超大规模集成高-Q纳米天线像素（VINPix）

超表面为自由空间光操控与波前整形提供了一种通用且紧凑的方法。超表面由精心排布的偶极谐振器阵列构成，可精确控制光的振幅、偏振与相位，应用涵盖成像、传感、调制与计算。超表面及其组成谐振器的三个关键性能指标是品质因数（Q因子）、模体积（$V_m$）以及对远场辐射的调控能力。通常，谐振器在这些参数间面临权衡：减小$V_m$会导致$Q$等效降低，尽管对辐射的调控更强。本文证明这种看似不可避免的折衷并非必然——高$Q$、亚波长$V_m$与可控的类偶极辐射可同时实现。我们设计了高$Q$、超大规模集成的硅纳米天线像素——VINPix——其将导模共振波导与光子晶体腔相结合。通过优化纳米天线，我们实现了超过1500的$Q$因子，且$V_m$小于0.1 $(\lambda/n_{\text{air}})^3$。每个纳米天线可由自由空间光独立寻址，并展现向远场的类偶极散射。可实现每$\text{cm}^2$超过一百万个纳米天线的谐振器密度，正如我们制备的8 mm x 8 mm VINPix阵列所展示。作为概念验证应用，我们展示了利用VINPix阵列实现无光谱仪、空间局域化的折射率传感。我们的平台为紧凑、高密度复用的器件（如空间光调制器、计算光谱仪与现场环境传感器）奠定了基础。