金崇君教授研究组在表面等离子体单向耦合器研究中取得重要进展

　　现代高速信息处理技术渴求超微型集成化的光子器件，表面等离子体光子器件可以克服传统光学中的衍射极限问题，在纳米尺度下对光信号进行局域、传导和调制，因此被视为通往超集成化光子回路的一条捷径。然而，将表面等离子体器件引入到光学系统中，必须面对一个关键问题：如何高效地将自由空间中传播的光波耦合到金属表面形成方向可控的表面等离子体波？虽然传统光栅可以实现这一目的，但垂直入射的光束会被同时耦合进沿两个相反方向传播的表面等离子体波。尽管可以通过斜入射光束来实现单向传播的表面等离子体波，但在大多数光学系统中，正入射耦合具有更多的优点。最近，光电材料与技术国家重点实验室、物理科学与工程技术学院金崇君教授领导的研究组和斯坦福大学Prof. Shanhui Fan 领导的研究组合作，指导博士生沈杨、硕士生刘天然和Dr. Wonseok Shin等提出一种基于错位双层金属光栅结构的单向表面等离子体耦合器（如图a所示）。由于打破了空间结构对称性，这种错位光栅结构可以实现正入射下的高效单向表面等离子体波耦合，并且具有易于设计、可扩展以及尺寸小等优点。经过优化，发现包含仅7个周期的双层金光栅可以达到78的单向比和49%的耦合效率。基于结构的周期性，他们提出了通过双光束倾斜曝光结合倾斜金属沉积以及聚焦离子束刻蚀的方法来制备这种错位双层金属光栅结构(如图c, e所示)。并在实验上演示了在一个聚焦的高斯光束照射下（中心波长为895 nm）高达43和36%的单向比和耦合效率（从图g中可以看出，大部分的光耦合到向右传播的表面等离子体波中）, 而相应的无错位双层金属光栅仅仅看到一个反射光斑，无横向耦合(图f)。更为重要的是，他们在理论上用一个简单的解析模型解释了这种单向耦合的机理，为结构参数的优化提供了一个非常简洁明晰的途径。相对于此前报道过的准周期表面等离子体耦合器，这种结构在设计和制备上都更加简单，并且在实验上表现出非常优异的单向耦合性能，表明该双层金属光栅结构在表面等离子体集成光路中具有十分重要的应用价值。该研究成果于6月13日发表在国际知名刊物Nano Letters上(Nano Letters 14, 3848(2014)). 其中一个审稿人写道: "......I was impressed by its combination of numerics, design, experiment /fabrication and simple analytics. The results are impressive and should be useful in the design of plasmonic circuits ..."而另一个审稿人认为："The present work distinguishes itself not by the achievable coupling efficiency, but by other factors relating to ease of fabrication ......"。近三年金崇君教授研究组在表面等离子体纳微结构器件的研究上已发表了多篇高水平研究论文，其中包括 Nature Communications 4, 2381(2013); Nanoscale 6(13), 7237(2014); Nanoscale 4(7), 2255(2012); Nanoscale 4(18), 5576(2012)等。
   
    本研究得到光电材料与技术国家重点实验室、国家自然科学基金委和科技部基础研究计划等的大力资助。（光电材料与技术国家重点实验室供稿）