连续介质中基于束缚布洛赫表面波的低损耗光子集成元件

       近年来，光子集成电路 (PIC) 因其在激光、非线性光学和光通信中的潜在应用而备受关注。绝缘体上硅结构是最广泛使用的PIC平台，其中光由全内反射 (TIR) 限制。PIC也可以基于电磁表面波开发，电磁表面波位于基板和周围介质之间的界面。金属薄膜上的表面等离子体激元 (SPPs) 被认为是光子集成电路的潜在平台，但存在金属的固有损耗限制了集成规模。作为SPP的介电类似物，布洛赫表面波 (BSW)通过TIR机制和一维光子晶体带隙 (PBG) 将电磁波限制在截断的全介电多层膜的最顶层。由于混合限制，BSW表现出表面场增强，这有助于增强光与物质的相互作用并实现高精度光学传感。由于BSW避免了固有的金属损耗并具有广泛的工作波长，因此人们普遍认为可以基于BSW平台构建低损耗光子集成电路。然而，BSW波导和谐振器的实验结果并未显示传播损耗有任何显着降低。

       近日，中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系、安徽省激光先进技术实验室的鲁拥华副教授和王沛教授团队研究了由边界表面模式和截断的一维光子晶体内的连续体之间耦合引起的横向泄漏损耗。他们证明了连续介质束缚态机制可以极大地抑制泄漏损耗，以减少布洛赫表面波波导和谐振器的传播损耗。首先，通过求解传递矩阵问题来讨论有限电介质多层膜的布洛赫模式。其次，分析了二层单元衬底上的波导，通过精心设计器件以实现导模的BIC状态，可以消除泄漏损耗。再次，通过考虑多个泄漏通道的相消干扰，研究了截断一维光子晶体上布洛赫表面波波导的泄漏损耗，并通过工程几何参数获得了准 BIC导模。 最后，还通过在多层基板顶部制作圆盘引入高Q 布洛赫表面波谐振器，综合考虑弯曲损耗和泄漏损耗优化Q因子。相关研究成果发表在杂志《Physical Review Applied》上。（钟雨豪）

       文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.16.014064