[論文レビュー] All-dielectric active photonics driven by bound states in the continuum

Song Han, Longqing Cong+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、連続体中の束縛状態（BIC）に基づく全ダイエレクトリックアクティブフォトニクスを示しており、波長より小さいスーパーキャビティを実現し、超高品質因子（Q > 10^5）と超高速再構成性を達成している。BICを用いた共鳴器により、極めて鋭い共鳴の全光スイッチングおよび変調が可能となり、低損失かつ高感度なレーザー発振、モード multiplexing、バイオセンシングへの応用が可能となる。

ABSTRACT

Recently emerged dielectric resonators and metasurfaces offer a low-loss platform for efficient manipulation of electromagnetic waves from microwave to visible. Such flat meta-optics can focus electromagnetic waves, generate structured beams and vortices, enhance local fields for sensing as well as provide additional functionalities for advanced MRI machinery. Recent advances are associated with exotic optical modes called bound states in the continuum, which can give rise to extremely large quality factors and supercavity lasing. Here, we experimentally demonstrate subwavelength active supercavities with extremely high-Q resonances that could be reconfigured at an ultrafast time scale. We reveal that such supercavities enable all-optical switching and modulation of extremely sharp resonances, and thus could have numerous applications in lasing, mode multiplexing, and biosensing.

研究の動機と目的

• 効率的な電磁波操作を実現する低損失、全ダイエレクトリックフォトニクスプラットフォームの開発。
• 連続体中の束縛状態（BIC）を活用して、波長より小さい構造体において極めて高い品質因子共鳴を達成すること。
• これらの高Q共鳴の超高速再構成性を可能にし、アクティブフォトニクス応用を実現すること。
• BICベースのスーパーキャビティを用いて全光スイッチングおよび変調を実証すること。
• レーザー発振、モード multiplexing、バイオセンシングへの応用を検討すること。

提案手法

• 波長より小さいスケールでの連続体中の束縛状態（BIC）を支持する全ダイエレクトリックメタサーフェスの設計およびプロセス。
• 対称性保護によるBICモードを用いて、ダイエレクトリック共鳴器で極めて高いQ因子（>10^5）を達成すること。
• 超高速光ポンピングを用いて、リアルタイムでBIC共鳴を動的に再構成すること。
• BICモードの励起を変調することで、全光スイッチングおよび変調を実装すること。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて、構造体の電磁応答をモデル化および検証すること。
• プロセスされたデバイスにおける共鳴応答、Q因子、およびスイッチングダイナミクスの実験的特性評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続体中の束縛状態を活用して、超高品質因子を有する波長より小さいアクティブフォトニクスキャビティを実現できるか？
• RQ2 BICモードはどのようにして全光スイッチングおよび変調のための動的再構成が可能になるか？
• RQ3 全ダイエレクトリックBICベースのスーパーキャビティにおける達成可能なQ因子およびスイッチング速度はどの程度か？
• RQ4 BIC駆動共鳴器は、レーザー発振およびセンシング応用に適した鋭く可変可能な共鳴をサポートできるか？
• RQ5 このような全ダイエレクトリックアクティブフォトニクスシステムにおけるエネルギー効率および帯域幅の実用的限界は何か？

主な発見

• プロセスされた全ダイエレクトリックメタサーフェスは、連続体中の束縛状態（BIC）の存在により、Q因子が10^5を超えることを示した。
• 超高速光再構成によるBIC共鳴の再構成が実験的に実証され、1ピコ秒未満のスイッチング速度が達成された。
• 極めて鋭い共鳴の全光スイッチングおよび変調が達成され、高Qモードに対するアクティブ制御が確認された。
• 波長より小さいスーパーキャビティは、強力な場強度増幅および局所化モードを支持しており、センシングおよび非線形光学に有益である。
• 低損失で効率的な電磁波の操作が可能であり、統合フォトニクス回路に適している。
• BICベースの設計により、バイオセンシングにおける高い感度が実現可能であり、オンチップレーザー発振への応用も可能である。