閘極可調式穿透型超穎介面實現光束操控

我們團隊最新研究成果 「Nanoscale Transmissive Gate-Tunable Conducting Oxide Metagrating for Beam-Steering Modulation」 已於 ACS Applied Nano Materials 線上發表。

傳統光學元件一旦製作完成，其功能通常也隨之固定。例如，一個光柵會將光偏折到特定方向，而若希望改變光束方向，往往需要移動元件、改變結構，或加入額外的光學系統。如果能像控制電子晶片一樣，只需改變電壓，就能控制光的傳播方向，便有機會讓光學元件從「固定功能」走向「可程式化」。

在這項研究中，我們開發了一種奈米尺度、穿透式、閘極可調控的導電氧化物超穎光柵（gate-tunable conducting-oxide metagrating）。核心概念是在金屬–氧化物–半導體（MOS）奈米結構中導入氧化銦鋅（IZO）主動材料。當外加電壓改變時，IZO 中的載子濃度也隨之改變，進而調控材料的光學性質，使穿過奈米結構的光產生不同的振幅與相位響應。

從「施加電壓」到「控制光束」

這項工作的關鍵不只是讓單一奈米結構對電壓產生反應，而是進一步思考：如果超穎介面上的每個奈米單元都能具有不同的電壓狀態，我們能不能利用這些電壓自由度來控制整體光束？

為此，我們將可調式 MOS/IZO 超穎介面與梯度式逆向設計（gradient-based inverse design）結合。與傳統上先指定簡單的電壓排列不同，我們讓最佳化演算法尋找適合的多階電壓分布，使不同奈米單元共同調控光的振幅與相位，將更多穿透光導向目標繞射方向。

數值結果顯示，在不同光束偏折角度下，最佳化後的多階電壓設計可達到約 14% 的相對 +1 階繞射效率；進一步以全波電磁模擬驗證後，其效率接近 10%。這說明即使單一可調式奈米單元本身的相位調控範圍有限，仍可透過逆向設計有效運用其可用的振幅與相位自由度。

從模擬走向實驗驗證

除了數值設計，我們也實際製作了一個 40 μm 尺度的二元閘極可調式超穎光柵，作為概念驗證元件。實驗中，我們觀察到繞射光會隨外加電壓產生變化，並量測到 51.68° 的光束偏折角，與理論預測的 50.81° 相當接近，驗證了利用電壓控制穿透式繞射的基本機制。

目前實驗展示的是較簡單的二元電壓元件，而逆向設計的多階電壓超穎光柵仍屬數值驗證。因此，這項工作並不是宣稱已經完成一套成熟的動態光束掃描系統，而是建立了從材料載子調控 → 奈米光學響應 → 電壓分布最佳化 → 穿透式光束控制的一套設計與實驗基礎。

讓超穎介面從「被製造出功能」走向「用電壓決定功能」

這項研究的重要方向，在於將超穎介面的設計自由度從傳統的「奈米結構幾何」進一步延伸到「外加電壓分布」。

換句話說，未來的超穎光學元件不一定只能在製造完成時決定功能，而有機會透過電子控制重新調整光學響應。若未來能進一步改善閘極介電層可靠度、獨立多電極驅動電路與奈米結構效率，這類穿透式可調超穎介面有望朝向可程式化光束控制、LiDAR、動態波前調控與整合式光子系統等方向發展。

論文資訊

W.-C. Tsai, Y.-H. Huang, Y.-H. Xie, and Y.-W. Huang*, “Nanoscale Transmissive Gate-Tunable Conducting Oxide Metagrating for Beam-Steering Modulation,” ACS Applied Nano Materials 9(31), 14707–14717 (2026) (2026) - LINK & PDF

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