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PR Highlight (Vol. 11, Iss. 7): 兼顾高Q值和亚波长电场约束:超强耦合太赫兹谐振器

发布:lina000288阅读:1010时间:2024-2-20 10:17:06

兼顾高Q值和亚波长电场约束:超强耦合太赫兹谐振器

 

Photonics Research 2023年第7期Editors’ Pick:

 

Simon Messelot, Solen Coeymans, Jérôme Tignon, Sukhdeep Dhillon, Juliette Mangeney. High Q and sub-wavelength THz electric field confinement in ultrastrongly coupled THz resonators[J]. Photonics Research, 2023, 11(7): 1203

 

为了推动新型量子器件的开发以及对量子电动力学的研究,在单电子水平上控制光与物质的相互耦合越来越受到人们的重视。然而,由于太赫兹波特殊的电磁频谱位置,在此波段内光与单光子发射器的相互作用面临挑战。后来研究者们发现,太赫兹谐振器具有提供强光学约束和增强光-物质相互作用的独特能力,为了促进光与物质之间的能量交换,通常需要开发出兼顾高品质因子(Q值)和能实现电磁场空间集中的低模式体积(V)的谐振器。

 

目前,常见的太赫兹谐振器有两大类。第一类是基于光子晶体结构的法布里-珀罗微腔,通过使用低损耗介电材料,可以实现高达数千的品质因子,但受衍射限制的影响,其模式体积相对较大(如图1a中橙线所示)。为了解决这个问题,研究者们提出基于LC电路与金属超材料的第二类太赫兹谐振器,其具有深亚波长尺度的模式体积,却受限于金属的损耗和这种平面结构的“开放性”,导致系统的损耗很大(如图1a中黑线所示)。

 

兼顾高Q值和低V值:超强耦合太赫兹谐振器

 

为了解决上述问题,巴黎高等师范学院Simon Messelot博士和Juliette Mangeney研究员(研究课题组组长)提出了一种Tamm腔与LC超材料超强耦合的混合谐振器。这种谐振器不仅沿袭Tamm腔高品质因子的特性,还具备LC电路谐振器所能提供的深亚波长的模式体积。相关研究成果发表在Photonics Research 2023年第7期。

 

首先,研究团队探索了该混合谐振器的频谱特性。研究者们制造了九个不同的Tamm腔-LC超材料混合谐振器,通过在固定的超材料周期下对LC电路谐振器的尺寸进行同位变换来调谐LC超材料的非耦合谐振频率fLC。图1b为不同fLC的耦合谐振器的透射光谱,结果展现了两个分离良好的共振峰形成的耦合模式和两个谐振器之间具有模式反交叉特征的强耦合状态。该光谱还表明该混合谐振器具有非常高的品质因子。

 

为了探究该耦合模式高于预期的Q值背后的物理机制,团队利用时域耦合模理论对该耦合系统进行了进一步的描述。图1c展示了当Tamm腔分别具有双层硅层(蓝色部分)和三层硅层(红色部分)时,混合谐振器的反射光谱。结果表明,增加硅层的数量有助于提高反射率,从而进一步提高品质因子。经过深入分析,研究人员发现太赫兹LC超材料具有较高的辐射耦合效率,这一特性被用于显著提高混合谐振器的耦合常数G。该结果揭示了超强谐振器耦合机制的内在原理,并展示了与非耦合超材料相比,该混合谐振器充分利用LC超材料的辐射耦合实现了品质因子的大幅提升。

 

此外,为了分析混合谐振器的模式体积V,团队利用有限元法进行了模拟计算。图1d的插图展示了耦合谐振器不同模式的电磁场分布,根据计算的电场分布进一步计算得到有效模式体积,如图1d所示。从图中可以看到,虽然Tamm腔的模式体积较高,但是混合谐振器的模式体积仅仅是LC超材料的模式体积的2.3倍,并且在零失谐位置处的V+和V-揭示了耦合模的亚波长限制。基于两种模式对电场的贡献模型,该结果在理论上可以被理解为两个谐振器中光子电磁能量的稀释。

 

 

图1(a),Tamm腔(橙色)和LC超材料(黑色)的反射和透射光谱。(b) 基于Tamm腔和LC超材料耦合的混合谐振器的透射光谱。混合谐振器的(c)品质因子Q和(d)模式体积V

 

总结与展望

 

随着协同系数C∞Q/V的增强,该太赫兹光子平台为光-物质耦合提供了很大程度的相干性,为单光子太赫兹发射器和探测器以及量子技术的发展开辟了道路。研究团队的未来工作将把超材料/Tamm腔与太赫兹范围内的腔量子电动力学的二级系统耦合起来,通过设计有限尺寸的圆盘作为顶部金属层,限制耦合谐振模式的平面内扩展,从而实现全空间的模式限制。