[논문 리뷰] Hybrid bound states in the continuum in terahertz metasurfaces

Junxing Fan, Zhanqiang Xue외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 22.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 테라헤르츠 메타표면에서 연속체 내의 혼합 바운드 상태(BICs)를 도입하여 산란 손실을 줄이고 방사 품질 계수(Q)를 향상시키며, 하이브리드 격자에서 방사 Q 증가 계수가 14.6을 넘는 것과 브릴루앙 구역 모드 이전을 통해 다수의 파노라마 공명(Fano resonances)을 드러낸다.

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BICs) have exhibited extraordinary properties in photonics for enhanced light-matter interactions that enable appealing applications in nonlinear optics, biosensors, and ultrafast optical switches. The most common strategy to apply BICs in a metasurface is by breaking symmetry of resonators in the uniform array that leaks the otherwise uncoupled mode to free space and exhibits an inverse quadratic relationship between quality factor (Q) and asymmetry. Here, we propose a scheme to further reduce scattering losses and improve the robustness of symmetry-protected BICs by decreasing the radiation density with a hybrid BIC lattice.We observe significant increase of radiative Q in the hybrid lattice compared to uniform lattice with a factor larger than 14.6. In the hybrid BIC lattice, modes are transferred to Gamma point inherited from high symmetric X, Y and M points in the Brillouin zone that reveal as multiple Fano resonances in the far field and would find applications in hyperspectral sensing. This work initiates a novel and generalized path toward reducing scattering losses and improving the robustness of BICs in terms of lattice engineering that would release the rigid requirements of fabrication accuracy and benefit applications of photonics and optoelectronic devices.

연구 동기 및 목표

• 연색광학에서 빛-물질 상호작용을 강화하기 위한 연속체 내 바운드 상태(BICs)의 사용을 동기화한다.
• 방사 밀도를 줄이고 대칭 보호 BIC의 강건성을 높이기 위한 격자 설계 전략을 제안한다.
• 하이브리드 격자에서 방사 Q 요인이 균일 격자보다 더 크게 증가하는지 테라헤르츠 메타표면에서 보인다.
• X, Y, M 지점에서 감마 포인트로의 모드 이전을 시연하고 원거리에서 다수의 Fano 공명을 식별한다.

제안 방법

• 테라헤르츠 메타표면의 방사 손실을 결합하고 억제하기 위한 하이브리드 격자 설계를 도입한다.
• 하이브리드 대 균일 격자의 방사 밀도 및 품질 요인(Q) 향상을 분석한다.
• 고대칭 브릴루앙 구역 포인트(X, Y, M)에서 감마 포인트로의 모드 이전을 관찰하여 원거리에서 다수의 Fano 공명을 가능하게 한다.
• 이전된 모드 및 Fano 공명에 해당하는 원거리 스펙트럼 특징을 특징지운다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 격자 설계가 균일한 격자에 비해 테라헤르츠 메타표면에서 BIC의 산란 손실을 줄일 수 있는가?
• RQ2 X, Y, M 포인트에서 감마 포인트로 모드를 이전할 때 방사 밀도와 방사 Q 요인이 어떻게 달라지는가?
• RQ3 이전된 모드가 다수의 Fano 공명으로 원거리에서 나타나 초분광 센싱을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 하이브리드 격자에서의 방사 Q는 균일 격자에 비해 14.6배 이상 증가한다.
• 브릴루앙 구역의 고대칭 X, Y 및 M 포인트에서 감마 포인트로 모드가 이전된다.
• 이전된 모드는 원거리에서 다수의 Fano 공명으로 나타난다.
• 하이브리드 격자는 격자 설계를 통해 산란 손실을 줄이고 대칭 보호 BIC의 강건성을 향상시킨다.
• 이 접근법은 광학 및 광전자 기기에서 BIC 강건성을 일반화된 방식으로 향상시킬 수 있는 경로를 제시한다.