文献解读 | 片上超表面光互连接口：用几何相位超表面把导波辐射成自由空间波前（Nanophotonics 2022）
论文简介
这篇论文解读的是南京大学固体微结构物理国家重点实验室的工作：Manipulating guided wave radiation with integrated geometric metasurface（用集成几何相位超表面操纵导波辐射；DOI: 10.1515/nanoph-2021-0466，开放获取，CC BY 4.0；PMC 全文）。论文 2021 年 10 月在线发表，正式刊于 Nanophotonics 11 卷 9 期 1923–1930 页（2022）。作者为 Bin Fang、Zhizhang Wang、Shenglun Gao、Shining Zhu 与 Tao Li，均来自南京大学。
这项工作的核心贡献是：把一片几何相位（PB 相位）超表面直接集成在铌酸锂薄膜（LNOI，Lithium Niobate on Insulator）平板波导的表面，让波导里传播的 TE 本征模自己驱动亚波长硅天线阵列，从而把“芯片内的导波”按需辐射成“自由空间中的波前”——论文依次演示了离片聚焦、芯片集成的涡旋光束生成、全息成像、多通道涡旋输出，以及沿同一条波导级联排布的发射阵列。
片上光互连为什么需要“自由空间接口”
光子集成的基本画面，是把光源、调制器、光天线等功能部件都放进一小块芯片里，在面内用波导完成光的路由，在面外把光辐射到自由空间或对准另一块芯片。面内的路由早已高度成熟：波导转弯、分束、复用都有标准器件；真正难做的是面外的那个“接口”——也就是导波与自由空间之间那一步。
传统上承担这一步的是光栅耦合器（grating coupler）和各类片上光天线。它们能高效地把光耦出芯片，功能却很单一：耦合是“搬运”，不是“赋形”。如果还想要一个聚焦、一个涡旋、一个全息图案，就要在芯片外面再加分立的光学元件，接口于是重新变得复杂、对准困难、体积变大。能不能让接口本身变成一片可编程的“赋形面”？
超表面（metasurface）正是在这个位置进入视野的：它用亚波长结构单元对光的相位、振幅、偏振做逐点调制，可以在极薄的一层里完成原本需要一组透镜或光栅才能做的波前整形。把超表面集成到波导上，构成的“元波导（meta-waveguide）”被认为能显著增强导波与自由空间的耦合能力，这正是集成光子学向“器件内赋形”演进的一个方向。
这篇论文要回答的就是其中的一个具体问题：能否让波导里的导波直接驱动一片几何相位超表面，把片上光辐射成任意设计的自由空间波前？
几何相位如何在波导上工作
要理解这片超表面为什么可行，先要抓住两件事：相位怎么来，以及波导里的光怎么把它“喂”给超表面。
先说相位。论文用的是几何相位，也叫 Pancharatnam–Berry 相位（PB 相位）。它的巧妙之处在于：不改变结构的大小或形状，只旋转每一个天线单元，就能给圆偏振光附加一个正比于旋转角的相位。论文指出，对于两个旋转角相差 $\varphi$ 的相同散射体，在相同圆偏振照射下，它们的自旋翻转散射波之间会相差 $2\varphi$ 的几何相位。也就是说，附加相位等于旋转角的两倍：
$$\varphi_{\text{PB}} = 2\varphi$$
这意味着只要按目标波前的相位分布去排列每个天线的旋转角，就能把相位“写”进这片表面。例如把天线旋转 45° 就得到 90° 附加相位，旋转 180° 就得到 360°。这一步是纯几何的，对加工误差不敏感，也不依赖单元是否处在共振——这正是几何相位方案在稳定性上的优势。
再说驱动。自由空间里做几何相位超表面很容易，用圆偏振光照射即可；但波导里的光是近似的 TE 或 TM 模，不能随手“换成”圆偏振。论文给出了一条干净的解决路径：行波 TE 本征模本身就可以分解成左旋（LCP）与右旋（RCP）两个圆偏振分量的叠加，就像线偏振波可以分解成两个圆偏振分量一样。因此超表面可以被波导本征模直接驱动，无需在片上额外合成两束圆偏振光。超表面对 LCP、RCP 分量加载不同的相位延迟，最终操纵的是被提取出的自旋翻转分量——光波从导波“跳”到自由空间，同时带上了设计好的相位。
图 1：集成在 LNOI 波导上的几何相位超表面。(a) 带几何相位的硅超表面集成于 LNOI 波导的示意，给出单元结构：LN 平板波导高 H=300 nm，硅天线长 L=300 nm、宽 W=100 nm、高 H=300 nm。(b) 以合成 RCP 导波驱动时，单元相位与上提取效率随天线旋转角 φ 的仿真变化。(c) 几何相位超表面直接由波导 TE 本征模驱动的工作原理：行波 TE 模可分解为 LCP 与 RCP 分量，二者被耦出并由超表面加载不同相位延迟。(d) 波导集成一维金属透镜的离片聚焦仿真，提取出的 RCP 光在波导上方 15 μm 的设计焦点会聚，波长 1550 nm。(e) 当 H=600 nm 时，单元相位随硅纳米棒长、宽变化的仿真相位图，相位覆盖 1.995π 但幅度起伏很大。(f) 共振相位方案与几何相位方案做离片聚焦的对比。
论文还专门做了对照：如果改用共振相位方案（通过改变纳米棒的长与宽来积累相位），在 H=600 nm 的仿真参数下，单元相位虽然能覆盖 1.995π，但同时伴随很大的幅度起伏。幅度不匀会在辐射波前上引入额外的强度噪声。相比之下，几何相位方案用同一套单元、只改变旋转角，便于在较大范围内保持较均匀的幅度——这也是本文选择几何相位路线的原因。
器件结构与制作
论文把上述原理做成了一类可复用的“片上接口”。器件的物理平台是 z 切的 LNOI 平板波导，铌酸锂薄膜厚 300 nm；选择 z 切是为了让光在整个 x–y 平面内传播时避开双折射的影响。光通过片上光栅耦合器进入薄膜波导，被波导路由到指定位置后，再由集成在波导表面的硅天线阵列辐射到自由空间。天线阵列的单元周期为 400 nm，工作在 1550 nm 通信窗口。
图 2：器件结构与实测形貌。(a) 用于 LNOI 光子回路的片上集成多功能接口示意。(b)、(c) 实验中制备的光栅耦合器与超表面结构的扫描电子显微镜（SEM）图像。(d) 超表面细节的放大 SEM 图像。
从图 2 的扫描电镜图像可以看到，光栅耦合器负责“把光送进芯片”，超表面结构则负责“把光送出去并赋形”，两者落在同一块 LNOI 平台上。这样，聚焦、涡旋、全息这些功能不再是芯片外的分立元件，而是被写进了这一层亚波长结构里；要换一种功能，改的是天线的旋转角排布，而不是整个系统的装配。
聚焦涡旋、全息与多通道输出
有了“可赋形的接口”，论文用一串功能演示来证明它能做的不只是把光耦出。
先看聚焦加涡旋。 在几何相位里再叠加一个涡旋相位项，超表面就能把导波辐射成自带螺旋相位面、携带轨道角动量（OAM，Orbital Angular Momentum）的聚焦光束。论文的理论设计中，聚焦涡旋的相位分布为
$$\phi(x,y)=\frac{2\pi}{\lambda_0}\left(f-\sqrt{x^2+y^2+f^2}\right)+l\theta(x,y)$$
其中第一项是聚焦透镜相位，第二项是拓扑荷为 $l$ 的涡旋相位。论文先演示了 $l=1$ 的聚焦涡旋，又测了 $l=2$ 的情形：焦平面上是典型的甜甜圈（donut）光斑，且 $l$ 越大甜甜圈半径越大——这与涡旋光“拓扑荷越高、暗核越大”的常识一致。
再做全息。 用 Gerchberg–Saxton 算法可以反解出目标图案的相位分布。论文据此设计了字母“A”的元全息图：全息图尺寸 100 μm，在距离 100 μm 处成像；再用 1550 nm 的 TE 模照射，实测重建出的图像与计算结果吻合。这说明同一套几何相位超表面既能做“面外聚焦”，也能做“面外成像”，功能由一个通用的相位设计流程统一决定。
图 3：芯片集成的聚焦涡旋生成（(a)–(i)）与全息生成（(j)–(m)）。(a) $l=1$ 时焦平面强度分布的理论计算，(b) 对应相位分布，(c) 传播面强度分布。(d)–(f) 对应的 FDTD 仿真结果。(g) 焦平面上实测的 OAM 光束强度分布（特征甜甜圈形）。(h) 重建的 x–z 传播面强度分布。(i) 实测的 $l=2$ 的 OAM 光束，甜甜圈半径更大。(j) 字母“A”全息相位的计算分布。(k) 部分制备结构的 SEM 图像。(l)、(m) 重建的全息图像与理论结果对比。
多通道输出。 单片超表面还可以同时产生多路涡旋，思路是把多个涡旋光束在超表面平面上的复振幅做线性叠加，再由一片相位型全息图重建出来。论文在 $\lambda_0=1550$ nm、焦平面 $f=80$ μm 的条件下做了两组演示：双通道（$l=0$ 与 0、$l=-1$ 与 1、$l=0$ 与 2）和四通道（$l=-1、0、1、2$），并给出焦平面的计算与实测强度分布。这里每个复用超表面是一个直径 50 μm 的圆形区域，单元周期仍是 400 nm。
用这组参数可以做一次数值核对。聚焦超表面的数值孔径约为
$$NA=\sin\theta=\frac{D/2}{\sqrt{(D/2)^2+f^2}}=\frac{25}{\sqrt{25^2+80^2}}\approx 0.30$$
对应的衍射受限焦斑（艾里斑半径）约为 $r\approx 0.61\lambda/NA=0.61\times1.550\mu\text{m}/0.298\approx 3.2\mu\text{m}$——量级与 50 μm 孔径、80 μm 焦距下的聚焦涡旋实测光斑相符，而 OAM 甜甜圈的半径会因拓扑荷 $l$ 增大而大于这一焦斑。
级联阵列。 论文还演示了另一种扩展方式：在同一条 LNOI 平板波导上，沿传播方向排布四个发射器（分别对应 $l=-2、-1、0、1$），用同一条 TE0 导波反复提取，实现同时多路输出。这种做法之所以可行，是因为论文估计导波传播损耗小于 1 dB/cm、单片超表面提取所消耗的能量也很小，因此可以在同一波导上“取用”多次。
图 4：用全息复现的多通道聚焦 OAM 光束的理论计算与实验结果。双通道光束分别对应 (a) $l=0$ 与 0、(b) $l=-1$ 与 1、(c) $l=0$ 与 2；(d) 四通道光束对应 $l=-1、0、1、2$。四幅图使用同一比例尺。
意义与展望
这项工作最值得记住的一点，是把“导波到自由空间”的接口从“搬运”升级成了“赋形”。在传统方案里，耦出与赋形是两件事：光栅耦合器负责耦出，透镜、螺旋相位板或全息片负责赋形，接口因此变成了“芯片 + 一组外部元件”。本文把这两件事合并到波导表面的一层几何相位超表面里——天线只旋转、不改尺寸，功能则完全由旋转角的排布决定，于是同一套工艺就能覆盖聚焦、涡旋、全息、多通道等不同输出。对片上光互连而言，这类接口的意义在于：它让“芯片内路由、芯片外赋形”这件事可以在同一块平台上完成，为芯片与自由空间之间、乃至芯片与芯片之间的光互连提供了一种极薄、可批量复制的接口范式。
从原理验证走向实际应用，仍有几条需要继续推进的方向。
- 效率与均匀性：论文使用的几何相位单元在空间上完全相同，实际提取效率会因导波传播/提取损耗而处处略有差异；论文建议把几何相位与共振机制结合，用共振自由度去平衡幅度，从而得到更均匀的辐射。如何在不牺牲幅度均匀性的前提下把整体效率做高，是走向系统集成的关键一步。
- 与真实通信链路的接口：本文的聚焦、涡旋、全息都是原理级演示，尚未接入真实链路做误码率、带宽与串扰测试。要成为数据中心光互连或自由空间链路中的实际器件，还需要在这些系统级指标上给出验证。
- 规模化与封装：级联阵列给出了“同一条波导多路取用”的扩展思路，但它对波导损耗、提取比例与对准精度都有要求。把这类接口与收发模块、封装工艺一起考虑，才能走向工程化。
- 可调制的接口：若把几何相位与电光、相变等可调机制结合，接口就不只是静态赋形，而可以在片上动态切换输出波前，这对可重构的片上光路由与波分/模式管理很有吸引力。
参考资料
- Fang B, Wang Z, Gao S, Zhu S, Li T. Manipulating guided wave radiation with integrated geometric metasurface. Nanophotonics, 2022, 11(9): 1923–1930. DOI: 10.1515/nanoph-2021-0466；开放获取全文：PMC11501629（CC BY 4.0）。
- Meng Y, Chen Y, Lu L, et al. Optical meta-waveguides for integrated photonics and beyond. Light: Science & Applications, 2021, 10: 235. DOI: 10.1038/s41377-021-00655-x；开放获取全文：PMC8608813（CC BY 4.0）。
- Metasurface on integrated photonic platform: from mode converters to machine learning. Nanophotonics, 2022, 11(16): 3531–3546. DOI: 10.1515/nanoph-2022-0294；全文：PMC11501831。
- Ji et al. On-chip multifunctional metasurfaces with full-parametric multiplexed Jones matrix. Nature Communications, 2024, 15. DOI: 10.1038/s41467-024-52476-2；开放获取全文：PMC11437200（CC BY-NC-ND 4.0）。