張家森教授研究組表面等離激元器件研究新進展

利用對表面等離激元(surface plasmon polaritons, SPP)的操控實現納米光子學器件是目前光學研究的一個熱點，有望實現新一代信息技術的微型化和光子集成。人們通常利用在金屬膜上制備散射結構對SPP的波前進行調控，但這種方法精度低，不能直接調控相位，難以實現豐富的功能。為了解決這些問題，張家森教授提出了在金屬膜上制備耦合結構，通過對耦合結構的設計在實現光與SPP耦合的同時獲得對SPP的強度和相位的調控。這種方法不但實現了對SPP的高精度的波前調控，而且可以實現光子學器件所需要的多種功能。

最近，張家森教授研究組博士生趙乘龍等利用這種思想設計并成功實現了基于SPP的波分複用器，為實現基于SPP的大容量光通信集成邁出了關鍵一步。他們在金膜上設計了弧形特殊光栅結構，同時将這些結構分布在羅蘭圓上。這種設計可以同時實現三個功能：(1) 遠場光到SPP的轉換；(2) 對不同波長的SPP進行分光和聚焦；(3) 将不同波長的光耦合到不同的SPP波導。不但獲得了波分複用功能，而且有效解決了SPP器件與基于光纖的傳統器件的耦合問題，為SPP器件和集成提供了方法和思路。該結果于10月6日發表在納米科技領域的國際著名雜志《ACS Nano》的網絡版上http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn101334a (Chenglong Zhao and Jiasen Zhang*, ACS Nano, 2010)。《ACS Nano》的影響因子IF = 7.493。

張家森教授研究組還利用上述思想由博士生王家園、趙乘龍和張偉偉等分别實現了三維遠場光到二維SPP間的成像[Jiayuan Wang et al., Appl. Phys. Lett. 94, 081116 (2009); Opt. Express 18, 6686-6692 (2010)]、SPP的多焦點聚焦[Chenglong Zhao et al., Appl. Phys. Lett. 94, 111105 (2009)]、SPP二元光學[Chenglong Zhao et al., Opttics Letters, 34, 2417 (2009)]和SPP點源陣列[Weiwei Zhang et al., Optics Express 17, 19757 (2009)]，從而證明了這種方法的廣泛應用前景。

這些研究工作得到了國家自然科學基金委重點和面上項目、科技部973計劃、教育部博士點基金以及人工微結構和介觀物理國家重點實驗室自主科研項目等的大力資助。