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摘要

优异的光学吸收器一直具备着高品质因数和完美吸收的特性, 然而, 这类吸收器通常会受到传统表面等离子体共振带来的欧姆损耗, 制约其在实际应用中的吸收性能. 本文提出了一种基于法布里-珀罗腔的可调谐连续域束缚态(bound state in the continuum, BIC), 通过调整模型的参数, 可将BIC可以转变为准BIC, 在连续谱中实现了100%的完美吸收. 在本文中, 采用干涉理论探究了影响完美吸收的因素, 用耦合模理论和阻抗匹配理论对准BIC进行理论计算, 采用电场和磁场理论解释了吸收器完美吸收的物理机制. 与传统吸收器相比, 该吸收器具有优异的结构参数鲁棒性和广泛的BIC调控范围. 更重要的是, 该吸收器具有出色的传感性能, 其最大灵敏度可达34 nm/RIU, 最大品质因数为9.5. 最后, 该吸收器还实现了双频的开光性能, 其中双频开关的最大调制深度和最小插入损耗分别为99.4%和0.0004 dB. 这些研究结果在光子学、光通信、传感器技术等领域具有重要意义.

关键词:

Abstract

Excellent optical absorbers are always characterized by high quality factors and perfect absorption; however, these absorbers usually encounter the ohmic losses due to traditional surface plasmon resonance, which limits their absorption performance in practical applications. To address the problem, a tunable bound state in the continuum (BIC) based on Fabry-Perot cavity is proposed in this work. Figure (a) shows the structural model of the designed Fabry-Perot cavity absorber, which consists of Ag as a substrate, a layer of the dielectric material Al ₂O ₃above the Ag substrate, and a high-refractive-index grating as the top dielectric layer Si ridge. By adjusting the thickness parameter dof Al ₂O ₃, the transformation of BIC into q-BIC is achieved. Specifically, when dis increased from 273 nm to 298 nm, the BIC can be transformed into quasi-BIC, and the perfect absorption of the absorber in the continuum spectrum can be increased to 100%. In this work, the factors affecting the perfect absorption are explored by using the interference theory; theoretical calculations of the quasi-BIC are carried out by using the coupled mode theory and impedance matching theory; the physical mechanism of the BIC is explained by using the electric and magnetic field theory. The BIC is caused by the electric and magnetic dipole modes as well as the mirror image of the base Ag, which causes the interferential phase cancellation effect. Compared with the conventional absorber, the proposed absorber has excellent structural parameter robustness and a wide range of BIC modulation. More importantly, the absorber has excellent sensing performance with a maximum sensitivity of up to 34 nm/RIU and a maximum quality factor of 9.5. Last but not least, the absorber also achieves dual-frequency open-light performance, the maximum modulation depth and the minimum insertion loss of the dual-frequency switch reach 99.4% and 0.0004 dB, respectively. These findings have significant implications in the fields of photonics, optical communication, and sensor technology.

Keywords:

作者及机构信息

通信作者:何智慧,hezh@yau.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 62065017, 12004327, 52303352)、陕西省重点研发计划(批准号: 2024GX-YBXM-097)、延安大学博士创业基金(批准号: YAU202313801)、中国博士后科学基金(批准号: 2020M680317)和陕西省自然科学基金(批准号: 2021JM-414)资助的课题.

Authors and contacts

Corresponding author:He Zhi-Hui,hezh@yau.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 62065017, 12004327, 52303352), the Key Research and Development Program of Shaanxi Province, China (Grant No. 2024GX-YBXM-097), the Startup Foundation for Doctors of Yan’an University, China (Grant No. YAU202313801), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant No. 2020M680317), and the Natural Science Foundation of Shaanxi Province, China (Grant No. 2021JM-414).

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施引文献

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文献年份	模型	调制数目	吸收/%	MD/%	IL/dB
2020^[39]	石墨烯超材料	双频	—	93.5	0.32
2020^[39]	石墨烯超材料	双频	—	85.6	0.25
2022^[37]	石墨烯/硅超表面	单频	99.96	99.1	0.0015
2022^[40]	石墨烯调制器	单频	—	99.7	0.0034
2023^[41]	石墨烯光栅	双频	99.8	94.72	0.012
2023^[41]	石墨烯光栅	双频	99.9	94.98	0.08
本工作	Si/Al₂O₃/Ag 超材料	双频	99.9	99.4	0.0004
本工作	Si/Al₂O₃/Ag 超材料	双频	96.7	98.8	0.015

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