超構表面（Metasurfaces），一種亞波長人工結構的二維（2D）陣列，已作為傳統(tǒng)的折射光學元件（ROE）和衍射光學元件（DOE）的替代技術而興起，它們能夠以緊湊的外形尺寸任意操縱出射光。

例如，超構表面能夠為高端成像應用提供像差校正和衍射極限分辨率。此外，偏振選擇性焦點和邊緣探測已經通過單片超構透鏡輸出光的空間工程偏振輪廓得到證明。類似地，超構表面還展示了各種前所未有的光學特性，例如通過利用大量軌道角動量（OAM）對視頻進行重新編碼，在高數值孔徑（NA）以接近一致的效率聚焦，以及在三維（3D）空間中創(chuàng)建任意偏振態(tài)。

這些復雜的光學響應通過精心設計的人工結構和精確納米制造而實現，為構建具有緊湊尺寸的高端光學器件開辟了新的自由度。

近些年，通過將超構表面與發(fā)光二極管（LED）、OLED、垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、電荷耦合器件（CCD）、微機電系統(tǒng)（MEMS）、液晶（LC）、波導、光纖甚至是傳統(tǒng)ROE等組件集成，超構表面的研究正在走向商業(yè)化。

通過將超構表面與這些光學組件集成，接收器/發(fā)射器的性能得到了改善，實現了更好的接收/發(fā)射效率?？烧{諧元件則為可重構電磁波操縱提供了一種有效的方法。此外，通過對輸入耦合器、輸出耦合器和ROE的光學表面進行工程設計，可以精確地控制波前和色散。這些嘗試證實，超構表面可以通過集成其它標準光學組件引入現有設備。此外，現有研究還指出了基于超構表面構建實際應用結構的多種可能方案。

據麥姆斯咨詢介紹，為了推動超構表面集成光學系統(tǒng)的應用，有必要對集成超構表面進行綜述，為指導高端光學元件和超構表面的整合鋪平道路。在此背景下，韓國浦項科技大學的研究人員近期在Light: Science & Applications volume期刊上發(fā)表了一篇綜述文章，介紹了與發(fā)射器、接收器、MEMS、LC、加熱器、ROE、平面波導和光纖等標準光學元件整合的集成超構表面。這篇綜述涵蓋了在實際光子系統(tǒng)中使用的多種超構表面組件。此外，在綜述的后半部分，研究人員討論了超構表面集成光子平臺的最新發(fā)展，包括虛擬/增強現實（VR/AR）、激光雷達（LiDAR）以及光子傳感器。最后，研究人員還展望了超構表面集成光學元件需要克服的主要挑戰(zhàn)。

超構表面集成的總體概念及其有前景的應用

基于超構表面的光學系統(tǒng)通過提供高分辨率接收器、偏振控制單光子發(fā)射器和可調諧波前控制器取得了巨大成功。通過整合經典光學元件，平面波導、光纖和ROE的性能得到了擴展。此外，復合超構表面提供了空間波前控制、高端光學安全和偏振分析儀等。

超構表面與發(fā)射器/接收器集成

超構表面集成光發(fā)射器用于提高效率（a~c）和波前整形（d~f）

超構表面集成接收器用于提高效率（a和b）、選擇性光電檢測（c）、波前分選（d和e）以及增強視場（FoV）（f）

超構表面與電調諧元件集成

MEMS集成超構表面用于MEMS驅動的超構透鏡（a和b）、光束轉向器（c）以及結構色像素（d和e）

超構表面與傳統(tǒng)光學元件集成

隨著市場對高端激光雷達（LiDAR）和VR/AR技術的需求增長，其光學系統(tǒng)采用了透鏡、波導和光纖等一系列光學組件。超構表面可以提供改進的功能，同時減少這些光學組件的尺寸和重量。此外，超構表面的應用已經擴展到了光通信和計算領域，憑借其在高密度集成和減少發(fā)熱方面的前景而備受關注。

超構表面集成平面波導用于結構光（a~c）、解復用（d和e）以及二極管（f）

超構表面集成可穿戴顯示系統(tǒng)用于VR/AR

超構表面集成激光雷達

然而，超構表面光學系統(tǒng)的商業(yè)化仍然面臨三個主要挑戰(zhàn)。一般來說，超構表面大多采用CMOS工藝制造，許多研究人員認為，為商業(yè)設備引入超構表面，CMOS工藝有利于商業(yè)化。然而，這對于注塑成型或銑削等光學模塊制造工藝來說通常是不可行的。此外，CMOS工藝的成本相比ROE和DOE的生產方法更高，增加了超構表面集成光學平臺的總生產成本。

另一個挑戰(zhàn)與超構表面的低效率有關。盡管超構表面的效率在單一波長下可以達到90%以上，但在可見光下，消色差超構透鏡的效率（40%）仍然低于傳統(tǒng)ROE（>95%，Thorlabs，消色差雙合透鏡）。由于整個光學系統(tǒng)的效率受限于其光學組件的最低效率，因此超構表面不適合于需要高效光操縱的應用。

第三個挑戰(zhàn)在于超構表面的量化方法。與傳統(tǒng)ROE和DOE相比，超構表面量化方法尚未統(tǒng)一。例如，就超構透鏡而言，各個小組定義了不同的效率定義，并使用了不同的測量系統(tǒng)。因此，不同的品質因數不僅使超構表面之間難以比較，而且當光學系統(tǒng)與超構表面集成時，也使它們無法與其它傳統(tǒng)光學系統(tǒng)進行比較。

盡管存在這些挑戰(zhàn)，但我們相信超構表面仍將是未來光學平臺設計的重要組成部分，例如汽車環(huán)境感知傳感器、可穿戴設備顯示器以及用于精確診斷的醫(yī)療保健監(jiān)視器等。其納米制造方法經過發(fā)展已經與先進的光學材料更兼容，并且其效率正隨著光學材料的帶隙工程而不斷提高。

例如，顆粒嵌入樹脂和大面積、低損耗介電沉積方法最近被證明可用于超構表面制造，以接近一致的效率實現了大面積超構表面的低成本生產。這些方法實現了具有成本效益的超構表面制造，其生產成本將匹配傳統(tǒng)ROE和DOE。

此外，最近有報道提出了超構表面的統(tǒng)一量化方法，研究人員認為超構表面集成光學器件將是構建光子學平臺的一個很有前途的選擇，推動超構表面集成光子學在日常生活中獲得廣泛應用。

超構表面已經證明能夠為操縱電磁波提供一種有效且可行的途徑，同時，業(yè)界對緊湊尺寸和極致光操縱的需求也在增加。為了將超構表面引入實際應用，應該將超構表面與過渡組件集成，而不是與傳統(tǒng)光學系統(tǒng)直接競爭。

審核編輯：劉清