[論文レビュー] Realization of Bound state In the Continuum induced by vertical symmetry breaking in photonic lattice

Raphaël Mermet‐Lyaudoz, Florian Dubois+7 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Nonlinear Photonic Systems被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、垂直対称性の破れによって誘発される光子結晶スラブにおける新しいタイプのΓ以外の連続スペクトル内に束縛状態（BIC）を示す。偶数パリティと奇数パリティのブロッホ共鳴状態のハイブリダイゼーションが、頑健で高品質因子の準BICを形成する。このBICはエネルギー運動量図における反交差点付近に出現し、実験的に観測され、数値的にも検証されており、Friedrich-Wintgenの解析的モデルと非常に良好に一致しており、垂直対称性を必要としないチューナブルで非エルミート的光子工学の実現が可能である。

ABSTRACT

We demonstrate experimentally a new type of Bound state In the Continuum (BIC) which is induced by the vertical symmetry breaking of a photonic crystal slab. Such BIC emerges from the hybridization between Bloch resonances of opposite parities once the vertical symmetry is broken, and is observed in the vicinity of the anticrossing point at the lower hybrid band of the energy-momentum diagram. All experimental results are nicely reproduced by numerical simulations, and in good agreement with an analytical model based on Friedrich-Wintgen framework. Together with the possibility of dispersion engineering by vertical symmetry breaking, our results open the way to tailor photonic states in the entire complex plane to study non-hermitian photonics.

研究の動機と目的

• 垂直対称性に依存しない新しい種類のΓ以外の連続スペクトル内に束縛状態（BIC）を実証し、従来の対称性保護BICの制限を克服すること。
• 垂直対称性の破れが、光子結晶スラブにおける反対パリティのブロッホ共鳴状態間のハイブリダイゼーションをどのように促進するかを調査すること。
• 制御されたコーナー加工と基板由来の非対称性を通じて、実験的に観測可能な高品質因子の準BICを達成すること。
• 幾何パラメータの制御により、運動量空間におけるBIC位置のチューニングを可能とし、レーザーおよびセンシングへの応用を促進すること。
• 実験結果を数値シミュレーションとFriedrich-Wintgenの解析的フレームワークで検証し、破壊的干渉メカニズムを確認すること。

提案手法

• 厚さ方向の部分的コーナー加工と基板を用いて垂直鏡対称性を破る光子結晶スラブの作製。
• モードの分散および放射損失をモデル化・予測するために、厳密なカップルドウェーブ解析（RCWA）シミュレーションの使用。
• BIC条件を、Fano共鳴線幅が消失するという観点から、角度依存透過スペクトルの測定により同定。
• 非エルミート的ハミルトニアンを介した反対パリティの2つの共鳴モード間の結合を記述するFriedrich-Wintgenに基づく解析的モデルの採用。
• 実験データのフィッティングにより、結合定数（κ = 18 meV）と位相シフト（ψ < 0.01π）を抽出し、ほぼ完全な破壊的干渉を確認。
• エッチング係数（ε）およびアスペクト比（d/a）を系統的に変化させ、準BICのロバスト性とチューナビリティを調査。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直対称性が欠如する光子結晶スラブにおいて、対称性保護に依存せず、モードハイブリダイゼーションに依存して連続スペクトル内に束縛状態（BIC）が出現しうるか？
• RQ2 垂直対称性の破れが、偶数パリティと奇数パリティのブロッホ共鳴状態間の結合を通じて、高品質因子の準BICをどのように誘発するか？
• RQ3 エネルギー運動量図における反交差点が、このようなBICの形成をどのように可能にするか？
• RQ4 エッチング深さの変動を含む製造不確実性に対して、準BICはどの程度ロバストか？
• RQ5 穴径や全厚さなどの幾何パラメータの変更により、BICの角度的位置をチューニングできるか？

主な発見

• 部分的コーナー加工と基板由来の非対称性を持つ光子結晶スラブにおいて、実験的に対称性破れBICが観測され、角度依存透過測定におけるFano共鳴線幅の消失により確認された。
• BICはエネルギー運動量図における下位ハイブリッドバンドの反交差点付近に出現し、品質因子は約10^5であった。
• 数値的シミュレーション（RCWA）と実験データの間で良好な一致が得られ、観測された準BICが2つの共鳴モード間の破壊的干渉の結果であることを裏付けた。
• 解析的Friedrich-Wintgenモデルはシステムを正確に記述しており、結合定数はκ = 18 meV、位相シフトはψ < 0.01πであり、ほぼ完全な破壊的干渉を示している。
• エッチング係数ε < 65%の範囲でBICはロバストであり、広い製造許容範囲において準BIC状態が維持された。
• アスペクト比d/aの変更により、BICの角度位置を8.4°から10.3°にチューニング可能であり、運動量空間におけるBIC位置の完全なチューナビリティを示した。