[论文解读] Bound states in the continuum in low-contrast fiber Bragg gratings

Xingwei Gao, Chia Wei Hsu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 50被引用 4

一句话总结

本文展示了在低折射率对比度的光纤布拉格光栅中存在连续态束缚态（BICs），其中光通过高Q因子与低Q因子模态带之间的相消干涉被局域化。通过数值模拟和双模耦合理论，作者表明即使在极低折射率对比度下，BICs依然存在，从而在标准光纤中实现稳健的高Q光学导引，适用于滤波器、传感器和激光器等应用。

ABSTRACT

In typical waveguides and optical fibers, light is confined through total internal reflection or through photonic bandgaps. Bound states in the continuum (BICs) confine light through destructive interference and promise many unique applications, yet they have never been found in optical fibers. Here, we show the existence of BICs in fibers with periodic Bragg gratings. Importantly, we find such BICs to persist even with the very small grating index contrasts that are available in typical fiber Bragg gratings. With numerical simulations and an analytical two-mode coupling analysis, we show that these BICs arise from the coupling between a high-quality-factor band and a low-quality-factor band. This finding opens the possibility of guiding light with BICs in optical fibers and their applications in fiber filters, sensors, and lasers.

研究动机与目标

• 研究在折射率对比度较低的光纤布拉格光栅中是否存在连续态束缚态（BICs）。
• 解决在不依赖高折射率对比度的前提下，实现标准光纤中稳健光局域化的挑战。
• 探索BICs在基于光纤的光子器件（如滤波器、传感器和激光器）中实际应用的潜力。
• 通过分析方法与数值方法，研究周期性光纤结构中BIC形成的物理机制。

提出的方法

• 采用数值模拟方法，对低折射率对比度周期性布拉格光栅光纤中的光传播进行建模。
• 应用双模耦合理论，从理论上描述高Q因子模态带与低Q因子模态带之间的相互作用。
• 识别在弱光栅对比度下，相消干涉导致BIC形成的条件。
• 通过本征模分析与品质因数计算，验证BIC的存在性与稳定性。
• 将模拟得到的能带结构与理论预测进行对比，确认模态耦合对BIC形成的关键作用。
• 评估BIC在光栅参数变化及结构缺陷下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在典型标准光纤布拉格光栅中实现折射率对比度较低的连续态束缚态（BICs）？
• RQ2 何种物理机制使得此类低对比度系统中能够形成BIC？
• RQ3 耦合模态带的品质因数如何影响BIC的存在性与稳定性？
• RQ4 在实际制造误差和结构缺陷下，BIC的持久性如何？
• RQ5 BIC在基于光纤的光子器件中具有哪些潜在应用？

主要发现

• 即使在极低折射率对比度下，具有周期性布拉格光栅的光纤中也存在连续态束缚态（BICs）。
• BICs源于高Q因子模态带与低Q因子模态带之间的双模耦合导致的相消干涉。
• 数值模拟证实，能带结构中存在品质因数接近无穷大的BICs，表明光被完美局域化。
• 分析性的双模耦合理论模型能准确预测BIC形成的条件，验证了其物理机制。
• BICs具有强鲁棒性，在参数变化下仍能保持稳定，适用于实际光纤器件。
• 本工作为在标准光纤平台中实现高Q光学导引开辟了新途径，推动BIC在光纤激光器、滤波器和传感器中的应用。