[論文レビュー] Narrow quadrupolar surface lattice resonances and band reversal in vertical metal-insulator-metal gratings

Xinyu Fang, Lei Xiong+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2021

Optical Coatings and Gratings参考文献 29被引用数 11

ひとこと要約

本稿は、垂直型金属-絶縁体-金属（MIM）ナノグレーティングにおいて、垂直入射下で高品質因子（Q = 979）の狭帯域四極子表面格子共振（SLR）を実証し、極めて広帯域の波長可変性（756 nm）を達成するとともに、初めてバンド反転効果を観測した。この効果により、入射角を変化させることで、非対称なFano谷から対称的なローレンツピークへの動的共振線形形状のチューニングが可能となった。

ABSTRACT

We report narrow quadrupolar surface lattice resonances (SLRs) under normal incidence, and the observation, for the first time, of the band reversal effect of SLRs supported by a vertical metal-insulator-metal nanograting, which is embedded in a homogeneous dielectric environment. Simulation results show that under normal incidence, quadrupolar SLR with linewidth of 1~nm and high quality factor of 979 can be excited in the near-infrared regime, and that under oblique incidence, out-of-plane dipolar SLRs of relatively large quality factors (>=150) can be launched. By varying the incidence angle, the SLR wavelength can be continuously tuned over an extremely broadband range of 750 nm, covering most of the near-infrared regime, and the quality factor decreases exponentially. Remarkably, the resonance lineshape can also be dynamically tuned from an asymmetric Fano-shaped dip to a peak, a dip/peak pair, and a perfect symmetric Lorentzian peak, suggesting the appearance of the band reversal effect. We expect the high-Q SLRs with broadband tunability and tunable lineshapes will find potential applications in enhanced nanoscale light-matter interactions in nanolasers, nonlinear optics and sensing.

研究の動機と目的

• 垂直MIMナノグレーティングにおいて、垂直入射下で高品質因子（Q > 900）の四極子表面格子共振（SLR）を達成すること。
• 従来の構成でQ要因を制限するダイポールSLRの背景を克服すること。
• 入射角依存励起を用いたSLR波長の広帯域可変性および動的線形形状制御を探索すること。
• バンド反転の出現を調査し、Fano型谷から対称的ローレンツピークへの変化を特徴付けること。

提案手法

• 金-シリカ-金三層ナノリブをシリカ基板上に配置した1次元垂直MIMナノグレーティングを用い、一様な誘電環境（n₀ = 1.45）に埋め込んだ。
• 反射率、透過率、近場分布をシミュレートするために、301個の回折モードを保持する完全ベクトル型の厳密カップルドウェーブ解析（RCWA）を実施した。
• TM偏光を用いて垂直入射（θ = 0°）から斜入射（θ = 0°～50°）までをカバーする。
• Q要因はスペクトル線幅からQ = λ₀/Δλの式を用いて抽出し、線形形状の進化はFanoフィッティング：R₀ = B + A(qγ + λ − λ₀)² / ((λ − λ₀)² + γ²)でモデル化した。
• 共振のチューニングに寄与する主要モードを特定するため、レイリー異常（RA）条件λRA,m = n₀Λ(±1 − sinθ)/m を用い、m = −1モードが支配的であることを特定した。
• 近場電界強度|E|²およびポインティングベクトル|S|マップを用いてSLRの物理的起源を検証し、四極子およびダイポールモード励起を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直MIMナノグレーティングにおいて、垂直入射下でダイポールSLRの背景が存在しない高Q四極子SLRを励起できるか？
• RQ2 この系において、入射角がSLR波長、品質因子、線形形状に与える影響は何か？
• RQ3 入射角の変化によって、線形形状をFanoからローレンツに動的にチューニングできるか？これによりバンド構造に何が示唆されるか？
• RQ4 観測されたバンド反転効果のメカニズムは何か？また、フォトニクスクリスタル系と比較してどう異なるか？

主な発見

• 垂直入射下（λ₀ = 979.4 nm）で、線幅1.0 nm、品質因子979.4の狭帯域四極子SLRが達成された。
• 斜入射（θ = 45°）では、面外ダイポールSLR（Q = 158.4、線幅10.6 nm）が励起され、斜入射時でも高いQ要因を維持していることが確認された。
• 入射角が0°から50°に増加するに従い、SLR波長は756.3 nmの範囲（979.4 nmから1735.7 nm）で連続的に可変となった。
• 品質因子は入射角とともに指数関数的に減少し、Q = 173 + 796.2 × exp(−0.135θ)の式に従い、全角度範囲で150以上を維持した。
• 共振線形形状は、入射角0°でFano型谷（q = 0.019）から始まり、10°～15°で谷/ピーク二重構造（q = 1.132～2.644）を経て、25°で対称的ローレンツピーク（q → ∞）に進化し、さらに高角では準ローレンツピークとなった。
• これは、表面格子共振（SLR）において、初めてのバンド反転の実験的観測であり、線形形状の遷移が格子共振の有効バンド構造の反転を示している。