Forbedring af robustheden af ​​bundne tilstande i kontinuumet med højere topologiske ladninger

Bundne stater i kontinuum (BIC'er) har tiltrukket bred forskningsinteresse på grund af deres fremragende ydeevne i lysindeslutning, som kan øge lys-stof-interaktion. BIC'er kan eliminere strålingstabet for teoretisk at opnå en uendelig kvalitetsfaktor Q. I praktiske on-chip resonatorer er der imidlertid uundgåelige fabrikationsfejl, som kobler BIC'er til nærliggende strålingstilstande ved spredning, og dermed begrænser den tilgængelige Q.

For at undertrykke spredningstabet er forbedringen af ​​lysindeslutning i de nærliggende strålingstilstande påkrævet. Flere BIC'er kan indstilles til den samme position for at danne en sammensmeltende BIC ved hjælp af BIC's topologiske egenskaber. Denne fysiske mekanisme kan markant forbedre Q af nærliggende tilstande over et bredt bølgevektorområde og forbedre robustheden af ​​BIC'er mod spredningstabet af fabrikationsfejl.

For fotoniske krystalplader danner polarisationerne af fjernfeltstrålingen en polarisationshvirvel omkring en BIC i momentumrummet. BIC er placeret ved den topologiske singularitet, hvis polarisationsretning ikke kan defineres, så der er intet strålingstab. Det snoede antal polarisationer langs retningen mod uret definerer den topologiske ladning af BIC'er. BIC'er er topologisk beskyttet efter den topologiske ladningsbevaring. De kan indstilles i momentum rum med variationen af ​​strukturelle parametre.

Men til dato involverer konstruktionen af ​​fusionerende BIC'er kun manipulation af grundlæggende topologiske ladninger. På den ene side kan de højere-ordens topologiske ladninger betragtes som bestående af flere fundamentale topologiske ladninger, og derfor kan en højere-ordens ladet BIC i sig selv forbedre robustheden af ​​en BIC mod spredningstabet. På den anden side, ved at reducere den strukturelle symmetri, kan BIC'er med topologiske ladninger af højere orden opdeles i flere BIC'er med fundamentale topologiske ladninger, som kan konstruere fusionerende BIC'er med andre fysiske mekanismer inducerede BIC'er.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , Prof. Meng Xiao fra Wuhan University, Prof. Hongxing Xus team fra Wuhan University og Prof. Che Ting Chan fra Hong Kong University of Science and Technology samarbejdede om at foreslå en ny fysisk mekanisme til at realisere fusionerende BIC'er gennem manipulation af højere-ordens topologiske gebyrer.

I den fotoniske krystalplade med et trekantet gitter er der en symmetribeskyttet BIC med en topologisk ladning på -2 i Γ-punktet. Når tykkelsen af ​​pladen er passende, vises utilsigtede BIC'er med topologiske ladninger på ±1 ved off-Γ-punkter, som dannes ved utilsigtet annullering af strålingstab på grund af destruktiv interferens. Ved at variere tykkelsen kan flere utilsigtede BIC'er indstilles samtidigt til G-punktet, hvilket danner en sammensmeltende BIC med en opladet BIC af højere orden. Q-faktorerne for de nærliggende strålingstilstande er blevet væsentligt forbedret for nærliggende strålingstilstande sammenlignet med isolerede BIC'er eller fusionerende BIC'er med kun grundlæggende ladninger. Kort sagt kan sammensmeltning af BIC'er, der involverer afgifter af højere orden, yderligere forbedre lysindskrænkningen og undertrykke spredningstabet forårsaget af fabrikationsfejl.

Ved at erstatte cylindriske huller med elliptiske cylindriske huller reduceres strukturens symmetri, og højere-ordens ladede BIC'er er ikke længere tilladt ved Γ-punktet. På grund af topologisk ladningsbevaring opdeles BIC'er med topologisk ladning af højere orden i off-Γ BIC'er. De opdelte BIC'er kan indstilles i momentumrum ved at variere de strukturelle parametre. De kan tunes samtidigt til Γ-punktet for at danne en flette-BIC, eller til den samme position med utilsigtede BIC'er og danne en flette-BIC ved off-Γ-punkter.

Ved at dreje elliptiske cylindriske huller brydes spejlsymmetrien yderligere, og BIC'er drejes væk fra spejlplanet. Ved at vælge en passende rotationsvinkel og pladetykkelse er de sammensmeltende BIC styrbare med et designet momentum, hvilket er af stor betydning for at forbedre ydeevnen af ​​retningsrelaterede applikationer. + Udforsk yderligere

En meget effektiv solver for bundne tilstande i kontinuum baseret på den totale interne refleksion af Bloch-bølger