近日，复旦大学信息科学与工程学院孙树林教授课题组与物理学系周磊教授团队合作，在超构表面调控表面等离激元近场领域展开了深入研究，提出了一种利用梯度相位超构表面耦合等离激元片上光学系统的新方法。2023年4月7日，相关研究成果以“Efficient Meta-couplers Squeezing Propagating Light into On-Chip Subwavelength Devices in a Controllable Way”为题发表在纳米领域国际知名期刊《Nano Letters》上，所有三位审稿人均高度评价了该工作：“This is an interesting work with promising potential for applications”、“ The topic is of general current interest”、“The manuscript is well-written and interesting”。
在现代光学的发展过程中，光学器件及系统走向小型化、片上化、多功能化一直是人们梦寐以求的未来方向。表面等离激元模式由于具有亚波长和局域场增强等特点，受到了纳米光学领域研究人员的广泛关注。基于表面等离激元的片上光学器件可以突破衍射极限的限制，从而提升光学系统的集成度；并且还能够构建高度局域、非均匀的近场光学环境，在增强光与物质相互作用方面具有独到优势。然而，由于波矢失配和模式体积差异等因素的制约，外界自由空间光难以高效耦合片上光学系统中的局域光场模式，这是一个领域内长期受到关注的基本问题。
图1传统耦合器与超构表面耦合器激发片上光学系统的比较。
人们曾提出很多传统方法来耦合片上光学器件。例如，人们依靠激发光直接照射片上器件的端面来实现片上模式的激发，这种方法会把大部分能量散射回自由空间，因此效率很低。另外，人们利用拉锥光纤靠近片上光学器件并进行耦合，虽然这种方法效率较高，却存在力学不稳定、难以集成化等问题（图1a）。还有一种常用方法则是光栅耦合法，然而多模式激发等问题也会限制其耦合效率（图1b）。最近，孙树林教授课题组提出利用超构表面作为片上光学系统的高效耦合桥梁这一新思想（图1c）。研究团队通过设计两维相位梯度超构表面实现在两维方向的动量补偿，不仅可以将远场自由空间光高效耦合成近场表面等离激元，而且可以来控制其近场波前形貌分布。基于这一设计思想，团队在近红外波段设计超构表面实现将入射光高效转化为聚焦表面等离激元，绝对耦合效率达到56%。接着，在焦点位置处进一步集成片上等离激元波导，进而实现了外界光场高效率耦合进入等离激元片上波导系统，绝对效率可达51%。此外，为了实现多功能近场激发调控，研究团队通过引入几何相位与共振相位两种调控自由度，设计出复合相位超构表面耦合器可以实现不同圆偏振光选择性激发片上双波导系统，如图2所示。需要强调的是，超构表面耦合片上光学系统的概念具有普适性，研究团队还验证了高效耦合片上纳腔等体系，这些研究为增强光与物质相互作用等相关应用提供了理想平台。
图2 超构表面实现不同圆偏振光选择性激发片上光学系统的实验表征
总结来说，该论文提出了一种基于超构表面实现高效率耦合片上光学系统的新思路，相对于光栅等传统耦合方法具有效率高、多功能、高集成等优势。复旦大学信息学院为论文第一单位，复旦大学信息学院博士生陈宜臻和物理学系博士生郑晓颖为共同第一作者，复旦大学信息学院孙树林教授和物理学系周磊教授以及天津师范大学刘飞飞博士为论文的通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技创新行动项目等基金的支持。
论文信息：Yizhen Chen#, Xiaoying Zheng#, Xiyue Zhang, Weikang Pan, Zhuo Wang, Shiqing Li, Shaohua Dong, Feifei Liu*, Qiong He, Lei Zhou*, and Shulin Sun*，“Efficient Meta-couplers Squeezing Propagating Light into On-Chip Subwavelength Devices in a Controllable Way”，Nano Letters. DOI: doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c00310.
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c00310
