[論文レビュー] High Quality Factor Fano-Resonant All-Dielectric Metamaterials

Yuanmu Yang, Ivan I. Kravchenko+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2014

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 39被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、低損失の誘電体材料とメタ原子間のコherent結合を活用することで、全誘電体シリコンメタサーフェスにおいて高品質因数（Q要因）のファノ共鳴を実現し、記録的なQ要因483を達成した。この手法により、シリコン共振器内または周囲の媒体内での強い場の閉じ込めが可能となり、屈折率センシングのための高い感度（FOM = 103）を実現した。

ABSTRACT

Metasurface analogues of electromagnetically induced transparency (EIT) have been a major focus of the nanophotonics field over the past several years due their ability to produce high quality factor (Q-factor) resonances for applications such as low-loss slow light devices and highly sensitive optical sensors. However, Ohmic loss limits the achievable Q-factors in conventional plasmonic EIT metasurfaces to values less than 10, significantly hampering device performance. Here, we report experimental demonstration of a classical analogue of EIT using all-dielectric silicon-based metasurfaces. Due to extremely low absorption loss and coherent interaction of neighboring meta-atoms, a record-high Q-factor of 483 is experimentally observed, leading to a refractive index sensor with a figure-of-merit (FOM) of 103. Furthermore, we show that the dielectric metasurfaces can be engineered to confine the optical field in either the silicon resonator or the environment, allowing one to tailor light-matter interaction at the nanoscale.

研究の動機と目的

• 抵抗損失によるプラズモニック電磁誘導透過（EIT）メタサーフェスのQ要因制限を克服すること。
• 低吸収とコherentなメタ原子相互作用を通じて高Q要因共鳴を支持する誘電体代替手段を開発すること。
• 誘電体共振器または周囲の媒体内での可変式光学場の閉じ込めを実証すること。
• 全誘電体系におけるEITの古典的アナロジーを用いて、屈折率センシングのための高い図形的指標（FOM）を達成すること。

提案手法

• 明るいモードと暗いモード間のコherent干渉によりファノ共鳴を支持するシリコンベースのリング共振器アレイの設計およびプロセス。
• 吸収損失を最小限に抑えるために高屈折率誘電体材料（シリコン）の使用により、高Q要因を実現。
• 共振モード間の干渉条件を制御するために、メタ原子の幾何形状と結合を設計。
• 初期の省略によりQ要因の推定値が高められていたのを是正した後、シミュレーションにクロス偏光場の散乱を組み込み。
• 近場光学測定を用いてファノ共鳴およびQ要因の実験的検証。
• 誘電体または周囲の媒体内での光学エネルギーの局在化の可変性を確認するため、場の分布を体系的に分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全誘電体メタサーフェスは、プラズモニック系を上回るQ要因を持つファノ共鳴を支持できるか？
• RQ2 誘電体メタ原子間のコherent結合が、Q要因および場の局在化にどのように影響するか？
• RQ3 光学場の閉じ込めを、誘電体共振器内ではなく周囲の媒体内にどれだけ制御的に配置できるか？
• RQ4 このような系において、屈折率センシングのための実現可能な図形的指標（FOM）はどの程度か？
• RQ5 部分的に接続されたギャップなどのプロセス上の不備が、観測されたQ要因にどのように影響するか？

主な発見

• シリコンベースの全誘電体メタサーフェスで、記録的な実験的Q要因483が達成され、通常のプラズモニックEIT系を著しく上回った。
• 屈折率センシングのための図形的指標（FOM）は103に達し、低損失で高い感度を示した。
• 場の閉じこめが実験的に制御可能であることが確認され、エネルギーがシリコン共振器内または周囲の媒体内に局在化した。
• シミュレーションの誤り（特にクロス偏光場の省略）の是正により、Q要因の予測がより正確になり、実験データと整合した。
• プロセスで作られたアレイに部分的に接続されたギャップが、クロス偏光散乱を抑制し、高Q要因を維持した。
• 完全に接続されたリングベースの共振器を解析することで、是正モデルにおける高Q応答のロバスト性を検証した。