Opto-Electronic Advances
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郑州大学物理学院倪佩楠教授、北京工业大学解意洋教授和美国科罗拉多矿业大学Patrice Genevet教授团队介绍了集成光学超构表面在调控和增强半导体光电器件特性的最新进展，针对集成光学超构表面未来的发展趋势进行了分析和讨论。
文章 | Zheng CL, Ni PN, Xie YY et al. On-chip light control of semiconductor optoelectronic devices using integrated metasurfaces. Opto-Electron Adv 8, 240159 (2025).
第一作者：郑程龙
通信作者：倪佩楠，解意洋，Patrice Genevet
研究背景
自20世纪60年代初第一台半导体激光器问世以来，半导体光电器件的商业应用取得了无与伦比的成功，从通信、照明、娱乐到医学等诸多方面影响着人类的生活方式。近年来，消费电子、AR/VR显示、传感等新应用领域的不断涌现和快速发展对半导体光电器件的性能和功能的进一步提升和拓展提出了新的要求。在这一背景下，光电器件和系统的小型化、集成化，以及多功能操作和多任务的实现依赖于创新性的片上集成解决方案。由纳米天线组成的人工结构界面（称为光学超构表面）被认为是一种颠覆性的纳米光学技术，通过控制超构原子的几何形状和人工排列，超构表面元件可以用来精确地调控电磁波的振幅、相位和偏振等物理特性，有望取代笨重的折射型光学元件，从而促进光学元件的小型化和集成化发展。目前，根据材料的物理特性，光学超构表面可分为两大类：等离子体型超构表面和电介质型超构表面。在过去的十几年里，光学超构表面技术已经被广泛应用于实现各种各样的功能，从成像、全息、光束整形到先进显示和测量等。光学超构表面为实现新的光学功能提供了一个重要的研究平台，例如广义Pancharatnam-Berry相位和拓扑相位等方面的研究，有利于揭示微纳光学结构在光学元件设计中操纵波前的新机制。另一方面，光学超构表面的平面结构及其与CMOS制造技术的兼容性，使其非常适合与半导体光电器件进行片上集成。通过在半导体光电器件上垂直集成光学超构表面结构，为实现小型化，集成化和多功能光电系统提供了一条新的可行方案。
本文亮点
郑州大学物理学院倪佩楠教授、北京工业大学解意洋教授和美国科罗拉多矿业大学Patrice Genevet教授团队在Opto-Electronic Advances 2025年第1期发表了题为“On-chip light control of semiconductor optoelectronic devices using integrated metasurfaces”的综述文章，介绍了集成光学超构表面在调控和增强半导体光电器件特性的最新进展。文章以半导体激光器、半导体发光器件、半导体光电探测器和低维半导体器件作为代表，详细介绍和讨论了光学超构表面在光电集成方面的应用和优势，包括：通过集成光学超构表面实现边发射激光器和面发射激光器的光束质量提升，偏振调控，以及波前整形等功能；改善半导体发光器件的发射特性；提高半导体光电探测器的光响应、偏振和波长探测，以及涡旋探测等方面的性能；增强低维材料中光与物质的相互作用。文章最后针对集成光学超构表面未来的发展趋势进行了分析和讨论。
该工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金、中国博士后科学基金、北京高校卓越青年科学家计划的支持。
图1 超表面与面发射激光器的集成
图2 超表面与半导体LED的集成
图3 超表面增强半导体光电探测器的光响应
研究团队简介
该论文由郑州大学、北京工业大学和美国科罗拉多矿业大学的研究人员合作完成，第一作者为郑程龙助理研究员，通信作者为倪佩楠教授、解意洋教授和Patrice Genevet教授。
郑程龙，郑州大学物理学院助理研究员。主要从事衍射光学元件、超构表面在新型光场调控方面的研究，主持国家自然科学基金青年基金、中国博士后科学基金特别资助项目、国家资助博士后研究人员计划等。在Laser & Photonics Reviews、Advanced Optical Materials、Nanophotonics等期刊发表SCI论文15篇。
倪佩楠，郑州大学物理学院教授，博士生导师，国家海外高层次青年人才项目获得者。曾在新加坡南洋理工大学、法国国家科学研究中心和瑞典查尔姆斯理工大学等院校从事半导体微纳光电子器件的研究，入选欧盟玛丽居里学者项目，现主要从事金刚石光电器件和光学元件方面的研究。目前在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials、Laser & Photonics Reviews等期刊发表学术论文36篇，担任Chinese Physics Letters（CPL）, Chinese Physics B（CPB）,《物理学报》和《物理》杂志的青年编委。
解意洋，北京工业大学信息科学技术学院教授，博士生导师，北京高校卓越青年科学家和教育部国家重大人才工程（青年项目）计划入选者。现主要从事半导体光电子器件及应用方面的研究工作。研制出集成超构表面VCSEL及阵列芯片，可应用于量子通信、激光雷达和3D传感等领域。近年来以第一作者或通讯作者在Nature Nanotechnology, Nature Communications, Advanced Materials, Laser & Photonics Reviews等期刊发表论文30余篇，申请授权多项发明专利。
Patrice Genevet，美国科罗拉多矿业大学教授。Genevet教授主要研究光学超材料、有源和无源型光学超构表面的开发及其在光电子器件中的应用，包括VCSELs、LiDARs和衍射光学神经网络。自2018年以来，被Clarivate评为年度最顶尖的1%高被引研究人员之一。目前已发表70多篇学术论文，包括Science、Nature系列期刊和Physical Review Letters。
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