[論文レビュー] Formation Mechanism of Guided Resonances and Bound States in the Continuum in Photonic Crystal Slabs

Xingwei Gao, Chia Wei Hsu+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 9, 2016

Photonic Crystals and Applications参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1次元光誘導ギャラリー構造のガイドモード共鳴および連続体内の束縛状態（BIC）の形成メカニズムを解析的に説明するためのモード展開形式を開発した。ガイドモード共鳴は横方向のファブリ・ペロー条件に起因し、BICは異なるスラブ成分からの放射の破壊的干渉によって生じる。対称性保護型および対称性非保護型のBICが、ブリユアンゾーンの中心および端、および一般の波数ベクトルでも実証された。

ABSTRACT

We develop a formalism, based on the mode expansion method, to describe the guided resonances and bound states in the continuum (BICs) in photonic crystal slabs with one-dimensional periodicity. This approach provides analytic insights to the formation mechanisms of these states: the guided resonances arise from the transverse Fabry-Pérot condition, and the divergence of the resonance lifetimes at the BICs is explained by a destructive interference of radiation from different propagating components inside the slab. We show BICs at the center and on the edge of the Brillouin zone protected by symmetry, as well as BICs at generic wave vectors not protected by symmetry.

研究の動機と目的

• 光誘導ギャラリー構造におけるガイドモード共鳴および連続体内の束縛状態（BIC）を理解するための体系的な形式を構築すること。
• 特にBIC点における共鳴寿命の発散の物理的起源を明確にすること。
• 高次対称性点（例：ΓおよびX点）におけるBICを同定・分類すること。
• 対称性制約を超えてBIC形成を可能にする放射干渉の役割を明確にすること。

提案手法

• スラブ内の電磁界の横方向モード分解に基づくモード展開法を採用する。
• 解析を簡略化するため、1次元周期性を有する周期的構造として光誘導ギャラリー構造をモデル化する。
• ガイドモード共鳴の条件を、スラブ内での横方向ファブリ・ペロー共鳴条件を満たすこととして導出する。
• スラブ内における異なる伝搬成分からの放射場を分析し、BICにおける破壊的干渉を説明する。
• 対称性解析を用いて、ブリユアンゾーン内の高次対称性点（例：Γ点およびX点）におけるBICを分類する。
• 干渉条件を用いて、対称性によって保護されていない一般の波数ベクトルにおけるBICの同定を形式の拡張によって行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元光誘導ギャラリー構造におけるガイドモード共鳴の形成に起因する物理的メカニズムは何か？
• RQ2 対称性保護が欠如している場合でも、連続体内の束縛状態（BIC）はどのようにして生じるのか？
• RQ3 BIC点における共鳴寿命の発散に、放射場の破壊的干渉が果たす役割は何か？
• RQ4 ブリユアンゾーンの高次対称性点以外の波数ベクトルに対しても、BICを体系的に同定できるか？
• RQ5 モード展開形式は、共鳴状態からBICへの遷移をどのように説明できるか？

主な発見

• 光誘導ギャラリー構造におけるガイドモード共鳴は、横方向ファブリ・ペロー条件が満たされた場合に生じ、有限のQファクターを持つ閉じ込められたモードを形成する。
• ブリユアンゾーンの中心および端に位置するBICは、構造的対称性によって保護され、無限大のQファクターを示す。
• 高次対称性点でない一般の波数ベクトルに対しても、BICは存在しうる。これは、異なるモードからの放射の破壊的干渉によって実現される。
• BIC点における共鳴寿命の発散は、伝搬成分間の干渉による放射場のキャンセルによって解析的に説明できる。
• 形式は、対称性保護が欠如する波数ベクトルにおいてもBICの存在を正確に予測でき、既知のBIC構成の範囲を拡張した。
• 本研究は、周期的光誘導構造における共鳴状態および非共鳴状態（BIC）を捉えるモード展開手法の有効性を確認した。