[论文解读] Broken symmetry dielectric resonators for high quality-factor Fano metasurfaces

Salvatore Campione, Sheng Liu+9 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 13被引用 7

一句话总结

本文提出在介质谐振器中采用对称性破缺设计，通过每个单元中仅使用一个谐振器，在超表面中实现高品质因数的Fano共振。通过几何扰动耦合亮模和暗模，该方法在近红外波段实现了高达约600的品质因数，并具有强烈的场增强，为非线性与有源光学器件铺平了道路。

ABSTRACT

We present a new approach to dielectric metasurface design that relies on a single resonator per unit cell and produces robust, high quality-factor Fano resonances. Our approach utilizes symmetry breaking of highly symmetric resonator geoemetries, such as cubes, to induce couplings between the otherwise orthogonal resonator modes. In particular, we design perturbations that couple "bright" dipole modes to "dark" dipole modes whose radiative decay is suppressed by local field effects in the array. Our approach is widely scalable from the near-infrared to radio frequencies. We first unravel the Fano resonance behavior through numerical simulations of a germanium resonator-based metasurface that achieved a quality-factor of ~1300 at ~10.8 um. Then, we present two experimental demonstrations operating in the near-infrared (~1 um): a silicon-based implementation that achieved a quality-factor of ~350; and a gallium arsenide-based structure that achieves a quality-factor of ~600 - the highest near-infrared quality-factor experimentally demonstrated to date with this kind of metasurfaces. Importantly, large electromagnetic field enhancements appear within the resonators at the Fano resonant frequencies. We envision that combining high-quality factor, high field enhancement resonances with nonlinear and active/gain materials such as gallium arsenide will lead to new classes of active optical devices.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的单谐振器超表面设计，以实现高品质因数的Fano共振。
• 通过利用对称性破缺耦合亮模与暗模，克服传统介质超表面中低Q因子的局限性。
• 通过实验在近红外波段（使用硅和砷化镓平台）验证高Q因子。
• 在Fano共振频率处实现强电磁场增强，以适用于非线性光学应用。
• 提供一种从近红外到射频频段均适用的设计框架。

提出的方法

• 在高度对称的谐振器（如锗立方体）中引入几何不对称性，以打破 degeneracy，并实现正交模式之间的耦合。
• 设计扰动，使辐射型“亮”偶极模与受阵列中局部场效应抑制的非辐射型“暗”偶极模发生耦合。
• 利用数值模拟分析基于锗的超表面在约10.8 µm波长下的Fano共振行为，实现约1300的Q因子。
• 在硅和砷化镓中实现该设计，以在近红外波段（约1 µm）进行实验验证。
• 利用Fano共振条件，即宽背景通道与窄共振通道之间的相互干涉，产生具有高Q因子的非对称线型。
• 通过模拟和实验测量透射谱及场增强效应，验证该设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用介质谐振器中的对称性破缺在超表面中实现高品质因数的Fano共振？
• RQ2 亮模与暗模之间的耦合在提升Fano共振Q因子方面起到何种作用？
• RQ3 能否在近红外波段通过单谐振器单元实现高Q因子的实验验证？
• RQ4 这些结构在Fano共振频率处的场增强程度如何？
• RQ5 该方法在从近红外到射频频段的频率范围内具有多大程度的可扩展性？

主要发现

• 基于锗的超表面在约10.8 µm波长处通过数值模拟实现了约1300的品质因数。
• 基于硅的超表面在近红外波段（约1 µm）实验中实现了约350的品质因数。
• 基于砷化镓的超表面实现了约600的品质因数，是该类超表面在近红外波段中实验测得的最高值。
• 在Fano共振频率下，谐振器内部观察到强烈的电磁场增强。
• 对称性破缺方法可利用每个单元仅一个谐振器实现鲁棒且高Q的Fano共振，简化了设计与制造。
• 由于扰动具有几何特性，该方法在从近红外到射频频段的宽频率范围内具有可扩展性。