Bound states in the continuum (BIC) in silicon nanodisk array on mirror structure: Perfect absorption associated with quasi-BIC below the bandgap

材料科学 光学 带隙 摩尔吸收率 消光比 折射率 光电探测器 光电子学 吸收(声学) 衰减系数 偶极子 波长 物理 量子力学
作者
Keisuke Moriasa,Hiroaki Hasebe,Hiroshi Sugimoto,Minoru Fujii
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:133 (17) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0146896
摘要

A structure composed of a hexagonal array of Si nanodisks having toroidal dipole resonances and a reflecting mirror separated by a SiO2 spacer is proposed as a platform that exhibits narrow-band perfect absorption in the Si sub-bandgap wavelength range for a CMOS compatible Si based photodetector operating below the bandgap range. The numerical simulation reveals that the structure possesses Fabry–Pérot bound states in the continuum at proper spacer thicknesses due to the interference between the toroidal dipole and its image dipole. By slightly detuning the spacer thickness to meet the critical coupling condition, narrow-band perfect absorption appears despite assumption of a very small extinction coefficient (5 × 10−4). The wavelength of the perfect absorption is controlled in a wide range by the structural parameters of a Si nanodisk hexagonal array and is insensitive to the fluctuation of the extinction coefficient and the choice of a metallic mirror. In the structure, over 90% of incident power can be absorbed in the Si region. This suggests that the structure can be used as a narrow-band photodetector operating in the Si sub-bandgap wavelength range. We also evaluate the sensing performance of the proposed structure as an intensity based refractive index sensor operating in the near-infrared range.
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