基于连续谱中偏振无关束缚态的被动非互易传输和光学双稳态

论文信息

Chen, Shiwen, Zeng, Yixuan, Li, Zhongfu, Mao, Yu, Dai, Xiaoyu and Xiang, Yuanjiang, Passive nonreciprocal transmission and optical bistability based on polarization-independent bound states in the continuum, Nanophotonics, 2023.

论文链接：

https://doi.org/10.1515/nanoph-2023-0319

研究背景

自由空间非互易传输是现代光学器件的一个重要方面。通过光学非线性实现非互易光学器件已经得到证明。然而，由于传统材料的弱非线性，大多数自偏置非互易器件严重依赖于高Q强共振。一般来说，这些共振往往是偏振敏感的。作者提出了超薄光学超表面嵌入克尔非线性，以实现基于连续体中对称保护束缚态(BICs)的自由空间传播的非互易传输和光学双稳态。

研究内容

作者设计了一个带有刻蚀孔的圆柱形超原子组成的Si超表面，见图1(a)。圆柱形单元原子和刻蚀圆柱形孔的半径分别为R和r。圆柱形元原子和刻蚀圆柱形孔的高度分别为H和h。四个具有相同几何参数的圆柱形超原子组成了如图1(b)所示的2×2方形超原胞。通过调节刻蚀圆柱孔的位置来控制超表面的不对称性。当刻蚀孔与圆柱形超原子共心时，超表面的周期为p=500 nm。然后让这个腐蚀孔沿着虚线向图1(c)所示的中心O移动。作者将这种非对称因子α定义为刻蚀孔向中心移动的距离除以超表面半径R与刻蚀圆柱孔半径r的差值，即Δd/(R-r)。当α≠0时，超表面的周期变为a=2*p。显然，无论这种非对称因子如何变化，该结构仍然保持C4ν对称性。

图1. (a)非互易超表面结构示意图：结合结构不对称性和材料非线性，从器件上下两侧入射的单色光束具有明显不同的透射水平。(b)由四个相同的正方形单元组成的超胞的几何参数。(c)当腐蚀孔向圆心O移动时，真BIC模式转变为q-BIC模式。

超表面本征模式的色散如图2(a)所示。由于结构的C4ν对称性，BIC模式是偏振无关的。我们在Γ点上讨论的模式已经用红色圆圈标出。蓝色虚线为a光线。在δ=0的高对称情况下，图2(a)中的插图描绘了本征模在Γ点的电场和磁场，表明存在BIC模式。接下来计算了图2(b)所示的不同非对称因子下的透射谱。显然，对于α=0(Δd=0nm)，没有观察到传输凹陷，线宽消失。随着α继续增大，透射谱线宽度增大，共振波长发生蓝移。与非辐射Fano共振模式相关的q-BIC本质上伴随着谐振腔中的巨大场集中。图2(c)和(d)分别给出了α=0.2，α=0.6时，在图2(a)中确定的峰值波长(1191.3 nm)，(1180.2 nm)处的磁场(|H|)分布。最大场集中出现在超表面，在α=0.2时，圆柱形带孔超原子内部识别出大于380的磁场增强因子，在α=0.6时，磁场增强因子约为140。与Q因子随α增大而减小的趋势一致，磁场增强因子出现了明显的下降。

图2. (a)在α=0处模拟的能带结构，红色圈出的是我们要研究的Γ点处的BIC，插图显示的是磁场分布。(b)透射谱随α的演化。(c)和(d)分别为α=0.2，0.6时通过超表面中间的平面上的磁场分布。

为了进一步弄清BIC模式的机理，对不同多极子，包括电偶极子(ED)、磁偶极子(MD)、环偶极子(TD)、电四极子(EQ)和磁四极子(MQ)在直角坐标系下的散射功率进行了分析，如图3(a)和(b)所示。如图3(a)所示，TD (深蓝色实线)的贡献占主导地位，表明BIC模式主要由TD引起。通过对图3(b)中TD散射功率的x、y、z分量进行分解，我们发现TD散射功率的y分量主导了TD散射功率的耗散，并且在数值上几乎等于TD散射功率的y分量。并且相对于它们的分量，TD的散射功率的x和z分量几乎接近于0。超表面BIC模式的归一化电磁场分布如图3(c)和(d)所示。黑色箭头分别代表图3(c)和(d)中的位移电流密度和磁场矢量。对于BIC模式，如图3(c)所示，位移电流在邻近Si的y方向上的环流取向圆柱形亚原子在相邻圆柱形亚原子的x方向上既相反又相同，这表明在y方向亚原子对中诱导了沿z方向的相反相磁偶极子。图3(d)描述了x-z平面上的磁场分布。如白色圆圈所示，反相磁偶极子在x-z平面内形成闭合的磁涡旋。磁场矢量在团簇内x方向近原子相邻长方体之间顺时针循环，在团簇间x方向近原子相邻长方体之间逆时针循环。磁场分布为头尾相接，具有TD多极的特点。

图3. q-BIC模在α=0.6时从TD的(a)多极子和(b) x，y，z分量的散射功率。(c)和(d) q-BIC模在α=0.6时的电磁场分布。

结论与展望

基于对称性保护的BIC共振，作者提出了具有C4ν对称性的偏振无关非互易超表面的设计和分析。通过控制刻蚀孔与超表面中心O之间的距离来调节q-BICs的Q因子和线宽。该研究表明，环形偶极子是对称性保护的BIC模机制的主要贡献者，并观察到来自环形偶极子的y分量的散射功率占主导地位。利用材料的非线性特性结合超表面结构的面外不对称性，实现了自由空间非互易传输。该研究展示了一种通过利用q-BICs和材料非线性获得自由空间全无源非互易传播的稳健且广泛适用的方法。

以下为广告部分

招聘信息| 山东高等技术研究院吴小虎课题组招收联合培养研究生、科研助理和博士后

点击下图查看详细招聘信息！

点/击/上/图/查/看/详/细/招/聘/信/息

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

个人主页：www.xiaohuwu.com

微信：wuxiaohu_1992