[论文解读] Arbitrary Polarization Generation in Magneto-optical Metasurfaces Enabled by Bound States in the Continuum

Siyuan Gao, Guangtai Lu+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2026

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 0

一句话总结

论文在 BIC 共振处展示了一种磁光全介质超表面，通过外部磁场取向的改变在不改变结构的前提下实现对法线辐射的连续、全斯托克斯极化控制。

ABSTRACT

The generation of arbitrary polarization states of light is essential for optical communication and photonic information processing. Photonic crystal and metasurface platforms supporting bound states in the continuum (BICs) provide a powerful route for polarization engineering through tailoring the radiation from the resonant modes. However, existing approaches typically rely on static structural symmetry breaking or off-normal radiation, which limits continuous polarization tuning of vertical radiation. Here, we demonstrate a magnetooptical metasurface that generates arbitrary polarization states of light at normal radiation. By applying an external magnetic field with variable rientation, a symmetry-protected BIC is transformed into a quasi-BIC whose radiation polarization can be continuously tuned. The magneto-optical perturbation drives the controlled migration of polarization singularities in momentum space, allowing the emitted states to continuously span the entire Poincaré sphere without structural modification. This approach establishes a compact platform for actively tunable polarization sources and polarizationencoded photonic devices.

研究动机与目标

• 为光通信和光子处理的任意光偏振态的生成提供动力
• 在超表面中利用连续体中的束缚态（BIC）进行极化工程，而无需静态对称性破缺
• 在 Γ 点演示基于磁场的极化状态可调控以覆盖庞加莱球的主动性控制。

提出的方法

• 由在空气中组成的正方阵列 MO 纳米棒构成的全介质磁光超表面。
• 用带有分量为 g_i 的磁各向异性张量对 MO 介电张量进行建模，参数化为 g0、θ（方位角）和 φ（仰角）的磁场。
• 使用 COMSOL 有限元仿真计算特征模和动量分辨的远场辐射。
• 将布洛赫本征模投影到外向平面波以获得远场极化和斯托克斯参数。
• 通过斯托克斯参数的取向角 ψ 和偏振度 χ 来表征极化状态。
• 在平面内（φ=0）和平面外（φ≠0）的 MO 效应对 BIC 的影响进行研究，以诱导具可调极化和 Q 值的准-BIC。

实验结果

研究问题

• RQ1 外部磁场是否能够将对称性保护的 BIC 重新配置为在法线入射下具有连续可调极化的辐射准-BIC？
• RQ2 应用磁场的方位角和仰角如何独立控制极化取向和偏振度，以及 g0 如何影响 Q 因子？
• RQ3 在不改变超表面几何结构的前提下，是否可能实现 emitted 极化对庞加莱球的全覆盖？
• RQ4 在 MO 扰动下动量空间中极化的拓扑特征（C 点、L 线）及其随磁场取向的演化如何？

主要发现

• 平面内 MO 效应（φ=0）将 BIC 转变为具有有限 Q 的准-BIC，通过改变 θ 在 Γ 处实现连续的线偏振控制。
• Γ 处的极化取向 ψ 随 θ 的变化在庞加莱球的赤道上连续扫过，与 g0 无关；Q 值随 g0 增大而减小。
• 平面外 MO 效应（φ ≠ 0）在 g0 足够大时使 Γ 处出现圆偏振，χ 从线偏振转变为圆偏振；Q 通常随着较大 g0 或较小 φ 而降低。
• 在固定 g0 的情况下结合 θ 和 φ 可实现任意极化态，使 Γ 在动量空间中实现对庞加莱球的全覆盖。
• 动量空间中 C 点的移动及 L 线的存在证实了对 MO 扰动下极化状态及其演化的拓扑解释。
• 该设计提供了一种可重构的高 Q 平台，在单一频率的 BIC 共振下无需结构调整即可实现确定性极化控制。