徐政基团队OpticsLetters发表双波段非互易超表面研究

近期，中山大学微电子科学与技术学院徐政基副教授团队在《Optics Letters》上发表了题为“基于独立可调非线性双连续域束缚态的被动非互易超表面”的研究。该研究首次提出利用双非对称周期光栅结构的超表面，实现了在两个波长附近的非互易传输和光学双稳态。通过引入面内和面外的不对称性，研究团队成功调节了准BIC的辐射线宽和入射平面波的耦合，拓展了非互易器件的应用领域，为光学非互易机制的基础研究和电磁信息传输与控制提供了新思路。

近期，中山大学微电子科学与技术学院的徐政基副教授领导的团队在《Optics Letters》上发表了题为“基于独立可调非线性双连续域束缚态的被动非互易超表面”的研究成果。该论文的第一作者是2024级研究生范烨，通讯作者为徐政基副教授。

光的非互易性指的是光在介质中向前和向后传播的特性存在差异。基于麦克斯韦方程组的线性性质，洛伦兹互易定理表明，在通常情况下，光场表现出互易性。即使两组源的位置互换，源与场之间的相互作用以及场之间的相互作用保持不变。因此，打破洛伦兹互易定理是实现非互易性的关键挑战。

一种打破洛伦兹互易定理的方法是利用光学非线性效应。在强光场下，材料的非线性响应会导致折射率显著变化，这可以用于设计在特定光强或波长下具有非互易效应的光学器件。通过引入高品质因子的光学谐振，可以增强材料的非线性效应，从而实现非互易性并降低所需的光强度。然而，现有研究仅限于狭窄的单波长范围，限制了多波长通信的应用。

本研究提出了基于双非对称周期光栅结构的超表面，利用其产生的对称保护的双连续域束缚态（Bound States in the Continuum, BIC），实现了在两个波长附近的非互易传输和光学双稳态。本研究还引入了面内和面外的不对称性。面内的不对称性用于调节准BIC的辐射线宽，而面外的不对称性使入射平面波在正反两个方向与超表面产生不对称耦合。此外，研究还探讨了器件的最小插入损耗和非互易强度范围之间的限制及界限，并解释了如何接近和达到这些界限。该研究拓展了非互易器件的应用领域，为非互易器件的设计提供了新思路。

图1展示了超表面的结构和线性条件下的谐振特性。可以观察到两个BIC模式，对应的电场分别被束缚在空气间隙和光栅条对应的夹层锗膜中。这两个BIC分别由空气间隙和光栅条的对称性引起，通过调整空气间隙和光栅条的宽度破坏对称性，可以独立操纵两个准BIC模式。

图2展示了在Kerr效应影响下超表面的非互易特性。锗材料在z方向上的不对称性使得两个端口分别激发产生不对称响应，导致在一定强度范围内，两个方向上的透射传输表现出非互易性。通过对不同厚度的锗进行仿真，并结合理论分析，得到了非互易强度范围和最大前向透过率之间的限制。

图3展示了面外不对称性导致的对于两个方向激发产生不同程度的共振频率偏移，以及在所限制边界处的非互易传输。通过调整入射强度，使得前向传输透射峰的最大值和后向传输透射峰的最小值在同一波长处对齐，此时对应的波长处展示了这一结构下最大前向透过率和非互易强度范围关系的不等式边界。

图4展示了非线性导致的光学双稳态。在两个非互易波长分别进行入射功率增加和减少扫描，获得了强度相关的透射率。由于三阶非线性的存在，光强变化时会产生正反馈机制，对于同一个入射强度，系统存在两个稳定的状态。

通过创新性的超表面结构设计，本研究实现了基于连续域束缚态的双波长非互易传输，不仅推动了光学非互易机制的基础研究，还展示了超构表面在电磁信息传输与控制领域的重要潜力。该技术在保护高功率激光器、为模拟计算引导非互易信号方面具有重要应用价值，为现代激光与通信系统的小型化、集成化发展提供了有力支撑。

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