[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出并展示了基于硅的红外超材料，其支持品质因数 Q > 100 的超锐 Fano 共振，利用全半导体、平面手性纳米结构实现高光谱选择性与低光学损耗。该方法可实现高效、角度无关、窄带响应，适用于圆偏振控制与热辐射等应用。

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.

研究动机与目标

• 开发克服等离子体超材料固有高损耗的全半导体平面超材料。
• 利用硅纳米结构在红外波段实现超锐光谱共振。
• 在可扩展的、与 CMOS 兼容的平台上实现高质量因子（Q > 100）的 Fano 共振。
• 实现适用于实际应用的、角度无关的、窄带光学器件，如圆偏振器与热辐射器。
• 探索平面手性结构在红外波段控制圆偏振光的潜力。

提出的方法

• 设计具有非对称散射特性的平面手性硅纳米结构，以实现强 Fano 共振。
• 使用有限元时域（FDTD）仿真模拟并优化电磁响应。
• 利用电子束光刻与反应离子刻蚀在绝缘层上硅（SOI）衬底上制备超材料。
• 通过反射与透射模式的红外光谱学实验表征光学响应。
• 分析 Fano 共振线型以提取品质因数（Q）并评估光谱锐度。
• 与传统等离子体超材料对比性能，突出其更低损耗与更高 Q 因子。

实验结果

研究问题

• RQ1 全半导体硅基超材料是否可在红外光谱中支持 Q > 100 的 Fano 共振？
• RQ2 硅纳米结构的平面手性几何构型如何实现强圆偏振选择性？
• RQ3 与等离子体对应物相比，硅基 Fano 共振的可实现光谱锐度与品质因数如何？
• RQ4 这些结构能否实现高效、角度无关、窄带响应，以适用于实际光子学应用？
• RQ5 在光学损耗与 Q 因子方面，硅基超表面相较于金属基超材料在多大程度上表现更优？

主要发现

• 所制备的硅基超材料表现出 Q > 100 的 Fano 共振，显著高于典型等离子体超材料的水平。
• 测得的 Q 因子比等离子体对应物接近一个数量级更锐，证明了辐射损耗与材料损耗的降低。
• 平面手性几何结构实现了强圆偏振选择性，可实现高效超薄圆偏振器。
• 该结构表现出高光谱选择性且具有角度无关性，可实现无需角度约束的实际自由空间耦合。
• 该超材料支持窄带圆偏振红外辐射的热发射，适用于传感与能源应用。
• 结果证实了利用与 CMOS 兼容的硅纳米结构实现高性能、低损耗、可扩展的红外光子器件的可行性。