引用本文:

时尧成,刘卫喜,陈元辰,等. 连续域束缚态与反连续域束缚态在集成光子器件的应用研究[J]. 光通信技术,2025,49(5):10-14.

连续域束缚态与反连续域束缚态在集成光子器件的应用研究

时尧成1,刘卫喜1,陈元辰1,许弘楠2

(1.浙江大学 光电科学与工程学院,杭州 310058;2.香港中文大学 电子工程系,香港 999077)

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摘要:光子连续域束缚态(BIC)及其互补的反连续域束缚态(anti-BIC)为集成光子器件的性能突破提供了全新物理机制。BIC具备卓越的光场局域能力和极高的品质因子,而anti-BIC则能显著提高辐射损耗。综述了光子BIC及anti-BIC这一新兴物理机制在集成光子学中的研究进展。重点探讨了BIC和anti-BIC在低损耗波导、光栅天线、高Q微腔及起偏器中的应用,彰显了二者在光场调控、传感、调制与偏振处理等方面的巨大潜力,并展望了其在通信、传感、计算与量子技术等领域的应用前景。

关键词:连续域束缚态;反连续域束缚态;光栅天线;超构光栅;起偏器

中图分类号:TN256 文献标志码:文章编号:1002-5561(2025)05-0010-05

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2025.05.002

这篇文章主要探讨了光子连续域束缚态(Bound State in the Continuum, BIC)及其互补的反连续域束缚态(anti-Bound State in the Continuum, anti-BIC)在集成光子器件中的应用研究。以下是对文件核心内容的总结:

  1. BIC与anti-BIC机制概述

    • BIC:存在于辐射连续域的无辐射态,理论上具有无穷大的Q因子,能够实现强的光场局域能力和极高的品质因子。

    • anti-BIC:通过泄露通道间的相长干涉实现束缚态与连续域的强耦合,显著增强辐射损耗,具有偏振敏感与强辐射特性。

  2. BIC在集成光子器件中的应用

    • 低损耗波导:BIC波导通过泄露通道间的相消干涉抑制模式泄露,大幅降低模式损耗。例如,在绝缘体上硅脊波导和铌酸锂平台上验证了BIC特性,并扩展至多波导和多层异质波导体系,提升了器件性能。

    • 衍射调控硅波导光栅天线:将BIC应用于硅波导光栅天线(SWGA),提出不需要极小特征尺寸的衍射调控方法。通过精确设计波导宽度达到临界宽度,形成衍射受限的准BIC,实现厘米级的传播长度和超小远场发散角。

    • 高Q微腔:BIC机制可在脊型波导中形成高Q微腔,并与硅基光子平台完全兼容。提出了免刻蚀的一维光子晶体腔和高Q BIC超构光栅等新型BIC微腔结构,实现了超高Q因子,并验证了其作为温度传感器的可行性。

  3. anti-BIC在集成光子器件中的应用

    • 起偏器:基于anti-BIC机制,在硅基和铌酸锂平台上实现了低损耗起偏器。通过调控脊型波导宽度和侧壁倾角,增强模式间的耦合强度,将器件尺寸缩减至50 μm以内,同时实现了极低插入损耗和极高消光比。

  4. 具体研究成果与数据

    • BIC-SWGA:波导宽度达到临界宽度600 nm时,衍射强度极低(α ≈ 3.3×10⁻³ dB/μm),实现厘米级传播长度和超小远场发散角(0.027°)。

    • BIC高Q微腔:免刻蚀BIC一维光子晶体腔Q因子超过12000,整体尺寸约为100 μm;超构光栅BIC腔Q因子高达5200,整体尺寸约为180 μm,温度灵敏度为77 pm/K。

    • anti-BIC起偏器:器件长度缩减至46 μm,插入损耗<0.04 dB,偏振消光比>20 dB,带宽>140 nm。

  5. 未来展望

    • BIC/anti-BIC研究将向新材料体系(如硫系化合物、钽酸锂、锆钛酸铅等)发展,开拓其在中红外等波段与非线性等领域的应用潜力。

    • 通过引入相变材料、电光调控等技术实现器件的动态重构,最终在片上实现多功能集成的BIC/anti-BIC光子系统,为光通信、计算、传感与量子信息技术注入新动力。