基于锗超表面的角度不敏感双连续域束缚态研究

作者及机构
本研究的通讯作者为中山大学微电子科学与技术学院的Zhengji Xu（徐正稷），第一作者为Yiqing Liu（刘一清）。合作作者包括Jinwen Lv（吕金文）、Ye Fan（范晔）、Meixue Zong（宗美雪）和Shubin Zhang（张树斌）。研究由中山大学微电子科学与技术学院及广东省光电信息处理芯片与系统重点实验室完成，发表于期刊《Chip》2025年春季刊（Volume 4, 100121），DOI号为10.1016/j.chip.2024.100121。

学术背景
连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BICs）是光子学领域的重要现象，其特点是通过超表面（metasurface）实现极高的品质因子（Q因子），从而突破传统中红外光学器件（如滤波器、传感器、激光器）的性能限制。然而，现有BIC超表面通常对入射角度敏感，仅能在特定角度下维持高Q因子，这严重限制了其实际应用。为解决这一问题，本研究提出了一种基于锗（germanium）材料的双孔周期超表面结构，通过几何不对称性调控BIC的泄漏与耦合，实现了对TE和TM偏振均具有角度不敏感性的双BIC模式。

研究流程
1. 结构设计与理论分析
- 结构参数：超表面由周期性排列的双圆孔锗薄膜（厚度500 nm，周期7 μm）构成，其中一个孔为固定半径（875 nm）的标准圆孔，另一孔为椭圆孔（长轴1750 nm，短轴可变），通过不对称参数α（α = (a−b)/a）调控几何对称性。
- 仿真方法：采用COMSOL Multiphysics进行本征频率分析，确认了两种无损耗模式（Mode 1: 30.23 THz，Mode 2: 31.57 THz）；通过Lumerical FDTD模拟光谱响应，验证角度不敏感性。
- 物理机制：电场分布分析表明，两种模式均具有奇对称性（总偶极矩为零），无法与远场平面波耦合，因此形成BIC。

1. 对称性破缺与准BIC调控

   • 通过调节椭圆孔短轴（b）引入不对称性（α = 0–0.6），将对称性保护的BIC转化为准BIC（quasi-BIC），实现可控泄漏。
     
   • 偏振选择性：x偏振光激发Mode 1泄漏（Mode 2保持束缚），y偏振光反之。Q因子随α增大而衰减，拟合关系为Q1=260α⁻²、Q2=4014α⁻²。
     

2. 实验验证

   • 制备：采用磁控溅射在玻璃衬底上沉积锗薄膜（实测厚度513 nm），通过激光直写和反应离子刻蚀（RIE）加工双孔结构。
     
   • 表征：扫描电镜（SEM）显示孔结构存在工艺偏差（如椭圆孔短轴实测1.334 μm vs 设计值1.75 μm）。傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量显示，x和y偏振下的共振峰位置与仿真吻合（偏差%），但Q因子因制备缺陷降低约两个数量级。
     
   • 角度鲁棒性：实验证实，入射角在0°–15°范围内变化时，共振波长与线宽保持稳定。
     

主要结果
1. 理论验证：本征模式分析表明，两种BIC模式在对称结构下具有无限Q因子（受计算精度限制，实际为10⁹–10¹⁰量级）。
2. 偏振控制：通过几何不对称性和偏振方向选择，可独立调控两种准BIC模式的泄漏。
3. 实验一致性：尽管工艺误差导致Q因子下降，但角度不敏感性和偏振选择性特征与理论预测一致。

结论与价值
本研究通过锗超表面设计，首次实现了对TE/TM偏振均有效的角度不敏感双BIC模式，其科学价值和应用价值体现在：
1. 科学创新：揭示了基于多极子共振（Mode 1以电四极子为主，Mode 2结合磁偶极子与环形偶极子）的BIC调控机制，为高性能光学器件设计提供新思路。
2. 技术突破：克服了传统BIC器件的角度敏感性难题，为中红外传感、非线性光学和强光-物质相互作用等应用提供了稳定平台。
3. 工艺兼容性：采用CMOS兼容工艺，易于与现有微电子技术集成。

研究亮点
1. 双模式设计：首次在单一超表面中实现偏振依赖的双BIC模式，扩展了BIC的功能维度。
2. 角度鲁棒性：通过平带（flat band）特性理论解释了角度不敏感性的物理根源。
3. 动态调控：通过几何参数和偏振方向动态切换共振响应，为可重构光学器件奠定基础。

其他价值
研究还提出可通过结构缩放调整共振波长，或设计梯度超表面实现无傅里叶变换的光谱测量，在便携式光谱仪和分子指纹检测中具有潜在应用。