[论文解读] Formation Mechanism of Guided Resonances and Bound States in the Continuum in Photonic Crystal Slabs

Xingwei Gao, Chia Wei Hsu+5 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Mar 9, 2016

Photonic Crystals and Applications参考文献 5被引用 3

一句话总结

本文提出一种模式展开形式化方法，以解析方式阐明一维光子晶体膜中导模共振态和连续谱中束缚态（BICs）的形成机制。导模共振态源于横向法布里-珀罗条件，而BICs则源于不同膜层组分辐射场的相消干涉，文中在布里渊区中心和边界以及一般波矢处，分别展示了受对称性保护和不受对称性保护的BICs。

ABSTRACT

We develop a formalism, based on the mode expansion method, to describe the guided resonances and bound states in the continuum (BICs) in photonic crystal slabs with one-dimensional periodicity. This approach provides analytic insights to the formation mechanisms of these states: the guided resonances arise from the transverse Fabry-Pérot condition, and the divergence of the resonance lifetimes at the BICs is explained by a destructive interference of radiation from different propagating components inside the slab. We show BICs at the center and on the edge of the Brillouin zone protected by symmetry, as well as BICs at generic wave vectors not protected by symmetry.

研究动机与目标

• 开发一种系统化的形式化方法，以理解光子晶体膜中导模共振态与连续谱中束缚态（BICs）的形成机制。
• 提供关于BICs物理起源的解析洞察，特别是其在BIC点处共振寿命发散的原因。
• 识别并分类不同波矢下的BICs，包括受对称性保护与不受对称性保护的情形。
• 阐明辐射场相消干涉在对称性约束之外实现BIC形成中的作用。

提出的方法

• 基于膜内电磁场的横向模分解，采用一种模式展开方法。
• 将光子晶体膜建模为具有的一维周期性结构，以简化分析。
• 推导出导模共振态的条件：即满足膜内横向法布里-珀罗共振条件。
• 分析膜内不同传播组分产生的辐射场，以解释BIC处的相消干涉。
• 利用对称性分析，对布里渊区高对称点（如Γ点和X点）处的BICs进行分类。
• 将该形式化方法拓展至识别在非对称性保护下的通用波矢处的BICs，基于干涉条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 一维光子晶体膜中导模共振态的物理机制是什么？
• RQ2 当缺乏对称性保护时，连续谱中束缚态（BICs）如何在光子晶体膜中出现？
• RQ3 辐射场的相消干涉在BIC处导致共振寿命发散的过程中起什么作用？
• RQ4 是否可以系统性地识别布里渊区非高对称点处的BICs？
• RQ5 该模式展开形式化方法如何解释从共振态到BICs的转变？

主要发现

• 当满足横向法布里-珀罗条件时，光子晶体膜中形成导模共振态，产生具有有限品质因数的局域模。
• 在布里渊区中心和边缘的BICs受结构对称性保护，导致其品质因数趋于无穷大。
• BICs也可存在于非高对称点的通用波矢处，其形成依赖于不同模态辐射场的相消干涉。
• BIC处共振寿命发散的解析解释源于传播组分之间辐射场的干涉相消。
• 该形式化方法成功预测了在缺乏对称性保护的波矢处BICs的存在，扩展了已知BIC构型的范围。
• 本研究证实了模式展开方法在捕捉周期性光子结构中共振态与非共振态（BIC）的有效性。