[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文展示了在光子晶体膜中通过垂直对称性破缺诱导的一种新型非Γ点束缚态在连续谱中（BIC），其中偶-parity与奇-parity布洛赫共振态的混合产生了一种稳定、高品质因子的准-BIC。该BIC出现在能量-动量图中的反交叉点附近，并通过实验观测和数值验证，与Friedrich-Wintgen解析模型具有极佳的一致性，实现了无需垂直对称性的可调谐、非厄米光子工程。

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.

研究动机与目标

• 展示一种不依赖垂直对称性的新型非Γ点束缚态在连续谱（BIC）类别，克服传统对称性保护BIC的局限性。
• 探讨垂直对称性破缺在光子晶体膜中促进正负偶极性布洛赫共振态混合的作用。
• 通过受控的刻蚀和基底诱导不对称性，实现可实验观测的高Q值准-BIC。
• 通过几何参数调控实现动量空间中BIC位置的可调谐性，促进在激光和传感中的应用。
• 通过数值模拟和Friedrich-Wintgen解析框架验证实验结果，确认其破坏性干涉机制。

提出的方法

• 制备具有厚度方向部分刻蚀及基底的光子晶体膜，以破坏垂直镜像对称性。
• 采用严格耦合波分析（RCWA）模拟，以建模和预测模式的色散关系及辐射损耗。
• 通过测量角度依赖的透射光谱，将BIC条件识别为Fano共振线宽趋于零。
• 采用基于Friedrich-Wintgen的解析模型，通过非厄米哈密顿量描述正负偶极性两种共振模式之间的耦合。
• 将实验数据拟合以提取耦合强度（κ = 18 meV）和相位偏移（ψ < 0.01π），证实近乎完美的破坏性干涉。
• 系统性地改变刻蚀系数（ε）和高宽比（d/a），以研究准-BIC的鲁棒性与可调谐性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无垂直对称性的光子晶体膜中，能否通过模式混合而非对称性保护机制实现束缚态在连续谱中的出现？
• RQ2 垂直对称性破缺如何通过偶-parity与奇-parity布洛赫共振态之间的耦合，诱导出高Q值准-BIC？
• RQ3 能量-动量图中的反交叉点在该类BIC形成过程中起什么作用？
• RQ4 该准-BIC对制造缺陷（尤其是刻蚀深度变化）的鲁棒性如何，特别是在何种范围内保持稳定？
• RQ5 通过改变孔径直径和总厚度等几何参数，能否实现BIC角位置的调控？

主要发现

• 在具有部分刻蚀和基底诱导不对称性的光子晶体膜中，实验观测到对称性破缺的BIC，其特征为角度透射测量中Fano共振线宽趋于零。
• 该BIC出现在能量-动量图中下层混合能带的反交叉点附近，品质因子约为10^5。
• 数值模拟（RCWA）与实验数据高度一致，验证了观测到的准-BIC是由两种共振模式之间的破坏性干涉所致。
• 解析的Friedrich-Wintgen模型准确描述了该系统，耦合强度为κ = 18 meV，相位偏移ψ < 0.01π，表明近乎完美的破坏性干涉。
• 当刻蚀系数ε < 65%时，BIC保持鲁棒，准-BIC条件在广泛的制造公差范围内持续存在。
• 通过调节高宽比d/a，可将BIC的角位置从8.4°调谐至10.3°，证明了动量空间中BIC位置的完全可调谐性。