[论文解读] Selection Rules for Symmetry-Protected Bound States in the Continuum

Adam Overvig, Stephanie C. Malek+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Photonic Crystals and Applications被引用 6

一句话总结

本文建立了具有面内对称性破缺的二维光子晶体膜中对称性保护的束缚态在连续谱（BIC）的选择规则，实现了与自由空间光的高效耦合，同时保持强面内局域化。该方法利用高对比度光栅平台，可在紧凑且可光刻加工的器件中实现可调谐、超窄带宽的光谱特性。

ABSTRACT

Photonic crystal slabs (PCSs) are a well-studied class of devices known to support optical Fano resonances for light normally incident to the slab, useful for narrowband filters, modulators, and nonlinear photonic devices. In shallow-etched PCSs the linewidth of the resonances is easily controlled by tuning the etching depth. This design strength comes at the cost of large device footprint due to the poor in-plane localization of optical energy. In fully-etched PCSs realized in high index contrast material systems, the in-plane localization is greatly improved, but the command over linewidth suffers. This disadvantage in fully-etched PCSs, also known as high contrast gratings (HCGs), can be overcome by accessing symmetry-protected Bound States in the Continuum (BICs). By perturbing an HCG, the BIC may be excited from the free space with an inverse squared dependence on the magnitude of the perturbation, while inheriting the excellent in-plane localization of their unperturbed counterparts. Here, we report an exhaustive catalogue of the selection rules (if and to which free space polarization coupling occurs) of BICs controlled by in-plane symmetry breaking in six types of two-dimensional PCS lattices. The chosen lattices allow access to the three highest symmetry mode classes of unperturbed square and hexagonal PCSs. The restriction to in-plane symmetry allows for devices realized with simple lithographic fabrication techniques in comparison to out-of-plane symmetry breaking, useful for practical applications. The approach reported provides a high-level roadmap for designing PCSs supporting tunable sharp spectral features in a mature fabrication platform with minimal device footprint.

研究动机与目标

• 通过利用对称性保护的BIC，解决光子晶体膜中光谱线宽控制与器件尺寸之间的权衡问题。
• 通过面内对称性破缺微扰，克服全蚀刻高对比度光栅（HCG）结构中线宽可调谐性有限的问题。
• 为预测不同二维晶格对称性下BIC与自由空间极化的耦合关系，提供系统性框架。
• 实现具有最小尺寸和高光谱选择性的实际、可光刻实现的器件设计。

提出的方法

• 系统分析具有正方和六方对称性的六类二维光子晶体晶格，以识别BIC模式。
• 施加面内对称性破缺微扰，解除简并并实现与自由空间辐射的耦合，同时保持BIC的局域化特性。
• 利用群论和对称性分析，推导出与横电（TE）和横磁（TM）偏振入射光耦合的选择规则。
• 在未扰动的正方和六方晶格中识别出三个最高对称性的模式类，以确定哪些BIC可通过面内微扰实现耦合。
• 建立连接晶格对称性、BIC简并性与偏振依赖耦合效率的框架。
• 通过理论建模验证方法：耦合效率随微扰幅度的平方反比关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有面内对称性破缺的二维光子晶体膜中，哪些自由空间偏振态可与BIC耦合？
• RQ2 不同的晶格对称性（正方、六方）如何影响BIC耦合的选择规则？
• RQ3 耦合效率如何依赖于面内微扰的幅度和对称性？
• RQ4 在高对比度光栅结构中，哪些BIC模式类可通过简单的光刻图案实现？
• RQ5 如何设计对称性保护的BIC，以实现高效、可调谐且紧凑的光子器件？

主要发现

• BIC耦合的选择规则由未扰动BIC模式的不可约表示和面内微扰的对称性决定。
• 仅特定的偏振态（由群论确定）可与BIC耦合，从而实现基于入射光偏振的可选择性激发。
• 耦合效率与微扰幅度的平方成反比，可通过微小结构调谐实现线宽的精细控制。
• 该方法适用于正方和六方晶格中所有三个最高对称性的模式类，具有广泛适用性。
• 该框架可实现紧凑、高Q值谐振腔，具备强面内局域化和高效的自由空间耦合，且仅使用标准光刻工艺。
• 该方法为在成熟制造平台中实现可调谐、超窄带宽光子器件提供了路线图。