CN115437040A

CN115437040A - 一种具有局域场增强效果的介电超表面结构及其应用

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Publication number: CN115437040A
Application number: CN202211052999.5A
Authority: CN
Inventors: 李德琼; 李宗霖; 聂国政; 陈智全
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2042-08-30
Also published as: CN115437040B

Abstract

本发明公开了一种具有局域场增强效果的介电超表面结构，其从上至下依次包括硅分裂环，以及SiO₂基底。其中，所述硅分裂环为两个具有相同半径、相同高度，且共享圆心的两个部分圆环A和B，沿水平轴对称设置而成；还包括可调节偏正光入射角度的入射光源。本发明公开了qBIC共振带来的强场增强可以促进单层石墨烯的吸收，并且可以通过优化超表面的不对称水平、石墨烯的费米水平和单层石墨烯的位置以满足临界耦合，来实现吸收带的调谐。进一步地，通过调整入射光的偏振角，可以实现吸收强度的有效调制，强度调制差可达到95.4％，可以支持“开‑关”功能。本发明提供的技术方案，在光学滤波器和光开关中具有广阔的应用前景。

Description

一种具有局域场增强效果的介电超表面结构及其应用

技术领域

本发明涉及介电超表面技术领域，特别是涉及具有局域场增强效果的介电超表面结构及其应用。

背景技术

连续体中的束缚态(BIC)是一种独特的完全受束模式，其特征频率处于连续谱中，同时又没有辐射从该模式中泄露出来。早在1929年，冯-诺依曼和维格纳就初步提出了BIC的概念，认为它是量子力学领域的一种数学奇观。后来，弗里德里希和温特根在1985年发现了多电子原子系统中的BICs，推测准稳态之间的相互作用可能导致BICs。此后，研究人员在不同系统的实验中发现了各种BICs：声学、水以及光学和光子学。近年来，光子系统引发了研究人员研究BIC的巨大兴趣，许多研究已经证明，即使是简单的光子结构也可以支持嵌入的BIC特征态，研究人员在光子结构的材料和模型设计上有很大的自由度，这在需要严苛实验条件的量子系统中往往难以实现。

理想BIC由于其完全“受束”的性质，理论上具有无限的品质因子(Q因子)，这可以用共振线宽的消失来表示。这导致其无法与其他模式或自由空间耦合。BIC理论下的关键机制是消除谐振模式和所有向外辐射通道之间的耦合。因此，各种BIC可以按照辐射抑制的物理机制来分类。根据参考文献中C.W.Hsu等人的观点，BIC可分为两大类：(1)对称性保护的BIC；(2)偶然性BIC(以Fabry-Perot型BIC为最简单的代表)。比较常见的是对称性保护(SP-)BIC，源于辐射模式和布里渊区内Γ点附近的模式之间的对称性不相容，对于这些模式，耦合系数可以消失。在各种光子微纳结构中已经发现了SP-BIC，如波导阵列和耦合为谐振器的波导、光栅和超表面。同时，连续体中的准束缚状态(qBIC)是一种具有有限但巨大的Q因子的泄漏模式，它出现在BIC附近。事实上，具有无限Q因子的BIC在实践中受到许多条件的限制，如模型的有限尺寸、材料的吸收和散射以及结构的无序。因此，BICs通常通过在系统中引入扰动而被转化为qBICs的实验。qBICs的巨大Q因子可以带来纳米场的非凡增强，从而提升光-物质相互作用，这为传感器、激光器、滤波器和非线性设备提供了有前途的应用前景。

由高折射率电介质谐振器组成的超表面，近十年来引起了广泛关注，因为它们可以对入射光的特性进行无损操纵。同时，对称性破坏可以很容易地在超表面结构中被引入和调整，以便将SP-BICs变成qBICs。到目前为止，在由具有面内对称性的超原子阵列组成的多种超表面中，已经发现了一些有趣的现象，它们在正常入射波下显示出激发的高Q值共振，这与qBICs的机制有关：倾斜的电介质脊，具有偏心孔的电介质纳米盘，电介质分裂环和具有不平等尺度的电介质立方体。此外，这些研究已经证明，通过调整单元的不对称性，可以实现Q因子的急剧变化。然而，在增强二维(2D)材料中的光-物质相互作用上，qBICs强大场增强的潜力还没有被充分利用。已有的研究表明，以单层石墨烯为代表的，原子级厚度的二维材料，在二维区域内具有电子束缚的性质，这对于光吸收器来说是有意义的。

然而，在二维材料中，光与物质的相互作用通常是很弱的。例如，单层石墨烯材料在可见光和近红外范围内的光学吸收系数仅为2.3％。为了克服这一缺点，人们提出了许多机制，其中最著名的是激发石墨烯的表面等离子体，因为石墨烯是一种出色的等离子体材料。然而，在较高的频率下，如通信范围，石墨烯显示出类似于无损介质的行为，不能支持等离子体。同时，作为一种增强光-物质相互作用的新方法，qBICs机制在石墨烯吸波器中很少被利用。

发明内容

基于此，本发明提出了一种介电超表面结构，来增强单层石墨烯中的光-物质相互作用，且讨论了其在调制吸收器上的应用潜力。本技术方案确认了结构中BIC特征模式的波长点，在系统中引入扰动以打破面内对称性，将BIC转变为具有高Q因子的qBIC。结果表明，Q因子可以随着系统非对称水平的调整而变化。

本发明公开了qBIC共振带来的强场增强可以促进单层石墨烯的吸收，并且可以通过优化超表面的不对称水平、石墨烯的费米水平和单层石墨烯的位置以满足临界耦合，来实现吸收带的调谐。进一步地，通过调整入射光的偏振角，可以实现吸收强度的有效调制，强度调制差可达到95.4％，可以支持“开-关”功能。本发明提供的技术方案，在光学滤波器和光开关中具有广阔的应用前景。

本发明的一个目的在于提供一种具有局域场增强效果的介电超表面结构，其从上至下依次包括硅分裂环，以及SiO₂基底，

其中，

所述硅分裂环为两个具有相同半径、相同高度，且共享圆心的两个部分圆环A和B，沿水平轴对称设置而成；

所述部分圆环A的圆心角a和部分圆环B的圆心角b满足以下要求：

a-b＝2θ且

a+b＝240°；

2θ为部分圆环A的初始圆心角γ到达a所增加/减少的圆心角角度；

且为部分圆环B的初始圆心角γ到达b所减少/增加的圆心角角度；

所述硅分裂环的上表面覆盖石墨烯单层，并且在SiO₂基底上呈周期性排列；

所述石墨烯单层的尺寸与所述SiO₂基底相当；

所述具有局域场增强效果的介电超表面结构还包括可调节偏正光入射角度的入射光源。除非另有说明，该结构由沿y轴偏振、振幅|E|＝1的平面波激发。

特别地，硅分裂环的两个部分圆环A和B之间，上下各存在一个缺口，这两个缺口同样与部分圆环A和B共享圆心，且两个缺口的圆心角均为60°。

进一步地，所述硅分裂环的高度为180-200nm。

进一步地，所述SiO₂基底的厚度为450-500nm。

进一步地，θ的取值范围为3-9°。

进一步地，所述a的取值范围为100-140°；所述b的取值范围为100-140°。

进一步地，所述部分圆环A和B的内半径r_i为230-250nm；外半径r_o为330-370nm。

进一步地，所述石墨烯的费米能级E_F取值为0.1-0.4eV。

进一步地，所述入射光源的偏振角度为0-90°(与y轴夹角)。

本发明的另一个目的在于提供上述具有局域场增强效果的介电超表面结构在光开关设备方面的应用。

本发明的另一个目的在于提供上述具有局域场增强效果的介电超表面结构在光学滤波器设备方面的应用。

本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种具有局域场增强效果的介电超表面结构，其包括具有特殊结构的二个硅分裂环，二个硅分裂环共享圆心，然而所对应的圆心角是不相等的，因此它们仅沿水平轴是对称设置的，而沿垂直轴是非对称设置的。由于该特殊设置，场能并未如完全对称的硅分裂环的设置一样，被强烈地捕获在硅分裂环的圆心范围内，而是可以释放出来，与自由空间或其他模式耦合；并且随着对超表面结构各个参数的调整(θ值、石墨烯的费米能级、入射光偏振角度)，可以灵活调整超表面结构的吸收光谱的强度和波形，从而应用于带/强度可调吸收器、可调滤波器和光开关等领域之中。

附图说明

图1(a)示出了实施例1的具有局域场增强效果的介电超表面结构的主视图；

图1(b)示出了实施例1的具有局域场增强效果的介电超表面结构的正视图；

图1(c)示出了实施例1的具有局域场增强效果的介电超表面结构中，硅分裂环部分的俯视图；

图2(a)示出了对比例中的介电超表面结构中的磁场分布(入射光波长＝1576.1nm)的俯视图；

图2(b)示出了对比例中的介电超表面结构中的电场分布(入射光波长＝1576.1nm)的正视图；

图3示出了实施例1的介电超表面结构顶平面的电场分布(入射光波长＝1576.1nm)的俯视图；

图4示出了实施例1的Q因子与不对称参数ρ的反二次方的函数关系图；

图5示出了测试例2中，不同石墨烯费米能级、θ值和高度z下，系统的吸收光谱；

图6示出了费米能级0.3eV和0.4eV的单层石墨烯处于不同水平位置的临界耦合状态下，吸收波长和FWHM的曲线图；

图7(a)示出了分别参考偏振方向和偏振方向的垂直方向来考察介电超表面的对称性的示意图；

图7(b)示出了当θ＝6°时，将E_F＝0.3eV的单层石墨烯置于z＝200nm处，偏振方向旋转β＝0-90°时的吸收光谱；

图7(c)示出了对于图(b)，吸收峰值强度作为入射光偏振角度β的函数；

图7(d)示出了在不同波长和不同带宽下相同的可调制效果。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，列举如下实施例。实施例中所出现的原料、反应和后处理手段，除非特别声明，均为市面上常见原料，以及本领域技术人员所熟知的技术手段。

实施例

一种具有局域场增强效果的介电超表面结构，其由硅分裂环以及SiO₂基底构成。

其中，

所述硅分裂环为两个具有相同内外半径(r_i均在230-250nm之间选择；外半径r_o均在330-370nm之间选择)、相同高度(h2在180-200nm之间选择)，且共享圆心的两个部分圆环A和B，沿水平轴对称设置而成；

a-b＝2θ且

a+b＝240°；

在此，a设定为126-134°；而θ则可以在3-9°范围内选择；

所述2θ为部分圆环A的初始圆心角γ到达a所增加/减少的圆心角角度；

所述硅分裂环的上表面覆盖石墨烯单层(石墨烯的费米能级E_F在0.1-0.4eV之间选择)，并且一个SiO₂基底上有若干个硅分裂环，它们在SiO₂基底上呈周期性排列；

所述石墨烯单层的尺寸与所述SiO₂基底相当；

所述具有局域场增强效果的介电超表面结构还包括可调节入射光偏振角度的入射光源(入射光源的偏振角度在0-90°之间选择)。

该具有局域场增强效果的介电超表面结构的结构图如图1(a)-(c)所示。图1(a)-(b)示出了具有局域场增强效果的介电超表面结构的主视图和正视图；从图1(a)中可以看出，硅分裂环的两个部分圆环A和B之间，上下各存在一个缺口，这两个缺口同样与部分圆环A和B共享圆心，且两个缺口的圆心角均为60°。从图1(c)中可以看出，共享圆心的两个部分圆环A和B以水平轴为对称轴，并且二者的圆心角相差值为2θ。

该差值的由来为：部分圆环A的两端，从初始角度，向圆环A的圆弧的两端的外延/内延分别进行旋转，分别旋转一个θ角度；同时，部分圆环B的两端，从初始角度，向圆环B的圆弧的两端的内延/外延分别进行旋转，分别旋转一个θ角度。因此，最后圆环A的圆心角a，与圆环A的圆心角b，二者差值为2θ。

上述具有局域场增强效果的介电超表面结构的制备方法如下所示：

在SiO₂基底上布置硅层，使用电子束光刻来构建硅分体环。

此外，为了探讨实施例中不对称结构设置的效果，设定硅分裂环为对称结构的超表面结构，作为对比例。所得各个实施例和对比例的具体参数，如表1所示。

表1实施例部分各个具有局域场增强效果的介电超表面结构，以及对比例的参数

测试例1

首先验证对比例的介电超表面结构的场分布情况。该结构中θ＝0°，然后引入Bloch边界条件和偶极子云来激发结构中所有可能支持的模式，并在入射光波长＝1576.1nm处发现了一个对称保护BIC本征模式。

所得结果如图2(a)-(b)所示。图2(a)示出了对比例中的介电超表面结构的磁场分布(入射光波长＝1576.1nm)的俯视图；图2(b)示出了对比例中的介电超表面结构的电场分布(入射光波长＝1576.1nm)的正视图。从图中可以看出，该模式由磁偶极支持，且场能量被强烈地束缚在硅分裂环中，几乎很少从硅分裂环中释放出来。

而在实施例1中，则由于θ值的改变，打破了硅分裂环原本的对称性设置。在实施例1中，将θ值设为3°，然后同样地，验证对比例的介电超表面结构的电场分布情况。所得结果如图3所示。从图中可以看出，由于对称性的破缺，大量场能开始通过狭窄的通道释放到硅分裂环以外，以至于该系统开始拥有耦合能力。

进一步地，将θ值从3-9°变动，然后考察Q因子与不对称参数ρ的函数关系。

其中，设ρ＝sinθ；而Q因子的测试方法为共振波长除以半峰全宽FWHM：Q＝ω₀/FWHM。

最后，考察Q因子与ρ的函数关系，如下公式所示：

Q＝Q₀(ρ)^-2

其中，Q₀是一个与θ无关的独立常数，由超表面结构决定。

所得结果如图4所示。从图中可以看出，Q与ρ的二次方，呈反比例关系。这说明在一定范围内θ越大，结构越不对称，其释放能量的通道越宽，耦合能力越弱，且效果呈二次方地快速变化。

测试例2

基于介电超表面具有的qBIC的这种性质，它被认为具有增强光-石墨烯相互作用的能力，这可以通过吸收效率来呈现。

石墨烯的光吸收功率与石墨烯和介电超表面之间的重叠电场密切相关，可以表示为

P_A(ω)＝0.5ω∫ε″(ω)|E|²(ω)dV

其中，ω是频率，ε″(ω)是介电常数的虚部。E是电场，并在石墨烯所占用体积上积分。

在这种情况下，单层在系统中吸收增强最大化的位置，应该是超表面表现出最强电场的位置，即硅分裂环的顶平面，因为束缚的场能量从这里释放出来。

设定费米能级E_F＝0.2eV和0.4eV的单层石墨烯在θ＝4°和5°条件下，分别放置在分体环的顶平面上(高度z＝200nm)，以及嵌入z＝100nm、z＝150nm作为对比。所得系统的吸收光谱如图5所示。

而将E_F＝0.3eV和0.4eV的单层石墨烯分别加入超表面结构，改变高度位置z，在临界耦合状态下所得系统的吸收波长，和FWHM的值，如表2和图6所示。

其中，FWHM指半峰全宽，用于考察带宽；临界耦合状态指根据时间耦合模理论(TCMT)，单模谐振体的吸收达到最大吸收强度A_max＝0.5，在此可通过调整合适的θ实现。

表2石墨烯的E_F与z改变时，临界耦合状态下所得吸收波长和FWHM的值

从表2和图6中可以看出，该混合超表面在吸收波长和带宽方面都具有可调节性，这在可调谐吸收器中具有应用潜力。

测试例3

基于所提出的超表面的性能，进一步考虑入射光的偏振的影响。如图7(a)所示，如果参照入射光的偏振方向(PD)来考察超表面的对称性，在初始结构中，超表面沿PD的垂直方向(⊥PD)对称，而沿PD不对称。当PD旋转时，超表面将参照PD和⊥PD都不对称。选取EF＝0.3eV的单层石墨烯，在θ＝6°条件下置于z＝200nm处，并使偏振方向旋转角度β，从0°转到90°。结果显示在图7(b)中。吸收峰在没有波长移动的情况下逐渐下降，直到β增加到90°时消失。吸收峰的下降曲线如图7(c)所示，与高斯拟合模型非常吻合。

其中y₀＝-0.02024，a＝49.97606，w＝75.01362，p_c＝2.97013是高斯模型中相应拟合参数的拟合值。最大强度差ΔA≈0.493，调制效率高达95.4％。这个效率水平近乎相当于“开-关”的切换功能。结合前面的结果，在图7(d)中展示了在不同波长和不同带宽下相同的可调制效果，显示了出色的调制性能，展现出在强度可调的吸收器、滤波器和光开关中的巨大应用潜力。

综上，本发明提出了一种介电超表面来增强石墨烯中的光-物质相互作用。这种支持对称性保护的连续体中束缚态(BIC)的超表面由周期性地排列在二氧化硅衬底上的硅分裂环组成。当超表面的面内对称性被打破时，BIC将转变为具有高Q因子的准BIC。当单层石墨烯与该电介质超表面结合时，石墨烯的吸收可以通过准BIC共振得到提升。通过优化石墨烯的费米能级和超表面的不对称参数，可以实现带可调的吸收器。此外，还考虑了入射光线的偏振方向的影响，结果表明，准BIC共振的强度可以通过改变偏振方向来有效调制，进而导致对吸收强度的有效调制，其最大强度差可达95.4％。本发明的研究结果可以为带/强度可调吸收器、可调滤波器和光开关的应用提供理论支持。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述具有局域场增强效果的介电超表面结构从上至下依次包括硅分裂环，以及SiO₂基底，

其中，

a-b＝2θ且

a+b＝240°；

所述石墨烯单层的尺寸与所述SiO₂基底相当；

所述具有局域场增强效果的介电超表面结构还包括可调节入射光偏振角度的入射光源。

2.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述硅分裂环的高度为180-200nm。

3.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述SiO₂基底的厚度为450-500nm。

4.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，θ的取值范围为3-9°。

5.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述a的取值范围为100-140°；所述b的取值范围为100-140°。

6.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述部分圆环A和B的内半径r_i为230-250nm；外半径r_o为330-370nm。

7.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述石墨烯的费米能级E_F取值为0.1-0.4eV。

8.根据权利要求1所述具有局域场增强效果的介电超表面结构，其特征在于，所述偏振角度为0-90°。

9.权利要求1-7任一项所述具有局域场增强效果的介电超表面结构在光开关设备方面的应用。

10.权利要求1-7任一项所述具有局域场增强效果的介电超表面结构在光学滤波器设备方面的应用。