[論文レビュー] Selection Rules for Symmetry-Protected Bound States in the Continuum

Adam Overvig, Stephanie C. Malek+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Photonic Crystals and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、面内対称性の破れを伴う二次元フォトニクスクリスタルスラブにおける対称性保護型連続状態の束縛状態（BIC）の選択則を確立し、自由空間光への効率的な結合を実現するとともに、強い面内局在性を維持する。この手法により、高コントラストグレーティングプラットフォームを用いたリソグラフィーに適合したコンパactで小型のデバイスで、チューナブルで超狭帯域のスペクトル特徴を実現できる。

ABSTRACT

Photonic crystal slabs (PCSs) are a well-studied class of devices known to support optical Fano resonances for light normally incident to the slab, useful for narrowband filters, modulators, and nonlinear photonic devices. In shallow-etched PCSs the linewidth of the resonances is easily controlled by tuning the etching depth. This design strength comes at the cost of large device footprint due to the poor in-plane localization of optical energy. In fully-etched PCSs realized in high index contrast material systems, the in-plane localization is greatly improved, but the command over linewidth suffers. This disadvantage in fully-etched PCSs, also known as high contrast gratings (HCGs), can be overcome by accessing symmetry-protected Bound States in the Continuum (BICs). By perturbing an HCG, the BIC may be excited from the free space with an inverse squared dependence on the magnitude of the perturbation, while inheriting the excellent in-plane localization of their unperturbed counterparts. Here, we report an exhaustive catalogue of the selection rules (if and to which free space polarization coupling occurs) of BICs controlled by in-plane symmetry breaking in six types of two-dimensional PCS lattices. The chosen lattices allow access to the three highest symmetry mode classes of unperturbed square and hexagonal PCSs. The restriction to in-plane symmetry allows for devices realized with simple lithographic fabrication techniques in comparison to out-of-plane symmetry breaking, useful for practical applications. The approach reported provides a high-level roadmap for designing PCSs supporting tunable sharp spectral features in a mature fabrication platform with minimal device footprint.

研究の動機と目的

• フォトニクスクリスタルスラブにおけるスペクトル線幅制御とデバイスサイズのトレードオフを、対称性保護型BICを活用することで解決すること。
• 完全にエッチングされた高コントラストグレーティング（HCG）構造における限られた線幅チューナビリティを、対称性の破れを伴う摂動によって克服すること。
• さまざまな2次元格子対称性における自由空間光の偏光がBICにどのように結合できるかを体系的に予測するフレームワークを提供すること。
• 最小限のフットプリントと高いスペクトル選択性を備えた実用的でリソグラフィーに適したデバイス設計を可能にすること。

提案手法

• 正方および六角形対称性を有する6種類の二次元フォトニクスクリスタル格子を体系的に分析し、BICモードを同定する。
• 面内対称性の破れを伴う摂動を適用し、 degeneracy を解除するとともに、自由空間放射への結合を可能にしつつBICの局在性を維持する。
• 群論と対称性解析を用いて、横電磁（TE）および横磁気（TM）偏光の入射光への結合に関する選択則を導出する。
• 元の正方および六角形格子における最高対称性の3つのモードクラスを同定し、面内摂動によってどのBICがアクセス可能かを特定する。
• 格子対称性、BICの degeneracy、偏光依存結合効率の間の関係を結ぶフレームワークを確立する。
• 摂動の大きさの逆2乗に比例する結合効率のスケーリングを理論的モデリングにより検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内対称性の破れを伴う二次元フォトニクスクリスタルスラブにおける自由空間光のどの偏光がBICに結合可能か？
• RQ2 異なる格子対称性（正方、六角形）はBIC結合の選択則にどのように影響するか？
• RQ3 結合効率は面内摂動の大きさおよび対称性にどのように依存するか？
• RQ4 高コントラストグレーティング構造におけるどのBICモードクラスが、単純なリソグラフィー加工によってアクセス可能か？
• RQ5 対称性保護型BICは、どのようにして効率的でチューナブルかつコンパクトなフォトニクスデバイスに設計できるか？

主な発見

• BIC結合の選択則は、元のBICモードの無限小表現と面内摂動の対称性に依存する。
• 群論によって決定される特定の偏光状態のみがBICに結合可能であり、これにより入射光の偏光に応じた選択的励起が可能になる。
• 結合効率は摂動の大きさの逆2乗に比例するため、微小な構造的チューニングにより線幅を精密に制御できる。
• この手法は、正方および六角形格子における最高対称性の3つのモードクラスすべてに適用可能であり、広範な適用可能性を有する。
• フレームワークにより、強い面内局在性と効率的な自由空間結合を併せ持つ、コンパクトで高Qの共鳴器の設計が可能になる。
• このアプローチにより、成熟したプロセスプラットフォームでチューナブルで超狭帯域のフォトニクスデバイスを実現するためのロードマップが提供される。