Обзор, подготовленный исследователями из Института исследований и разработок в области материалов A*STAR IMRE и Стэнфордского университета в сотрудничестве с Наньянским технологическим университетом и Сингапурским университетом технологий и дизайна, был опубликован в «Science» 29 ноября 2024 года.
Метаповерхности, тонкие плоские массивы субволновых наноструктур, изменили способ управления потоком света. Недавние исследования расширили их возможности за пределы пассивного манипулирования, позволив динамически управлять излучением, поглощением и модуляцией света. Благодаря слиянию метаповерхностей с оптоэлектронными устройствами, такими как светоизлучающие диоды (LED), лазеры, модуляторы и фотодетекторы, появляются метаустройства, которые предлагают критически важные улучшения производительности и совершенно новые функциональные возможности. Они открывают захватывающие возможности в таких приложениях, как системы дополненной реальности (AR) и виртуальной реальности (VR), оптическая связь, интеллектуальное управление температурой, вычислительная визуализация, сбор солнечной энергии и квантовые технологии. Ожидается, что по мере развития технологии метаповерхностей ее интеграция с оптоэлектроникой будет играть все более заметную роль в эволюции передовых оптоэлектронных устройств.
В светодиодах метаповерхности используются для усиления радиационного распада излучателей, что приводит к более высоким квантовым выходам и увеличению срока службы устройств. Возможность настройки развязки определенных оптических каналов еще больше облегчает управление направленностью, спектром и поляризацией, а также повышает эффективность извлечения. Лазеры с улучшенной метаповерхностью обогащают принципы проектирования резонаторов и расширяют ландшафт доступной физики. Уже продемонстрированы заметные улучшения в качестве луча, контроле излучения и избирательности поляризации. Они имеют решающее значение для приложений оптической связи, прецизионного зондирования и вычислительной визуализации. Кроме того, метаповерхности используются в оптических модуляторах для существенного усиления обычно слабых электрооптических эффектов, обеспечивая более быструю фазовую и амплитудную модуляцию на меньшей площади, что способствует более высокому пространственному разрешению для AR/VR, LIDAR (обнаружение света и определение дальности) и голографических дисплеев. Фотодетекторы также выиграли от интеграции метаповерхности. Они могут фильтровать или селективно поглощать фотоны в определенных оптических режимах, таким образом захватывая не только интенсивность, но и сложную информацию о световом поле, включая спектральные, фазовые и поляризационные характеристики падающего света. Эта возможность привела к прогрессу в системах обработки изображений, особенно в аппаратной обработке изображений и оптических вычислениях. Кроме того, метаповерхности могут быть созданы поверх ультратонких, гибких солнечных элементов для повышения эффективности их преобразования энергии за счет обеспечения ценных антибликовых и светоулавливающих функций.
Интеграция метаповерхностей в оптоэлектронные устройства имеет значительные перспективы для развития технологий за счет создания сверхкомпактных, эффективных и многофункциональных систем. Тем не менее, для полной реализации этого обещания решающее значение имеет подход совместного проектирования, гарантирующий, что как фотонные, так и электронные функции оптимизируются в тандеме. Достижение баланса между наноразмерным управлением светом и эффективной электронной работой, такой как инжекция заряда и управление температурой, остается сложной задачей. При проектировании метаустройств необходимо учитывать совместимость материалов и стратегическое размещение метаповерхностей относительно активных электронных слоев. Кроме того, для перехода этих технологий к коммерческому применению необходимы методы крупномасштабного производства, совместимые с отраслевыми стандартами. По мере развития этой области междисциплинарное сотрудничество между фотоникой, электроникой, материаловедением и производством станет ключом к преодолению этих проблем и раскрытию всего потенциала оптоэлектронных устройств на основе метаповерхности для практического применения.
Сообщение Управление светом: новые возможности для метаповерхностей в оптоэлектронике появились сначала на Время электроники.
