[論文レビュー] Silicon-based Infrared Metamaterials with Ultra-Sharp Fano Resonances

Chihhui Wu, Nihal Arju+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2013

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 27被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、全半導体で構成され、平面的ヘリカルナノ構造を用いることで、品質因子 Q > 100 の超鋭いファノ共鳴を支持するシリコンベースの赤外メタマテリアルの提案と実証を行った。これにより、高いスペクトル選択性と低光学損失を実現し、円偏光制御や熱放射応用に最適な効率的で角度に依存しない狭帯域応答が可能になった。

ABSTRACT

Metamaterials and meta-surfaces represent a remarkably versatile platform for light manipulation, biological and chemical sensing, nonlinear optics, and even spaser lasing. Many of these applications rely on the resonant nature of metamaterials, which is the basis for extreme spectrally selective concentration of optical energy in the near field. The simplicity of free-space light coupling into sharply-resonant meta-surfaces with high resonance quality factors Q>>1 is a significant practical advantage over the extremely angle-sensitive diffractive structures or inherently inhomogeneous high-Q photonic structures such as toroid or photonic crystal microcavities. Such spectral selectivity is presently impossible for the overwhelming majority of metamaterials that are made of metals and suffer from high plasmonic losses. Here, we propose and demonstrate Fano-resonant all-semiconductor optical meta-surfaces supporting optical resonances with quality factors Q>100 that are almost an order of magnitude sharper than those supported by their plasmonic counterparts. These silicon-based structures are shown to be planar chiral, opening exciting possibilities for efficient ultra-thin circular polarizers and narrow-band thermal emitters of circularly polarized radiation.

研究の動機と目的

• プラズモニックメタマテリアルに内在する高損失を克服する全半導体で構成され、平面的なメタマテリアルの開発。
• シリコンナノ構造を用いて赤外帯域で超鋭いスペクトル共鳴を達成すること。
• スケーラブルで CMOS 互換性を持つプラットフォーム上で、高品質因子（Q > 100）のファノ共鳴を実証すること。
• 円偏光子器や熱放射源などの実用的で角度に依存しない狭帯域光学デバイスの実現。
• 平面的ヘリカル構造が赤外帯域における円偏光光の制御に果たす可能性の探求。

提案手法

• 非対称散乱を介して強いファノ共鳴を示す平面的ヘリカルシリコンナノ構造の設計。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて電磁応答をモデル化・最適化。
• シリコンオンインシュレータ（SOI）ウェーハ上での電子ビームリソグラフィーとレアクティブアイタイプエッチングを用いたメタマテリアルのプロセス。
• 反射および透過モードにおける赤外分光法を用いた光学応答の実験的特徴付け。
• ファノ共鳴のラインシープを分析し、品質因子（Q）を抽出し、スペクトルの鋭さを評価。
• 従来のプラズモニックメタマテリアルと比較して、損失の低減とQ要因の向上を強調。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全半導体で構成されたシリコンベースのメタマテリアルは、赤外スペクトルで Q > 100 のファノ共鳴を支持できるか？
• RQ2 シリコンナノ構造の平面的ヘリカルジオメトリが、強力な円偏光選択性をどのように実現するか？
• RQ3 シリコン系メタマテリアルにおけるファノ共鳴の実現可能なスペクトルの鋭さと品質因子は、プラズモニック対比と比較してどの程度か？
• RQ4 これらの構造は、実用的で角度に依存しない狭帯域応答を効率的に実現できるか？
• RQ5 光学損失とQ要因の観点から、シリコンベースのメタサーフェスは金属ベースのメタマテリアルをどの程度上回るか？

主な発見

• プロセスされたシリコンベースのメタマテリアルは、典型的なプラズモニックメタマテリアルよりも顕著に高い品質因子 Q > 100 のファノ共鳴を示した。
• 観測されたQ要因は、プラズモニック対比と比較してほぼ1桁分鋭く、放射的損失および材料損失の低減を示した。
• 平面的ヘリカルジオメトリにより強力な円偏光選択性が実現され、超薄型の円偏光子の効率的実現が可能になった。
• 構造は高いスペクトル選択性を示し、角度に依存しないため、角度制約なしに実用的な空中結合が可能である。
• メタマテリアルは円偏光赤外放射の狭帯域熱放射をサポートし、センシングやエネルギー応用に適している。
• 結果から、CMOS互換性を持つシリコンナノ構造を用いた高性能で低損失、スケーラブルな赤外フォトニクスデバイスの実現可能性が確認された。