基于表面等离激元的空间光信号广角耦合接收的模块化研究

无线光通信和空间光探测的发展要求对空间光信号的接收具有大视场角和高接收灵敏度的特性。与将空间光信号经光学系统聚光和滤波后直接转换为电信号的传统光电接收方法相比，将空间光信号导入光波导的耦合接收（"光入光出"）方法由于可利用成熟的光放大和光滤波技术，接收灵敏度在理论上能接近量子极限，被认为是未来空间光信号接收的优先发展方向。但是现有的空间光耦合方法因受到衍射极限的限制，接收视场角非常有限。表面等离激元（SPP）具有能突破光学衍射极限等诸多优异特性，为解决这一难题提供一种潜在的新机理。本项目旨在系统、全面地进行基于SPP的空间光广角耦合接收的模块化研究，探索采用基于SPP的空间光聚光器并结合角度分集接收思想进行广角"光入光出"接收的机理研究和模块实验。本研究将丰富空间光信号至光波导的耦合理论，拓展SPP在空间光信号耦合接收中的应用，为推动未来手机上光载波通信的实现奠定基础。

实现空间光信号的广角耦合接收在无线光通信、集成光电子和近场光学检测中具有广阔的应用前景，将大角度范围内入射的空间光信号高效率地转化为电磁场高度束缚的表面等离激元（SPP）或耦合入集成光波导对于未来光通信和光信号处理元件和系统向纳米尺度集成方向发展具有特别重要的意义。本课题研究大角度范围内入射的空间光信号至SPP或光波导的耦合接收天线的基础问题。三年来，我们在国家自然科学基金的支持下，主要完成了以下工作：.1、系统研究了纳米金属光栅阵列与入射空间光和SPP三者之间的相互作用物理机制，建立了定量化理论模型和快速优化方法。.2、发现了表面等离激元临界角（PCA）现象，发现在PCA附近，入射空间光会激励起SPP的异常现象。深入分析了PCA的条件，阐明了SPP异常激励的物理机理，并在实验上进行了原理性验证。.3、提出了基于PCA和传统光栅共振激励角相结合的广角空间光耦合接收方案，提出了尺寸和周期均为亚波长尺寸的金属光栅阵列组成的广角和宽带接收的纳米天线，并进行了原理性实验验证。.4、提出了基于双光栅级联的广角空间光耦合接收方案，建立了理论模型和优化方法，并正在进行原理性实验验证。.5、研究了纳米尺寸的金属结构天线对入射空间光的偏振敏感性，提出了偏振分集接收的纳米天线结构。.总之，我们在基于表面等离激元临界角（PCA）和基于双光栅级联这两个获得广角空间光耦合接收的基础研究上取得了研究成果，在国际学术期刊和会议上发表论文17篇，其中SCI收录10篇，平均影响因子达3.06，影响因子大于2.0的文章有5篇，迄今总共被引用52次，引起了国际同行的关注；培养了博士后1名和博士生3名；参与国际学术会议10人次。