基于准双线性极化子（quasi-BIC）简并和共振效应的完全极化转换

《Optics & Laser Technology》：Complete polarization conversion based on the degeneration of quasi-BIC and resonance

　　偏振可调谐光栅波导结构通过结合非连续性束缚态（BIC）与共振效应，实现了从线偏振到圆偏振的动态调控，并利用光栅位移或外部磁场实现偏振态的连续切换与左右手性反转。该结构具有高品质因数，适用于偏振成像、可调谐光子器件和光学传感。

　　

李晓雪|雷宇|吴建国|何俊|顾冰

安徽工业大学微电子与数据科学学院光电子工程系，马鞍山，安徽243002，中国

摘要

光的偏振动态控制对于先进的光子技术至关重要，但在紧凑型结构中实现这一控制仍然具有挑战性。在这项工作中，我们提出了一种新型的光栅-波导-光栅平台，该平台利用连续介质中的简并束缚态（BIC）和共振来实现完全可调的偏振转换。一个关键的创新在于双模耦合机制：简并的BIC-共振模式不仅具有超高的品质因数，还能增强与外部激发的相互作用。这种双模机制显著放大了磁光效应，允许通过光栅位移或外部磁场诱导的对称性破缺来实现线偏振、椭圆偏振以及左旋和右旋圆偏振状态的控制。这一机制为偏振分辨成像、可调光子器件和光学传感提供了一个紧凑的平台。

引言

偏振是电磁波的基本属性之一。偏振状态的控制和转换在许多领域都有重要应用，如3D成像、光通信和传感[[1], [2], [3], [4]]。传统的偏振转换通常是通过双折射材料实现的，这需要特定的厚度来获得两个正交偏振波之间的足够相位差。因此，灵活控制偏振状态并将偏振器集成到紧凑且超薄的器件中至关重要。

超表面被广泛用于实现从线偏振到圆偏振的转换，但这些结构在动态调制方面存在困难[[5], [6], [7]]。最近，光子晶体薄片中的连续介质束缚态（BICs）因其相关的拓扑电荷和动量空间中的涡旋偏振奇点而引起了广泛关注。除了这些偏振奇点外，光子晶体薄片在动量空间还表现出多种丰富的偏振特性，这些特性也得到了广泛研究[[8], [9], [10]]。通过扭曲双层光子晶体薄片来打破其结构对称性，可以在动量空间生成任意偏振状态[8,9]。此外，BIC的底层物理原理在光子学中被广泛利用，以实现和定制高Q值的共振，用于各种应用，包括传感、激光开发和谐波增强[[11], [12], [13], [14], [15]]。该结构的高Q值共振使其特别适合传感应用。例如，最近关于混合等离子体超表面吸收器的研究实现了超灵敏的折射率传感[16]。类似地，WaveFlex生物传感器（如用于检测黄曲霉素B1的传感器）通过等离子体纳米材料和多芯光纤集成，展示了高灵敏度和低检测限，灵敏度可达38.29 nm/μM[18]。这些进展凸显了高Q值传感器在生物传感和其他应用中的潜力。然而，理想的BIC由于Q值无限大而无法与入射光耦合，因此难以直接应用。实际上，研究人员已经使用各种对称性破缺技术将BICs转化为准（q）-BIC[9,[19], [20], [21]]。q-BIC的Q值和位置取决于不对称参数。然而，q-BIC通常来自具有无限单元格的周期性结构，需要对每个单元格进行精确的不对称参数调整，这带来了技术挑战。最近，基于导模共振的光栅波导结构中也实现了具有Fano样共振谱的q-BIC[22], [23], [24]]。Fano共振具有相对较高的Q值，并已被广泛研究用于各种应用，如慢光效应[25]和Goos-H?nchen位移的增强[26,27]。有趣的是，最近的研究表明，结合q-BIC模式和Fano共振可以利用它们的双重简并性来克服两端口系统的吸收限制，实现可调的高Q值完美吸收器[28,29]。这种简并性带来的增强光-物质相互作用还促进了非线性效应，如谐波生成[30]。此外，具有C_4V对称性的硅基超表面支持双重简并的q-BIC模式，使得光谱分辨率提高了两个数量级，光子收集效率也得到了提升[31]。与一旦制造完成就无法重新配置的单层光栅和共振结构相比，双层光栅具有额外的自由度，特别是平面内的平移位移可以实现对q-BIC和共振的动态调制。

在这项工作中，为了实现光的偏振动态控制和转换，我们提出了一种基于光栅-波导-光栅（G-W-G）配置的夹层结构，该结构通过平移位移和外部磁场的耦合来实现偏振调制。研究发现，当线偏振光束垂直入射到该结构上时，入射空间中的偏振状态可以连续调节。这种调节范围从线偏振到圆偏振，甚至可以通过在两个光栅之间引入侧向位移或施加外部磁场来实现左旋和右旋圆偏振（LCP, RCP）状态之间的切换。

部分摘录

模型和光栅-波导分析

在图1中，G-W-G夹层结构由两个相同的玻璃光栅组成，周期为a = 8.2 mm，位于由钇铁石榴石（YIG）制成的中心波导层的顶部和底部，波导层的厚度为h₁ = 0.2a，周围是空气背景。光栅由宽度为w = 0.3a、折射率为n₂ = 1.5的玻璃层构成，在x轴上具有周期性。光栅沿z轴无限延伸，在y轴上的厚度为h₂ = 0.25a。

结论

总之，我们构建了一个复合的G–W–G结构，并在特定位移下展示了q-BIC共振的简并性。这种双模相互作用极大地增强了磁光效应，使得入射光在入射空间中获得圆偏振时的反射率为1。此外，通过简单地反转磁场方向，圆偏振的手性可以从左旋切换到右旋。通过利用位移...

CRediT作者贡献声明

李晓雪：撰写——原始草稿、软件、资源、方法论、概念化。雷宇：软件、数据管理。吴建国：撰写——审阅与编辑、研究。何俊：研究、数据管理。顾冰：撰写——审阅与编辑、方法论、资金获取、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了安徽工业大学高层次人才科研基金（RZ2500001852）和国家自然科学基金（12474323）的支持。