[论文解读] Hybrid bound states in the continuum in terahertz metasurfaces

Junxing Fan, Zhanqiang Xue+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2023

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用 9

一句话总结

论文在太赫兹超表面中引入混合束缚态在连续体中的边界态（BICs），以降低散射损失并提升辐射品质因子，在混合晶格中实现辐射 Q 增益因子超过 14.6，并通过 Brillouin-zone 模态传输揭示多重 Fano 共振。

ABSTRACT

Bound states in the continuum (BICs) have exhibited extraordinary properties in photonics for enhanced light-matter interactions that enable appealing applications in nonlinear optics, biosensors, and ultrafast optical switches. The most common strategy to apply BICs in a metasurface is by breaking symmetry of resonators in the uniform array that leaks the otherwise uncoupled mode to free space and exhibits an inverse quadratic relationship between quality factor (Q) and asymmetry. Here, we propose a scheme to further reduce scattering losses and improve the robustness of symmetry-protected BICs by decreasing the radiation density with a hybrid BIC lattice.We observe significant increase of radiative Q in the hybrid lattice compared to uniform lattice with a factor larger than 14.6. In the hybrid BIC lattice, modes are transferred to Gamma point inherited from high symmetric X, Y and M points in the Brillouin zone that reveal as multiple Fano resonances in the far field and would find applications in hyperspectral sensing. This work initiates a novel and generalized path toward reducing scattering losses and improving the robustness of BICs in terms of lattice engineering that would release the rigid requirements of fabrication accuracy and benefit applications of photonics and optoelectronic devices.

研究动机与目标

• 推动在光子学中使用连续体中的束缚态（BICs）来增强光与物质的相互作用。
• 提出一种晶格工程方法以降低辐射密度并增强对称性保护的 BICs 的鲁棒性。
• 证明混合 BIC 晶格在太赫兹超表面中产生的辐射 Q 因子高于均匀晶格。
• 展示从 X、Y、M 点到 Γ 点的模态转移并在远场识别出多重 Fano 共振。

提出的方法

• 引入混合晶格设计以耦合并抑制太赫兹超表面的辐射损失。
• 分析混合与均匀晶格在辐射密度和 Q 因子上的提升。
• 观察从高对称 Brillouin-zone 点（X、Y、M）到 Γ 点的模态转移，在远场实现多重 Fano 共振。
• 表征对应于转移模态和 Fano 共振的远场光谱特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 与均匀晶格相比，混合晶格设计是否能降低太赫兹超表面中 BIC 的散射损失？
• RQ2 从 X、Y、M 点向 Γ 点转移模态时，辐射密度和辐射 Q 因子有何变化？
• RQ3 转移模态是否以多重 Fano 共振的形式出现在远场，并能否实现高光谱传感？

主要发现

• 混合晶格中的辐射 Q 因子比均匀晶格提高了超过 14.6 倍。
• 模态从 Brillouin-zone 的高对称 X、Y、M 点继承并转移到 Γ 点。
• 转移的模态在远场展现为多重 Fano 共振。
• 混合晶格通过晶格工程降低散射损失并增强对称性保护 BIC 的鲁棒性。
• 该方法为在光子学和光电子器件中改进 BIC 鲁棒性提供了一种通用路径。