Résonance de Fano térahertz ultra-haute Q à partir d'un résonateur métamatériau compact à quatre bandes

Résumé

Nous introduisons un métamatériau planaire à quatre bandes métalliques qui présente une résonance de Fano ultra-aiguë dans la bande térahertz. À 0,81 THz, la structure délivre un creux de transmission de 25 % avec une bande passante de 0,014 THz, correspondant à un facteur Q de 58. La forme de ligne asymétrique résulte du couplage entre un mode brillant (radiatif) et un mode sombre (non-radiatif), comme décrit par la théorie électromagnétique de la résonance de Fano. L'extension du design à cinq bandes produit deux creux de Fano additionnels à haut Q avec des facteurs Q de 61 et 65.

Contexte

Les métamatériaux sont des composites conçus qui permettent des réponses électromagnétiques non trouvées dans les milieux naturels, tels que des indices de réfraction négatifs ou ultra-élevés [1,2]. Leurs propriétés peuvent être ajustées en modifiant la géométrie de leurs unités métalliques périodiques [3], les rendant attractifs pour des applications allant de l'absorption parfaite [4,5] à la détection [6-9] et au camouflage [10]. L'une des caractéristiques les plus convaincantes des métamatériaux est la capacité de générer des résonances de Fano — des caractéristiques spectrales aiguës et asymétriques qui découlent de l'interférence entre un mode large (brillant) et un mode étroit (sombre) [11-16]. Comparées aux résonances lorentziennes, les pics de Fano présentent généralement des facteurs Q bien plus élevés, souvent d'un ordre de grandeur supérieur [17-31], ce qui est avantageux pour les applications de détection et de filtrage.

Dans le régime térahertz (THz), les résonances de Fano ont été réalisées en introduisant de faibles asymétries dans les designs de résonateurs [17-20], permettant l'excitation de modes sombres sous-jacents [21]. Les structures à base de graphène ont également démontré des réponses de Fano ajustables [22,23]. Cependant, de nombreux métamatériaux THz rapportés présentent des facteurs Q modestes [17,32,33], limitant leur utilité pratique. Des designs récents employant une asymétrie multicouche ou bicouche [19,34] ont amélioré les facteurs Q mais au coût de la complexité de fabrication. Ainsi, une structure plane simple qui délivre un Q ultra-élevé reste un défi clé.

Ici, nous présentons un résonateur planaire coplanaire à quatre bandes qui atteint un facteur Q de 58 à 0,81 THz, tout en maintenant une empreinte compacte. En exploitant le couplage mode brillant-mode sombre inhérent à la géométrie asymétrique, nous démontrons que le profil de Fano peut être ajusté et que des résonances additionnelles peuvent être introduites en ajoutant plus de bandes.

Méthodes/Expérimental

Pour briser la symétrie du résonateur, la bande 2 est déplacée d'une distance d par rapport à l'axe central (Fig. 1). La structure complète consiste en quatre bandes d'or (σ = 4,09×10⁷ S m⁻¹) d'épaisseur 0,2 µm structurées sur un substrat de silice sans perte (n = 1,5). Chaque cellule unitaire a une période carrée Pₓ = P_y = 180 µm. Les bandes 1, 2 et 3 sont parallèles, chacune 120 µm de long et 20 µm de large ; la bande 4 est perpendiculaire, 150 µm de long et 20 µm de large. Le déplacement d est fixé à 30 µm pour le design de base. Les simulations par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) emploient un maillage de 1 µm en x et y et 0,02 µm en z, avec des conditions aux limites périodiques le long de x et y et des couches parfaitement adaptées le long de z. Le champ incident est normalement polarisé le long de y (champ E) et x (champ H) comme montré Fig. 1.

Résultats et discussion

Le spectre de transmission simulé (Fig. 2a) montre deux creux : un lorentzien large à 0,430 THz (10 % transmission) et un creux de Fano aigu à 0,809 THz (26,45 % transmission). Le creux de Fano a une bande passante de 0,014 THz, produisant un facteur Q de 58 — 30 fois plus élevé que le mode lorentzien. L'asymétrie provient du couplage d'un mode brillant (excité directement par l'onde incidente) et d'un mode sombre (excité via brisure de symétrie) [16,38,39]. La modélisation théorique utilisant la théorie électromagnétique de la résonance de Fano (Éqs. 2-5) reproduit les résultats de simulation, confirmant l'interaction brillant-sombre comme mécanisme sous-jacent (Fig. 2f).

Les cartes de champ aux deux fréquences de résonance (Fig. 3) révèlent des distributions de charge distinctes : le mode lorentzien se localise sur les bandes 1 et 3, tandis que le mode Fano se concentre sur les bandes 1 et 2 avec de forts courants de surface circulant entre eux — signature du couplage brillant-sombre.

L'ajustement du déplacement d déplace la résonance de Fano : alors que d augmente de 10 à 30 µm, le creux s'approfondit et se décalé vers le bleu en raison d'un couplage brillant-sombre plus fort et d'une longueur de résonateur équivalente l réduite (Éq. 6). Cette ajustabilité permet un contrôle précis sur la fréquence de résonance.

Lorsqu'une couche d'analyte de 4 µm d'indice de réfraction variable (n = 1-1,6) est placée au-dessus, le creux de Fano se décale vers le rouge proportionnellement (Fig. 5b). Le capteur présente une sensibilité de 0,105 THz/RIU et une figure de mérite (FOM = S/largeur de ligne) de 7,50. En utilisant des métriques basées sur l'intensité, le capteur atteint S* = 2,6/RIU et FOM* = 10, indiquant une forte adéquation pour la détection d'indice de réfraction à haute résolution.

L'extension du design à cinq bandes horizontales produit deux creux de Fano additionnels à haut Q à 0,75 THz (Q = 61) et 0,91 THz (Q = 65) (Fig. 6b), démontrant l'évolutivité du concept pour applications multi-résonance.

Conclusion

Nous avons démontré un résonateur planaire compact à quatre bandes qui délivre une résonance de Fano ultra-aiguë avec un facteur Q de 58 à 0,81 THz. La forme de ligne asymétrique résulte du couplage mode brillant-mode sombre, et sa position et profondeur sont ajustables via le déplacement de bande d. Le Q élevé de la structure, couplé à sa fabrication simple et sa géométrie plane, en fait une plateforme attractive pour la détection THz et d'autres applications nécessitant un filtrage à bande étroite. En ajoutant plus de bandes horizontales, le design peut supporter de multiples résonances à haut Q, élargissant davantage sa polyvalence fonctionnelle.

Abréviations

EIT :

Transparence induite électromagnétiquement

EM :

Électromagnétique

FOM :

Figure de mérite

PIT :

Transparence induite par plasmon

Q :

Facteur de qualité

RIU :

Unité d'indice de réfraction