[论文解读] Observation of Unidirectional Bound States in the Continuum Enabled by Topological Defects

Xuefan Yin, Jicheng Jin+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2019

Photonic Crystals and Applications参考文献 33被引用 5

一句话总结

该论文提出并通过实验演示了在光子晶体膜中实现单向辐射的束缚态在连续谱（BICs），其仅向一侧辐射而无需任何镜面结构，该现象由动量空间中两个半整数自旋涡旋的拓扑融合所实现。关键结果为测得的辐射不对称性比达到27.7 dB，单侧品质因数高达1.6×10⁵，证实了在通信波段实现近乎完全单向辐射。

ABSTRACT

Unidirectional radiation is important for a variety of optoelectronic applications. Many unidirectional emitters exist, but they all rely on the use of materials or structures that forbid outgoing waves, i.e. mirrors. Here, we theoretically propose and experimentally demonstrate a class of resonances in photonic crystal slabs, which only radiate towards a single side with no mirror placed on the other side - we call them ``unidirectional bound states in the continuum". These resonances are found to emerge when a pair of half-integer topological charges in the polarization field bounce into each other in the momentum space. We experimentally demonstrate such resonances in the telecommunication regime, where we achieve single-sided quality factor as high as 1.6e5, equivalent to a radiation asymmetry ratio of 27.7 dB. Our work represents a vivid example of applying topological principles to improve optoelectronic devices. Possible applications of our work include grating couplers, photoniccrystal surface-emitting lasers, and antennas for light detection and ranging.

研究动机与目标

• 解决无镜面或反射结构时在光电设备中实现单向辐射的挑战。
• 探究是否可通过动量空间中的拓扑原理，使束缚态在连续谱（BICs）表现出单向辐射。
• 通过直接测量向下远场辐射的消失，实验验证单向BIC的存在。
• 展示高性能、无镜面的单向发射器，适用于光栅耦合器、面发射激光器和LIDAR天线。

提出的方法

• 该方法通过破坏光子晶体膜的上下镜像对称性，将一个整数拓扑电荷分裂为极化场中的两个半整数拓扑电荷。
• 通过连续调节结构的几何参数（如侧壁倾斜），两个半整数涡旋在动量空间中演化，并最终重新合并为一个整数电荷。
• 该合并点对应于拓扑缺陷，此时极化场变得不确定，尽管存在开放通道，仍能完全抑制所有向下辐射。
• 实验验证采用改进的反应离子束刻蚀（RIE）工艺，以精确控制几何结构，制备硅-on-insulator（SOI）样品。
• 通过在像平面移动针孔以选择特定k点，测量辐射图案，提取向上和向下的辐射强度。
• 通过洛伦兹拟合反射/透射光谱提取辐射衰减速率，并通过数值拟合扣除非辐射损耗，以分离出向下辐射的Q_b。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无镜面的光子晶体膜中，单向BIC是否能仅依赖拓扑保护而存在？
• RQ2 极化场中的半整数拓扑电荷在动量空间中如何演化，并在合并时导致单向辐射？
• RQ3 此类系统中可实现的最大辐射不对称性比是多少？其在带宽和角度变化下是否具有鲁棒性？
• RQ4 是否可通过直接测量向下远场辐射的消失，实验确认单向BIC的存在？
• RQ5 此类共振在实际应用中的品质因数和带宽性能如何？

主要发现

• 在k_x a / 2π = 0.088处，向下辐射衰减速率γ_b接近于零，证实了无底部镜面的单向BIC存在。
• 实验测得的辐射不对称性比最大达27.7 dB，表明超过99.8%的功率单向辐射至上方。
• 实现了1.6×10⁵的单侧品质因数，对应于单向模式极长的寿命。
• 在1536 nm至1562 nm的26 nm带宽内，超过90%的辐射能量被导向上方，表明向下辐射被广泛抑制。
• 在出射角5°至11°范围内，单向BIC保持强抑制，表明对角度变化具有鲁棒性。
• 设计对制造误差具有良好的容错性，经补充仿真与测量结果验证。