1. 導讀

連續域束縛態（Bound states in the continuum，BIC）被認為(wei) 是一種異於(yu) 波動理論傳(chuan) 統觀點的一種物理現象。雖然其頻率處於(yu) 輻射連續域中，卻沒有與(yu) 輻射波發生耦合，而是像導波模式一樣嚴(yan) 格地束縛在波導內(nei) 。這種在不遵從(cong) 全內(nei) 反射前提下沒有輻射損耗的奇異現象引起了科研工作者的關(guan) 注，並在近幾年通過各種體(ti) 係對BICs進行了深入探索。

在光學體(ti) 係中，由於(yu) 理想BICs具有共振線寬無限窄，Q值無限大的特點，有望應用於(yu) 濾波器、激光器、以及傳(chuan) 感器的設計中，並能夠在很大程度上提高器件的性能。但是現實製備過程中，由於(yu) 器件有限的尺寸以及缺陷的存在，理想BICs通常退化為(wei) 準BICs，在光譜上體(ti) 現為(wei) Fano線型。因此，設計激發準BIC模式的有源器件有著非常重要的意義(yi) 和應用前景。

基於(yu) 以上理論背景，近日，杭州電子科技大學智能微傳(chuan) 感器與(yu) 微係統教育部工程中心光學傳(chuan) 感研究小組在Nanophotonics上發表最新研究進展，提出了一種雙光柵對稱結構，並在該結構中實現了多種BIC模式。研究者對其中法布裏-珀羅（Fabry-Pérot）BIC進行了機理分析以及設計，在準BIC模式下通過引入羅丹明有機增益（R6G），對結構內(nei) 在損耗進行補償(chang) ，實現了準BIC模式的激發。此外，在準BIC激光的基礎上，研究小組通過理論上改變環境折射率來模擬氣體(ti) 環境的變化，進而檢測器件的光譜響應，發現器件有著非常靈敏的傳(chuan) 感特性。由於(yu) 準BIC激光具有非常窄的光譜線寬，其傳(chuan) 感品質因子高達4420RIU-1，在無源氣敏傳(chuan) 感的基礎上提高了一個(ge) 量級。

該研究成果不僅(jin) 為(wei) 實現小尺度，低閾值激光器提供了明確的理論和設計參考，同時為(wei) 有源器件在光與(yu) 物質相互作用以及光傳(chuan) 感領域的研究提供了新思路。

2. 研究背景

光學傳(chuan) 感相比於(yu) 其他傳(chuan) 統傳(chuan) 感技術，具有抗電磁幹擾性能強、響應速度快等優(you) 勢。而表麵等離子激元共振（SPR）傳(chuan) 感器通過表麵等離極化激元（SPP）可以實現無接觸、實時免標記檢測，為(wei) 傳(chuan) 統光學傳(chuan) 感器設計提供了一種更為(wei) 有效的技術手段。然而傳(chuan) 統的SPR傳(chuan) 感器具有較大的金屬歐姆損耗，造成共振帶寬較寬，進而使得傳(chuan) 感靈敏度和品質因子均不高。

為(wei) 解決(jue) 這一技術挑戰，科研工作者之前采用增強金屬表麵電場的方式，如引入金屬納米顆粒來誘導其與(yu) 金屬膜之間的強場耦合產(chan) 生局域表麵等離激元共振（LSPR）。但是進一步提高LSPR傳(chuan) 感器的性能需設計高質量的二維等離激元納米結構，成本很高，且改善效果不理想。如何進一步減小光學傳(chuan) 感器的尺寸，提高傳(chuan) 感性能，是該領域當前麵臨(lin) 的重要科學問題。

3. 創新研究

針對以上問題，研究人員結合光學BICs的獨特性質，提出了一種實現準BIC激光並將有源器件應用於(yu) 傳(chuan) 感的思路，大大提高了傳(chuan) 感器件的靈敏度和品質因子。具體(ti) 結構設計如圖1所示。結構上下層為(wei) 對稱分布的Si3N4光柵，構成HCG諧振腔。中間層為(wei) 摻有有機R6G染料分子的單層SiO2。這樣，整體(ti) 上構成一種“三明治”結構。

圖1 器件具體(ti) 結構示意圖

研究人員首先對未加入有機增益的耗散結構進行了係統研究。在光柵寬度T = 230 nm，占空比F = 0.5，周期Λ = 530 nm的條件下，通過改變光柵厚度我們(men) 可以看到反射譜在特定的位置出現了不連續的現象（圖2a）。通過角譜分析，我們(men) 發現該結構中存在多種BIC：對稱保護型BIC，偶然型BIC以及法布裏-珀羅型BIC。圖2a中“斷點”對應圖2b中Γ點處模式2。此外，結合（x, z）平麵電場分布，可以發現大部分能量束縛在由光柵組成的諧振腔內(nei) ，進而可以判斷模式2為(wei) FP-BIC。對於(yu) 其機理可以理解為(wei) 耦合到單個(ge) 輻射通道的模式在沒有其他損耗的情況下，由於(yu) 直接傳(chuan) 輸和共振輻射會(hui) 相互相幹相消，進而在諧振頻率附近產(chan) 生反射。兩(liang) 個(ge) 同樣的結構就可以組成一對高反射鏡，進而形成一個(ge) 法布裏-珀羅型微腔。通過調整高反鏡之間的距離可以使反射波往返的相移為(wei) 2π的整數倍，這樣就可以促使法布裏-珀羅型BIC 模式的形成。

圖2 耗散結構表征結果

在模式2理想BIC的基礎上，通過改變SiO2厚度獲得準BIC模式。並通過摻入有機增益補償(chang) 結構內(nei) 在損耗，實現了準BIC模式的激發，形成了BIC激光。圖3為(wei) 激光激射表征結果。輸出能量在閾值之上突然和泵浦能量呈線性增長以及光譜線寬的急劇變窄都體(ti) 現了激光的激射行為(wei) 。

圖3 激光激射表征結果

4. 應用與(yu) 展望

通過改變器件所處的環境折射率，研究人員進一步對器件的氣敏傳(chuan) 感特性進行了研究。結果表明器件對環境的改變有著靈敏的響應，當環境折射率改變量僅(jin) 為(wei) 0.0005時，器件的響應光譜峰位就有著很明顯的移動（圖4a），達到現實普通光譜儀(yi) 的測量範圍。此外，光譜峰位的移動量和折射率改變量呈線性關(guan) 係（圖4b），表明該有源器件對氣體(ti) 環境有著良好的檢測功能。由於(yu) BIC激光具有非常窄的線寬，計算得到器件傳(chuan) 感靈敏度為(wei) 221 nm/RIU，品質因子高達4420 RIU-1。該指標高出先前報道的無源傳(chuan) 感器品質因子一個(ge) 量級，充分說明該準BIC激光器件在危險氣體(ti) 檢測方麵具有很強的實用價(jia) 值。

圖4 傳(chuan) 感性能表征結果

該研究成果以“Quasi-BIC laser enabled by high-contrast grating resonator for gas detection”為(wei) 題在線發表在Nanophotonics。

本文第一作者是電子信息學院2019級碩士研究生張浩然同學，電子信息學院王濤副教授、王高峰教授以及浙江大學陳紅勝教授為(wei) 通訊作者。來自南洋理工大學的田靜逸博士，墨西哥蒙特雷科技大學的Israel De Leon教授、中科院寧波材料研究所的Remo Proietti Zaccaria教授，浙江大學高飛、林曉教授以及工程中心彭亮教授、李紹限老師參與(yu) 了本項工作。該項目得到了國家自然科學基金以及浙江省自然科學基金的支持。