光子信息技术是利用光信号进行信息处理、存储与传输的新一代信息技术手段，具有高效传输、宽带宽、低串扰等优点，光子信息技术在发展量子计算、光神经网络以及光子计算机等方面发挥了关键作用。具体来说，光子集成电路、光信息存储以及光通信等都属于光子信息技术的研究范畴，其中，光子路由设备可实现按需波前调制，通过将光信号经由自由空间路径分发至终端，为光子集成电路之间的光学互联提供通讯支持。因此，光子路由设备对于实现光子集成电路的功能整合、协同运算、光学通讯以及计算效率提升至关重要。目前，对于光子路由的研究和研发还处于起步阶段，实现光通讯波段的光子路由操控仍面临诸多挑战。
超表面是一种以周期或准周期形式排列的具有亚波长尺度的人工结构阵列，通过结构与入射光的相互作用实现对电磁波的操控。可编程超表面具有单个结构单元可编码的特点，通过编码操作可赋予每个结构单元独立的相位信息，这大大拓展了超表面主动调控的自由度，因而具有极大的波前调制灵活性。可编程超表面的优越波前调制特性为实现光子路由的光信号传输功能提供了技术可行性，也为实现片上集成超表面和光芯片等新一代光子信息技术提供了新的途径。
近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心微加工实验室的李俊杰研究员与纳米物理与器件实验室N03组的郭海明研究员以及N10组的顾长志研究员合作，提出了一种基于硫系相变材料Ge2Sb2Te5（GST）的双层可编程超表面方案，该方案利用GST相变，调控结构单元透射转极化效率，进一步选取特定位置结构单元相变，赋予透射转极化光特定相位分布，实现对透射光的波前调控，进而实现透射式近红外光子路由（图1a）。其中，双层可编程超表面结构单元由下层非晶硅纳米鳍与上层GST纳米天线组成（图1b），分别用于产生转极化光以及转极化光的振幅调制。首先，他们设计并制备了具有一致排列取向的双层超表面（图2），通过实验测试证明了其透射式转极化产生及调制能力，实验结果表明，其转极化调制效率在1550 nm为55%。其次，根据输入的光子路由地址，采用Gerchberg-Saxton算法对逆衍射过程进行逆傅里叶变化并多次循环迭代，从而得到期望的相位轮廓分布，通过映射具备四阶可编程性的结构单元，完成对超表面的编码操作（图3）。之后，他们通过制备并测试包含编码结构单元的样品，从实验上证实了GST双层可编程超表面的光子路由功能（图4）。
该工作利用相变材料超构表面的主动可调控特性，创造性地引入具备四阶可编程性的双层超表面，通过编程操控，在近红外波段实现透射式光子路由功能，其编码式的方案设计极大的拓展了主动调控超表面所允许的传输通道与调制自由度，为实现近红外波段无线光通信提供了极具竞争力的解决方案，同时也为未来光子通讯技术的发展提供了借鉴。
相关研究成果以“Phase Change Materials-Based Bilayer Metasurfaces for Near-Infrared Photonic Routing”为题，于12月13日发表在《Advanced Functional Materials》上。中国科学院物理研究所N03组的博士研究生李晨圣与N10组的博士后杜硕为共同第一作者，李俊杰研究员、郭海明研究员和顾长志研究员为本文通讯作者，清华大学材料学院的孙竞博副教授在实验测试方面提供了支持。该工作得到了国家自然科学基金委员会、北京市科技计划委员会、中国科学院基础研究领域青年团队计划的支持。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202310626
图1 GST双层可编程超表面功能及结构示意图。
图2 结构单元取向一致的GST双层超表面功能示意图及相关样品的SEM图。
图3 超表面编码实现近红外光子路由示意图。
图4 光子路由方案实验结果。