双层莫尔光子晶体中平带色散的精准调控及其在电信波段的应用

这篇研究通过实验和数值模拟揭示了双层莫尔光子晶体中平带色散的调控机制。研究者通过精确控制光子晶体的填充因子（filling factor）调节层内耦合强度，同时保持层间耦合恒定，利用角度分辨反射率测量和严格耦合波分析（RCWA）首次在硅基莫尔超晶格中实现了电信波段（1.2 μm）的平带色散，带宽低至2 meV（Δ/E0≈1:500）。该工作为集成光子学和光学传感中的强关联现象研究提供了新平台。

　　

引言：平带物理与莫尔工程

平带作为周期性介质中无色散的能量带，以其宏观简并性和抑制传输的特性成为研究强关联量子现象的理想平台。光子晶体平台近年通过利布（Lieb）和笼目（Kagome）晶格实现了平带，但局部平带难以覆盖整个布里渊区。受魔角双层石墨烯启发，莫尔工程通过层间耦合与层内耦合的竞争机制，为全局平带实现提供了新思路。

莫尔结构中平带的涌现

研究团队设计了一维硅基双层莫尔光子晶体，下层为晶硅（c-Si）/二氧化硅（SiO₂）光栅（a₂=342 nm），上层为非晶硅（a-Si）/空气光栅（a₁=317 nm），通过超晶格周期Λ=Na₂=(N+1)a₁（N=13）形成AA和AB堆叠区域。RCWA模拟显示，当填充因子f=0.7时，层内耦合U_1,2与层间耦合V达到平衡，磁场强度|H_y|²在AB位点出现强局域，带宽Δ降至4J（J为超胞间隧穿率），实现平带（Γ点Q因子≈250）。

制备与表征技术突破

采用双步电子束光刻和溶胶-凝胶法平面化工艺，在SOI衬底上制备了间隔L=80 nm（<>₀=330 nm）的双层结构。原子力显微镜（AFM）显示平面化后表面起伏仅6 nm，莫尔周期Λ≈4 μm与理论吻合。角度分辨反射谱测量发现，当f从0.53增至0.72时，1.1 eV处孤立莫尔带带宽从15 meV压缩至2 meV，与RCWA模拟误差<5%。

应用前景与展望

该平台可通过引入III-V族半导体增益介质实现莫尔激光腔，其平带对填充因子的敏感性（Δf≈0.02）为气体/液体传感提供了宽角度探测方案。未来结合扭曲二维光子晶体，有望在拓扑光子学（如陈绝缘体）和量子光源领域开辟新路径。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论，未添加主观推断）