Engineering of the Fano resonance spectral response with non-Hermitian metasurfaces by navigating between exceptional point and bound states in the continuum conditions

Ingénierie de la réponse spectrale de résonance de Fano avec des métasurfaces non Hermitiennes en naviguant entre le point exceptionnel et l'état lié dans le continuum

Yaoyao Liang (1) , Elena Bochkova (1) , Shah Nawaz Burokur (2) , André de Lustrac (1, 3) , Henri Benisty (4) , Anatole Lupu (1)

1 C2N - Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
2 LEME - Laboratoire Energétique Mécanique Electromagnétisme
3 UPN - Université Paris Nanterre
4 Laboratoire Charles Fabry / Nanophotonique

We address the engineering of Fano resonances and metasurfaces, by placing it in the general context of open non-Hermitian systems composed of coupled antenna-type resonators. We show that eigenfrequency solutions obtained for a particular case of scattering matrix are general and valid for arbitrary antenna radiative rates, thanks to an appropriate transformation of parametric space by simple linear expansion and rotation. We provide evidence that Parity-Time symmetry phase transition path and bound states in continuum (BIC) path represent the natural axis of universal scattering matrix solutions in this parametric coupling-detuning plane and determine the main characteristics of Fano resonance. Specifically, we demonstrate the control of asymmetry and sharpness of Fano resonance through navigation between BIC and PT-symmetric phase transition exceptional point. In particular, we demonstrate a fully symmetric Fano resonance in a system of two coupled bright and dark mode resonators. This result goes beyond current wisdom on this topic and demonstrates the universality of scattering matrix eigenfrequency solutions highlighted in our study. The validity of our approach is corroborated through comparison with experimental and full 3D numerical simulations results published in the literature making it thus possible to grasp a large body of experimental work carried out in this field. The detrimental impact of absorption losses on the contrast of the Fano resonance, which must be two orders of magnitude lower than the radiative losses, is also evidenced.

Nous abordons l'ingénierie des résonances et des métasurfaces de Fano, en la plaçant dans le contexte général des systèmes ouverts non-Hermitiens composés de résonateurs de type antennes couplés. Nous montrons que les fréquences propres obtenues pour un cas particulier de la matrice de diffusion sont générales et valables pour des valeurs arbitraires des taux radiatifs des antennes, grâce à une transformation appropriée de l’espace paramétrique par une simple expansion et rotation linéaire (une simple similitude de conservation de forme en mathématiques). Nous démontrons que la trajectoire de transition de phase symétrie Parité-Temps et la trajectoire qui corresponde à un mode sombre appelé aussi état lié dans le continuum (bound state in the continuum - BIC) représentent les axes cachés naturels des solutions universelles de la matrice de diffusion dans ce plan paramétrique de couplage-désaccord de la fréquence de résonateurs qui déterminent les principales caractéristiques de la résonance de Fano Plus précisément, le contrôle de l'asymétrie et de la finesse de la résonance Fano obtenu par navigation entre la trajectoire BIC et le point exceptionnel correspondant à une transition de phase symétrie Parité-Temps a été démontré. En particulier, la résonance Fano est absolument symétrique lorsque le point opérationnel est situé sur la trajectoire de transition de phase symétrie Parité-Temps. Cette résonance Fano devient très asymétrique lorsque le point opérationnel s'éloigne de cet axe symétrie Parité-Temps et très étroite lorsqu'il se rapproche de l'axe BIC. En particulier, il a été mis en évidence la possibilité d'obtenir une résonance Fano absolument symétrique grâce à une ingénierie appropriée du couplage en champ proche et du désaccord de la fréquence des résonateurs. Ceci malgré l'utilisation de résonateurs avec des taux radiatifs significativement différents. Ce résultat va au-delà de l’état de connaissances actuelles sur ce sujet et démontre l'universalité des solutions de fréquences propres de la matrice de diffusion en raison de ses propriétés isométriques et homothétiques. Pour prouver la validité de l'approche t-CMT, les résultats analytiques ont été comparés aux résultats expérimentaux et ceux de simulations numériques 3D complètes publiés dans la littérature qui ont montré en bon accord avec ceux de notre modèle analytique. Une attention particulière a été apportée pour prendre explicitement en compte la nature ouverte du système en raison des propriétés de rayonnement des résonateurs plasmoniques. Il a été démontré que l’ingénierie des pertes radiatives est un facteur important qui détermine la finesse spectrale (le facteur de qualité Q) de la résonance Fano. Pour obtenir un Q~10 assez modeste, le niveau des pertes par absorption doit être inférieur de deux ordres de grandeur aux pertes radiatives. Ceci explique la difficulté inhérente à obtenir un comportement hautement résonant en utilisant des résonateurs plasmoniques dans le domaine optique et même dans le domaine THz supérieur, où les pertes ohmiques liées aux métaux sont importantes.

Mots clés: Metasurface; Parity-Time symmetry; Bound state in the continuum; Plasmonics systems; Metasurface

Domaines: Optique / photonique

Yaoyao Liang, Elena Bochkova, Shah Nawaz Burokur, André de Lustrac, Henri Benisty, et al.. Engineering of the Fano resonance spectral response with non-Hermitian metasurfaces by navigating between exceptional point and bound states in the continuum conditions. Optics Express, 2024, 32 (5), pp.7158-7170. ⟨10.1364/OE.514905⟩. ⟨hal-04480337⟩