无损耗的高速半导体超表面技术

有源超表面是一种由纳米结构组成的平面光学器件，能在超薄层内实现光的时空控制，为光通信、传感和计算等领域带来了前所未有的潜力。然而，长期以来，电导率（高速运行所需）和光损耗（影响性能）之间的权衡问题，一直阻碍着高速低损耗器件的实现。

为解决这一难题，研究团队实验演示了一种工作在1.5微米波长范围的有源超表面。该器件采用磷化铟（InP）薄膜平台，其中的n型磷化铟（n-InP）同时具备高电子迁移率和低自由载流子吸收的特性，有效打破了上述权衡。具体而言，器件核心是嵌入有机电光材料的n-InP薄膜高对比度光栅（InP HCG）：这种光栅能形成一种高Q值的弗里德里希-温特根准连续域束缚态模式，将光高效捕获在有机电光材料中以实现调制；同时，InP HCG还能作为超低电阻的叉指电极，大幅提升调制速度。

实验结果显示，该有源超表面创下了17.5 GHz的调制带宽纪录（调制带宽指器件处理高速信号的能力），同时保持了102的高品质因数（Q值，反映光在谐振腔中存储能量的能力）和0.56 dB的超低光损耗（光在器件中传播的能量损失）。与硅基同类器件相比，其调制速度快了50倍。此外，器件的谐振波长调制效率达18 pm/V，未来通过优化光栅制备工艺以提高Q值，或采用更高电光系数的有机材料，效率有望进一步提升。

这项研究为突破吉赫兹频段、实现高速光的时空控制提供了关键技术路径，有望推动光通信、高速传感和光计算等领域的发展。