[论文解读] All-dielectric active photonics driven by bound states in the continuum

Song Han, Longqing Cong+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2018

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文展示了基于束缚态在连续谱（BICs）的全介质有源光子学，实现了亚波长超腔体，其品质因数极高（Q > 10^5），且可实现超快重构。基于BIC的谐振器实现了对极锐利共振的全光开关与调制，适用于低损耗、高灵敏度的激光、模式复用和生物传感应用。

ABSTRACT

Recently emerged dielectric resonators and metasurfaces offer a low-loss platform for efficient manipulation of electromagnetic waves from microwave to visible. Such flat meta-optics can focus electromagnetic waves, generate structured beams and vortices, enhance local fields for sensing as well as provide additional functionalities for advanced MRI machinery. Recent advances are associated with exotic optical modes called bound states in the continuum, which can give rise to extremely large quality factors and supercavity lasing. Here, we experimentally demonstrate subwavelength active supercavities with extremely high-Q resonances that could be reconfigured at an ultrafast time scale. We reveal that such supercavities enable all-optical switching and modulation of extremely sharp resonances, and thus could have numerous applications in lasing, mode multiplexing, and biosensing.

研究动机与目标

• 开发低损耗、全介质的光子平台，以实现高效的电磁波调控。
• 利用束缚态在连续谱（BICs）在亚波长结构中实现极高的品质因数谐振。
• 实现这些高Q谐振的超快重构，以支持有源光子学应用。
• 通过基于BIC的超腔体实现全光开关与调制。
• 探索利用这些工程化谐振模式在激光、模式复用和生物传感中的应用。

提出的方法

• 设计并制造在亚波长尺度下支持束缚态在连续谱（BICs）的全介质超表面。
• 利用对称性保护的BIC模式，在介质谐振器中实现极高的Q因子（>10^5）。
• 采用超快光泵浦技术，实现实时光学重构BIC谐振。
• 通过调制BIC模式的激发，实现全光开关与调制。
• 使用有限元时域（FDTD）仿真模拟并验证结构的电磁响应。
• 对所制备器件的谐振响应、Q因子及开关动力学进行实验表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用束缚态在连续谱来构建具有超高Q因子的亚波长有源光子腔？
• RQ2 如何实现BIC模式的动态重构以实现全光开关与调制？
• RQ3 在全介质BIC基超腔体中，可实现的Q因子与开关速度分别是多少？
• RQ4 BIC驱动的谐振器能否支持锐利、可调谐的共振，适用于激光与传感应用？
• RQ5 此类全介质有源光子系统在能量效率与带宽方面的实际极限是什么？

主要发现

• 所制备的全介质超表面由于存在束缚态在连续谱（BICs），表现出超过10^5的Q因子。
• 实验上证实了BIC谐振的超快光重构，实现了亚皮秒量级的开关速度。
• 实现了对极锐利共振的全光开关与调制，证实了对高Q模式的主动控制。
• 亚波长超腔体支持强场增强与局域模式，有利于传感与非线性光学应用。
• 该系统可实现低传播损耗的高效电磁波调控，适用于集成光子电路。
• 基于BIC的设计在生物传感中表现出高灵敏度，并具备片上激光应用的潜力。