使用一对光子掺杂的近零 (ENZ) 板进行可调谐辐射增强和抑制

美国宾夕法尼亚大学的研究人员从理论上证明了使用一对由深亚波长气隙隔开的光子掺杂ε-近零（ENZ）板设计谐振器的可能性，同时，该谐振器具有紧凑且可调谐功能。该研究发表在《Optics Letters》上。

图注，（a） TM极化平面波通常入射在谐振器上，谐振器由厚度为dgap的气隙构成，气隙将两个ENZ板隔开，每个板分别掺杂一个半径为rd1和rd2、相对介电常数为εd1和εd2的圆形2D介质棒。（b） εENZ极限下的等效传输线模型→ 0。

在过去的几十年中，光学谐振器已针对广泛的应用进行了广泛的研究。 例如，发射光的幅度、光谱线宽和方向性可能会因周围谐振器的存在而受到严重改动，使其适用于新型光源，例如腔增强发光二极管、低阈值 激光和彩色平板显示器。 光学谐振器在其他领域发挥不可或缺作用，包括强耦合腔量子电动力学、片上生化传感器以及用于波分复用系统的可调谐谐振滤波器和开关等等。

研究最广泛的一类光学腔，通常称为法布里-珀罗谐振器，由两个高反射镜组成，例如分布式布拉格反射镜，由适当厚度的电介质间隔层隔开。传统的法布里-珀罗谐振器要求两个反射镜之间的间隔是谐振波长一半的整数倍。为此，需要一个更紧凑的谐振器可以实现大规模集成和宽带单模操作。为了满足这一需求，通过在谐振器上加载超表面或负折射率的平板，从理论上证明了实现更紧凑的谐振器的可能性。后续研究中，理论上和实验表明，在谐振器中加载只有负磁导率的平板，无论其介电常数如何，都足以设计深度亚波长腔。

这里，研究人员从理论上介绍了由两个光子掺杂的ε近零 (ENZ) 板形成的可调谐紧凑型谐振器，这些板由深亚波长气隙隔开。值得注意的是，所介绍的谐振器与先前提出的超表面结合腔具有相似之处，因为掺杂的 ENZ 板有效地表现为集总电抗元件。然而，该研究设计提供了之前提出的设计无法实现的两个关键优势。首先，所讨论的谐振器可能具有很深的亚波长气隙，而前面介绍的谐振器是基于更严格的不可见目标设计的，因此需要半波长气隙厚度。其次，通过稍微调整嵌入ENZ板中的二维（2D）电介质棒的介电常数，可以显著调整所研究的谐振器特性。研究人员证明，当入射频率与腔的共振相匹配时，TM极化的正常入射平面波（即，磁场沿平面外方向的正常入射TEM平面波）可能会产生高度增强的电场。此外，当在谐振器中放置一个二维电偶极子时，通过稍微改变介质掺杂剂的介电常数，这种谐振器被证明能够在完全透明和不透明状态之间切换。利用这种行为对放置在气隙内的量子发射器进行可调谐辐射增强和抑制。最后，研究人员讨论了辐射增强因子和对 ENZ 损失的敏感性之间的内在权衡。

光谐振器在其他领域发挥不可或缺作用，包括强耦合腔量子电动力学、片上生物化学传感器，以及用于波分复用系统的可调谐谐振滤波器和开关。