基本介紹
背景,定義,特點,套用,展望,
背景
超構材料（超材料 metamaterials）為人造的亞波長結構所構成的三維結構，超構表面（超表面 metasurface）一般由一系列光學散射體組成的陣列構成，是一種經過巧妙設計的人造的二維電磁界面，可通過控制亞波長（subwavelength）尺度下的微觀結構來對電磁波的相位、偏振、傳輸等巨觀特性進行靈活的控制，是當前的國際研究前沿。
此前人們的研究重點一般聚焦在超構表面對自由空間光場的調控和套用。但是，近年來已陸續湧現將超構表面等亞波長結構集成在各類光波導平台上，研發用於光信息處理、光互連、生化探測、感測、人工智慧等套用的新型光電子器件。與此同時，隨著傳統電子電路在頻寬、損耗等方面的局限性日益凸顯，使用光波作為信息的載體的光子積體電路以其高速、寬頻、低損耗等突出優勢，現已成為國際研究的熱點，光集成和光互連等概念也日漸發展為未來信息社會的關鍵技術之一。但是，目前的光子積體電路仍然存在器件尺寸較大、效率較低、功能單一等挑戰，其原因在於傳統光波導在結構和材料等方面仍存在局限性。
如果將“超構光學”的概念與各類光波導平台相結合，將超構表面或超構材料集成在各類光波導結構上，則可以在亞波長尺度下對波導中的光信號進行靈活自由的調控，顯著提升傳統集成波導器件的性能指標、減小器件尺寸、並拓展套用範圍、開發具有新型功能的多種集成光電子器件。
定義
超構波導（meta-waveguide）一般指集成了具有特定功能性亞波長結構的、用於約束和引導電磁波在特定結構中傳輸的波導結構。
超結構波導的典型分類。
特點
超構波導具備功能性的亞波長結構，一般可以採用等效媒質的超構材料等理論進行分析。這些微納結構可以充當米氏散射（Mie）諧振器或瑞利散射體（Rayleigh）的作用，在空間上形成特定的折射率分布進而對波導中傳輸的光場產生特定的功能性調製。
例如，波導表面上集成的相位梯度型超構表面可以提供一個由結構決定的等效動量，來補償不同模式之間轉換時的相位失配，進而可以實現不同模式之間的線性轉換。同時，通過最佳化非線性光信號之間的空間交疊，超結構波導也可以實現非線性的模式轉換等功能。
設計方法：按照設計方法來分類，超構波導可以通過正向設計法（基於物理與經驗的方法）來設計，也可以通過反向設計法（基於各類計算機最佳化算法）進行設計。對於正向設計的超構波導，研究者一般從超構單元出發，先分析設計超結構陣列的特性，再將其與特定的波導平台相結合，對設計參數進行微調，進而設計出超結構波導器件。對於反向設計法而言，則一般先從希望實現的器件功能出發，然後確定目標函式，再藉助計算機算法進行對其進行最佳化，最後獲得對應的器件結構。
逆向設計（inverse design）的超構光子器件通常分為“模擬型”和“數字型”兩類亞波長結構。前者的單元結構（像素）尺寸精細，刻蝕圖案通常具有“任意”彎曲的複雜邊界；其逆向設計自由度高，理論上可以實現高質量的設計目標，但器件性能受工藝誤差影響較大。後者的像素尺寸一般大一個數量級左右，刻蝕圖案的輪廓是較為規則的矩形或圓形；其逆向設計可以採用更為簡單的最佳化算法獲得性能優良的器件，且工藝容差大，更易於製造。
超結構波導的兩類設計方法和步驟：正向設計 & 反向設計。
套用
通過超構波導這一平台，我們可以實現自由空間光場、波導光場（導模）、以及表面波模式之間的靈活耦合與轉換。使用端面製作了亞波長結構的超構光纖可以實現例如光束整形、光信號調製、光纖探測、內窺成像等套用。
利用上表面集成了超構表面的介質光波導、反向設計的超材料波導等結構，可以實現多功能的光耦合、光探測、偏振/波長解復用、結構光激發、波導模式轉化、片上光信號變換、光學神經網路、光路由等套用。同時，亞波長超結構也是操控表面波即表面等離子激元（SPP）的優異平台，可以靈活自由的實現SPP的激發、調控、與探測等功能。
超結構波導的套用。
