波段具有近零介电常数（Epsilon Near Zero，ENZ）点。
2016年，HUANG Y W等设计了金光栅-ITO层-绝缘层-金衬底结构，使用4V的偏压，在ENZ波段将ITO电荷积累层的载流子浓度提高3倍以上；并利用2.5V的偏压产生了180°的相位偏移，实现反射光在±1级衍射之间切换，调制速率可达10MHz （如图2（a））。2020年，SHIRMANESH G K等利用ITO和金纳米天线设计了一款可编程的超构表面多功能微控制器。在波长1522nm附近实现了>270°的相位调制，并实现了23.5°的光束偏转和1.5~3μm的焦距调控。2021年，PARK J等在金光栅和铝衬底之间引入ITO层，设计了550个可单独寻址的谐振器构成超构表面，实现了0~360°的相位调控，调制速率理论可达到5.4MHz，并在4.7m的距离内实现了三维深度扫描（如图2（b））。
图2 ITO材料与金属结构结合的电调谐超构表面
基于TCO材料的电光调控主要限制是光学性能的变化仅仅发生在电荷积累层附近，该厚度通常仅有1~2nm，称为徳拜长度。因此，拓展徳拜长度可以进一步提高ITO的光学响应灵敏度。2018年，SHIRMANESH G K等应用双门控电路设计了铝纳米天线-绝缘层-ITO层-绝缘层-金属衬底结构，两个独立的电压控制通道串联连接。施加6.5V偏压，该结构可在波长1550nm附近实现>300°的反射相位调制以及89%的相对反射率调制（如图3（a））。
图3 双门控ITO超构表面以及ITO材料与介电材料结合的电调谐超构表面
金属固有的寄生损耗和较弱的光与物质相互作用是限制这种调控方式的另一个因素。与金属表面等离激元模式相比，高折射率介质材料可以支持更强的局域电磁模式，具有更多的调控自由度和更低的吸收损耗。因此，将ITO与全介质超构表面结合是另一条重要路线。2018年，HOWES A等报道了一种电调谐全介质惠更斯超构表面，该结构由顶部涂敷ITO薄膜的硅纳米天线和熔融石英基底组成。硅纳米天线的电磁模式发生在ITO的ENZ波段，通过电调谐改变ITO层内的局部电场，实现了31%的透射率调控，并演示了26°左右的光束偏转（如图3（b））。
除了ITO之外，其他TCO材料也同样具有电调谐的潜力，如掺铝氧化锌（Alumium-doped Zinc Oxide，AZO）、氧化铟（In 2O3）、氧化铟硅（Indium Silicon Oxide，ISO）等。
基于石墨烯的电调谐超构表面
石墨烯由呈蜂窝状晶格排列的单层碳原子组成。与TCO材料相比，石墨烯具有更高的载流子迁移率和光学透明度，并且具有更灵活的可调性、更好的鲁棒性和环境稳定性，这使其成为光子学和光电子学的绝佳材料。
2018年，ZENG B等将石墨烯与金纳米天线结合，实现了一种混合超构表面空间光调制器。在8μm波长处，通过施加大约7V的栅极偏压调节石墨烯层的电导率，实现了对反射光强度90%的调制深度和高达1GHz的调制速率（如图4（a））。此外，石墨烯在中红外到太赫兹波段吸收较低，增强吸收可实现对光场强度的有效调控。2021年，SUN Z等设计了银开口环谐振器（Split-ring Resonator， SRR）与石墨烯构成的超构表面，施加60V的电压，可以在中红外波段内产生超过330°的连续相位变化，实现了60°的光束偏转和22%的平均效率（如图4（b））。
除了金属表面等离激元模式之外，有些研究还探索了将石墨烯与其他电磁模式结合的效果。YAO Y等通过将石墨烯与介电层中的法布里-帕罗（Fabry-Pérot，FP）模式结合，通过施加80V的电压在5~7μm波段实现了反射率几乎100%的调制深度，调制速率高达20GHz （如图4（c））。
图4 基于石墨烯的电调谐超构表面
基于过渡金属二硫化物的电调谐超构表面
TMDs是另一种广受关注的二维材料。
为了实现电调光的效果，许多研究将金属纳米颗粒的局域表面等离激元共振和TMDs的激子共振耦合，利用栅极偏压注入载流子，展示了优异的动态光场调控能力。LEE B等和LIU W等分别利用MoS 2和WS2与金属纳米天线结合，通过调节栅极偏压导致激子与表面等离激元之间共振耦合的转变。2019年，NI P等将MoS2与基于金光栅的间隙等离激元超构表面结合，报道了一款栅极可调的发光超构表面。当施加正向偏压时，界面处产生一定厚度的电子积累层，诱导激子转变成带负电的三激子；而在负偏压时，电子的流失导致带负电的三激子又转变成中性激子。这个过程可以灵活改变超构表面的光致发光特性（如图5（a））。基于相似的原理，GROEP J等利用电门控来改变激子状态，在可见光波段演示了原子级厚度WS2图案化波带片透镜，聚焦效率调制了33%。由于在电压偏置时受离子液体的影响，调制速率被限制在~40ms左右（如图5（b））。
图5 TMDs与金属结构结合的电调谐超构表面
基于Ⅲ-V族半导体与多量子阱的电调谐超构表面
Ⅲ-V族半导体材料的电调谐机理与TCO材料类似。通过在Ⅲ-V族半导体衬底上施加栅极偏压，可以在半导体层的界面附近产生厚度可调的电荷积累区，其介电常数可随局部载流子浓度的改变而发生变化，相关调控多与金属表面等离激元结合。
CHENHT等将金SRR集成在GaAs半导体衬底上，通过改变偏置电压可以调节开口间隙附近GaAs衬底的载流子密度，改变其介电常数，实验上演示了16V反向栅极偏压下，在太赫兹波段50%的相对透射率调制（如图6（a））。随后，他们的团队又利用相似的结构制备了4×4的像素矩阵。在0~14V的偏置电压下，在0.36THz波段实现35%到50%范围的幅度调制（如图6（b））。此外，PARK J等将铝光栅制作在外延生长的InAs衬底上，通过电门控偏压控制InAs层内载流子的变化，进而导致辐射峰值的光谱偏移，可改变超构表面的吸收和发热特性，在中红外波段实现了3.6%的辐射效率变化。
图6 III-V族半导体/表面等离激元电调谐超构表面
基于半导体异质结组成的多量子阱（Multiple Quantum Wells， MQWs），如InGaN/GaN、AlGaAs/GaAs等结构，在可见光到太赫兹波段的电调光应用中有广泛研究。WU P C等基于MQWs开发了一种具有分布式布拉格反射器的有源介质超构表面，在915~920nm近红外波段，系统折射率实部的调制范围大约可达到0.01~0.05，并且在7V的偏压下可以获得高达270%的反射率调制以及0~70°的相位变化（如图7（a））。LEE J等将MQWs与等离激元共振结合，通过施加5V偏压，在波长7μm实现了超过30%的吸收变化，实验观察到了<10ns的超快响应速度。BENZ A等将量子阱的子带间跃迁同光与物质强耦合机制相结合，通过施加5V偏压，在2.5THz实现了中心频率移动>8%线宽的调控（如图7（b））。
图7 基于MQWs的电调谐超构表面
液晶调控方案
液晶作为一种工艺成熟且应用广泛的光学活性材料，具有折射率可调范围大、传输效率高、功耗低、可集成性强等诸多优点，在可调谐光学元器件中占据非常重要的地位。
BUCHNEV O等使用向列型液晶和V型金纳米阵列组成结构简单的超构表面，通过施加7V的电压在波长1550nm附近实现了50%的透射率调制。由于液晶的表面锚定效应会影响其动态响应效果。随后，他们巧妙地设计了一种向列型液晶和锯齿形金纳米阵列组成超构表面，减小了液晶的表面锚定。实验上，他们利用1.5~2.7V的低调控电压，使光谱偏移达到110nm，并可以在2V的电压下产生π/4的相位变化（如图8（a））。液晶内分子的转向除了会带来折射率的变化，也可以对入射光的偏振方向带来改变。XIE Z W等设计了向列型液晶/铝光栅超构表面，通过0~4V的电压改变控制横磁（Transverse Magnetic，TM）到横电（Transverse Electric，TE）模式的转换，实现了反射结构色的动态改变（如图8（b））。
图8 基于液晶的电调谐超构表面
电光晶体调控方案
电光晶体是目前商用电光调制器的主要材料，它是一种具有电光效应的功能型晶体。将电光晶体与超构表面结合，利用亚波长结构中局域电磁模式，增强光场的折射率变化响应灵敏度，成为近年电光调控的重要路线。2021年，WEISS A等将金纳米颗粒置于LN衬底上，使金纳米颗粒的表面等离激元模式与LN层作用。通过施加40V偏压，在1550nm波长处实现反射率40%的调制深度（如图9（a））。WEIGAND H等在薄膜LN上设计了硅纳米柱阵列，阵列所引入的光学共振能够带来80倍的场增强；通过施加小于1V的电压，实现了10Hz到2.5MHz宽带幅度调制（如图9（b））。GAO B等将薄膜LN加工成二维介电光栅，通过斜入射光栅系统的对称性获得具有超高品质因子的准连续域束缚态（Bound States in the Continuum，BIC）模式，在±150V的电压驱动下，获得了大约47°的相位变化（如图9（c））。KLOPFER E等将硅波导与薄膜LN结合，在单个波导的长度方向上通过刻蚀小缺陷引入了品质因子高达30000的Fano共振。仿真模拟表明，±25V的偏置电压下，能够实现0~360°的相位变化，并且反射率保持在90%以上（如图9（d））。
图9 基于电光晶体的电调谐超构表面
MEMS驱动的调控方案
在超构表面的动态调控路线中，除了通过改变材料自身的光学特性之外，还可以通过改变外部的应力来重新配置超构表面的结构单元。MEMS可以在微纳尺度上通过外加电场、磁场、热刺激等方式精准地对目标结构产生一定的外力（库仑力、安培力等），通过打破超构表面原本的力学平衡使其几何形状发生定量形变，从而对其光学响应进行精准动态调控。许多研究将电调谐MEMS与超构表面结构相结合，研究了从可见光到太赫兹波段的动态超构表面。
MANJAPPA M等设计了一款由两个SRR组成的可重构MEMS超构表面。它们可以分别由两个偏置电压通道独立控制超构表面谐振器的面外不对称性，激发Fano共振。这种各向异性的变化导致系统的磁滞回效应，允许通过两个独立控制的电输入和一个太赫兹频率的光学读数执行逻辑操作，实现了太赫兹波段下“与”和“或”门逻辑运算（如图10（a））。HOLSTEEN A L等提出了一款多功能超构表面，可以实现颜色控制、动态光束控制和可见光范围内的光聚焦控制。他们将Mie型谐振器悬于绝缘衬底硅（Silicon on Insulator，SOI）之上，通过MEMS进行机械调节，在不同的电压调控速率下实现了超构表面结构色的转变；在3.2V的电压下实现了0~360°的相位调控以及2°~12°的光束偏转；在600nm波长下，施加2.2V电压，实现了焦距从26um到5μm的调节（如图10（b））。ZHANG X等提出一款基于焦平面开关阵列（Focal Plane Switch Array，FPSA）的超构表面激光雷达的设计方案。他们在1cm²的SOI材料上设计了128×128的光栅型纳米天线阵列，使用MEMS进行列与行的单独选址控制，可以实现70°×70°的宽视场效果和0.6°×0.6°精细分辨率，并通过实验演示了激光雷达的测距和三维成像效果（如图10（c））。
图10 基于MEMS的超构表面功能型器件
随着MEMS技术的快速发展，基于MEMS的有源超构表面依然具有巨大的潜力，并非常有希望在可变焦透镜、激光雷达、光子芯片、光电探测器等先进光子器件中发挥重要作用。
总结与展望
众多动态超构表面的不断发展正推动着下一代可调谐光学元件的变革。本文根据调控机制将电调谐超构表面的设计路线分为电控载流子激发、液晶调控、电光晶体调控以及MEMS驱动四个方向，它们依托于各自的优势在过去的十几年里蓬勃发展并衍生出了许多不同的设计方案。借助于超构表面独特的电磁场局域模式，各个设计方案都在向着360°的全相位调控以及更大的调制深度不断探索。然而，这些设计方案之间并不是简单的替代关系，而是面向不同的应用环境，可以根据各自的特点相互补充。比如在可见光到太赫兹的调控波段内，TCO、TMDs以及液晶调控主要应用在可见光到近红外的波段范围。而石墨烯调控、III-V族半导体与多量子阱调控主要面向中红外到太赫兹波段的应用。在调制速率方面，基于载流子激发原理的调控方案凭借着载流子迁移速度快的优势基本上可以达到GHz的调制速率，可以面向许多高速响应的应用。而液晶调控与MEMS调控受限于自身响应的滞后性，其调制速率分别只能达到KHz以及MHz。但它们凭借着自身的稳定性以及成熟的工艺技术，已经成功的实现了许多低响应速度的应用。
值得一提的是，电光晶体调控可以覆盖可见光到太赫兹的全波段范围，并且可以具有GHz以上的超高调制速率，在众多调制方案中崭露头角。但电光晶体受制于加工工艺以及薄膜化产业不够成熟，基于电光晶体的超构表面设计起步较晚，目前相关的研究还比较少。同时，由于在微纳尺度下的电光效应很弱，带来了调制深度与功耗之间的矛盾，这对超构表面的设计提出了更高的挑战。尽管如此，作为传统电光调制器的主导材料，基于电光晶体的动态超构表面设计仍然潜力巨大。
随着工业4.0的深入推进，许多技术应用对易于集成的可调谐光学元件将会有更大的需求。其中包括各种可穿戴设备、自动驾驶、机器人、增强和虚拟现实、通信、传感、成像和显示技术等。电调超构表面技术与半导体集成电路技术的结合有希望在这些技术的变革升级中发挥重要的作用。许多新颖的调控方式正在不断诞生，比如通过深度学习设计的可编程超构表面，以及通过脑电波无线远程操控超构表面等等。然而，可调谐超构表面技术目前各自存在着不同的优势和劣势，尽管已经实现了许多出色的应用，但还没有某一种完美的调谐方法可以在各个指标上都满足这些更高级的工业化应用需求。可调谐超表面的研究仅仅发展了十几年，仍然有巨大的研究潜力值得去探索。比如推动微纳加工技术的升级、研究新的活性材料以及新的调控方法，或者将多种调控方案结合使其优势互补，构建复合型可调谐超构表面。尽管实现动态超构表面的工业级应用相当充满挑战，仍然可以预见，未来可调谐超构表面的研究将会在跨领域、多学科的协调努力下高速发展，并能够成为推动小型化、集成化新型光电器件应用的重要力量。