Ультра-высокий Q-фактор терагерцовый Фано-резонанс от компактного четырёх-полосового метаматериального резонатора

Аннотация

Мы представляем планарный четырёх-полосовой металлический метаматериал, демонстрирующий ультра-острый Фано-резонанс в терагерцовом диапазоне. При 0,81 ТГц структура даёт 25 % впадину прохождения с полосой пропускания 0,014 ТГц, соответствующей Q-фактору 58. Асимметричная форма линии результатирует из связи между ярким (радиативным) режимом и тёмным (нерадиативным) режимом, как описано электромагнитной теорией Фано-резонанса. Расширение дизайна до пяти полос даёт два дополнительных высоко-Q Фано-впадины с Q-факторами 61 и 65.

Введение

Метаматериалы — инженерированные композиты, позволяющие электромагнитные отклики, не найденные в природных средах, такие как отрицательные или ультра-высокие показатели преломления. Их свойства могут быть настроены путём регулировки геометрии их периодических металлических единиц, делая их привлекательными для приложений от идеального поглощения до сенсирования и невидимки. Одной из самых убедительных особенностей метаматериалов является способность генерировать Фано-резонансы — острые, асимметричные спектральные особенности, возникающие из интерференции между широким (ярким) режимом и узким (тёмным) режимом. По сравнению с Лоренцевскими резонансами, Фано-пики обычно демонстрируют намного более высокие Q-факторы, часто на порядок больше, что выгодно для сенсирования и фильтрации приложений.

В терагерцовом (ТГц) режиме Фано-резонансы реализовывали введением слабых асимметрий в дизайны резонаторов, позволяя возбуждение базовых тёмных режимов. Графен-базированные структуры также продемонстрировали настраиваемые Фано-отклики. Однако многие сообщённые ТГц метаматериалы показывают скромные Q-факторы, ограничивая их практическую утилиту. Недавние дизайны, использующие многослойную или билинейную асимметрию, улучшили Q-факторы, но ценой фабрикационной сложности. Таким образом, простая, планарная структура, дающая ультра-высокий Q, остаётся ключевым вызовом.

Здесь мы представляем копланарный четырёх-полосовой метаматериал, достигающий Q-фактора 58 при 0,81 ТГц, сохраняя компактный футепринт. Используя ярко-темное режимное сопряжение, присущее асимметричной геометрии, мы демонстрируем, что Фано-профиль может быть настроен, и дополнительные резонансы могут быть введены добавлением большего числа полос.

Методы/Эксперимент

Для нарушения симметрии резонатора полоса 2 смещена на расстояние d от центральной оси (Рис. 1). Полная структура состоит из четырёх золотых (σ = 4,09×10⁷ С/м) полос толщиной 0,2 мкм, выкраиванных на безпотерном силициевом подложке (n = 1,5). Каждая элементарная ячейка имеет квадратный период P_x = P_y = 180 мкм. Полоса 1, 2 и 3 параллельны, каждая 120 мкм длиной и 20 мкм шириной; полоса 4 перпендикулярна, 150 мкм длиной и 20 мкм шириной. Смещение d установлено 30 мкм для базового дизайна. FDTD симуляции используют 1 мкм сетку по x и y и 0,02 мкм по z, с периодическими граничными условиями по x и y и идеально согласованными слоями по z. Инцидентное поле нормально поляризовано вдоль y (E-поле) и x (H-поле) как показано на рис. 1.

Результаты и обсуждение

Симулированный спектр прохождения (Рис. 2а) показывает две впадины: широкую Лоренцевскую при 0,430 ТГц (10 % прохождения) и острую Фано-впадину при 0,809 ТГц (26,45 % прохождения). Фано-впадина имеет полосу 0,014 ТГц, давая Q-фактор 58 — в 30 раз выше, чем Лоренцевский режим. Асимметрия исходит из сопряжения яркого режима (напрямую возбуждаемого инцидентной волной) и тёмного режима (возбуждаемого через нарушение симметрии). Теоретическое моделирование с использованием электромагнитной теории Фано-резонанса (уравнения 2–5) воспроизводит результаты симуляции, подтверждая ярко-темное взаимодействие как базовый механизм (Рис. 2f).

Карты поля при двух резонансных частотах (Рис. 3) раскрывают отличные зарядовые распределения: Лоренцевский режим локализуется на полосах 1 и 3, в то время как Фано-режим концентрируется на полосах 1 и 2 с сильными поверхностными токами, текущими между ними — сигнатура ярко-темного сопряжения.

Настройка смещения d сдвигает Фано-резонанс: по мере увеличения d от 10 до 30 мкм впадина углубляется и синеет из-за усиленного ярко-темного сопряжения и уменьшенной эквивалентной длины резонатора l (уравнение 6). Эта настраиваемость позволяет точный контроль над резонансной частотой.

Когда 4-мкм аналитный слой переменного показателя преломления (n = 1–1,6) помещается сверху, Фано-впадина красно-сдвигается пропорционально (Рис. 5б). Сенсор демонстрирует чувствительность 0,105 ТГц/RIU и фигуру мерита (FOM = S/линейная ширина) 7,50. Используя интенсивностные метрики, сенсор достигает S* = 2,6/RIU и FOM* = 10, указывая на сильную пригодность для высокоразрешающего рефрактивного индекс детектирования.

Расширение дизайна до пяти горизонтальных полос производит два дополнительных высоко-Q Фано-впадины при 0,75 ТГц (Q = 61) и 0,91 ТГц (Q = 65) (Рис. 6б), демонстрируя масштабируемость концепции для мульти-резонансных приложений.

Заключение

Мы продемонстрировали компактный четырёх-полосовой планарный резонатор, дающий ультра-острый Фано-резонанс с Q-фактором 58 при 0,81 ТГц. Асимметричная форма линии возникает из ярко-темного режимного сопряжения, и её позиция и глубина настраиваются через смещение полосы d. Высокий Q структуры, в сочетании с её простой фабрикацией и планарной геометрией, делает её привлекательной платформой для ТГц сенсирования и других приложений, требующих узкополосной фильтрации. Добавление большего числа горизонтальных полос позволяет дизайну поддерживать множественные высоко-Q резонансы, дальнейшее расширение его функциональной универсальности.

Аббревиатуры

EIT

Электромагнитная индуцированная прозрачность

EM

Электромагнитный

FOM

Фигура мерита

PIT

Плазмон-индуцированная прозрачность

Q

Качественный фактор

RIU

Единица рефрактивного индекса