基于连续体束缚态机制的硼烯超材料动态可调相干完美吸收研究

《Advanced Photonics Research》：Dynamically Tunable Coherent Perfect Absorption Based on Bound States in the Continuum in Borophene Metamaterials

本文提出了一种基于对称保护连续体束缚态（BIC）机制的硼烯超材料，在近红外波段实现了具有双吸收峰的宽带相干完美吸收（CPA）。通过耦合模理论（CMT）分析结合近场与远场耦合效应，结构参数优化使双吸收带同步达到强临界耦合状态。得益于深亚波长周期结构的平带特性诱导的弱角度色散，该系统在广角入射（60°以内）下表现出高稳定的吸收效率与谐振波长。在相干光束激发下，系统不仅实现CPA态，还能通过调控光束间相位差实现吸收开关功能。值得注意的是，动态载流子密度调制显著拓宽了CPA工作带宽，有效克服了传统CPA系统的窄带限制。本研究为推进多功能可调谐吸收器与全光控器件建立了新颖的理论框架与实现策略。

　　

引言

近年来，动态可调吸收系统在集成光电子学中展现出显著应用潜力，涵盖光学调制器、传感器、通信与成像技术等领域。传统吸收器如金属-绝缘体-金属（MIM）多层结构吸收器和谐振腔吸收器虽能通过电磁共振增强吸收，但需精确调控结构参数以优化性能，存在设计复杂与成本高的局限。基于相变材料（如VO₂和InSb）的吸收器可通过调制费米能级或温度实现高效吸收，但仍面临调制范围有限等问题。硼烯作为一种新兴二维材料，因其独特的电子结构和可调光学特性受到广泛关注。相较于石墨烯、黑磷和过渡金属硫化物（TMDs）等传统二维材料，硼烯表现出更强的各向异性和更高的载流子密度（约10¹⁹ m^?2），在局域场增强和光-物质相互作用调控方面具有显著优势。然而，如何充分利用其动态可调性以实现高效光学吸收与调控仍是当前研究的关键挑战。

连续体束缚态（BIC）是开放系统中存在的一类独特共振态，最初在量子力学领域提出。由于其理论上无限大的品质因子和卓越的场局域能力，BIC为增强光-物质相互作用和提高吸收效率提供了新途径。BIC的形成依赖于超表面结构中的对称性破缺或参数调谐，前者称为对称保护BIC，后者称为参数调谐BIC。通过对称性破缺，BIC可转换为准BIC模式，在保持高品质因子的同时实现光学场的局域增强，在传感、非线性光学和激光器等应用中展示出巨大潜力。

除BIC外，相干完美吸收（CPA）是光吸收领域的另一重要现象。CPA被视为激光发射的时间反演过程，指当多束相干光以特定相位和振幅入射时，系统内发生完全相消干涉，导致入射光被完全吸收。CPA的实现通常依赖于临界耦合条件。在非简并情况下，单端口激发时吸收最高可达0.5，而双端口相干光源激发下可实现CPA。尽管CPA具有高吸收效率和灵活可调性，但其应用仍受限于窄工作带宽。

本文提出了一种基于硼烯超材料的对称保护BIC机制，在近红外波段成功实现了具有双吸收峰的宽带CPA。

设计与仿真

研究提出了一种硼烯超材料，其单元结构由嵌入二氧化硅介质层中的双层硼烯纳米带组成，沿x轴周期性排列，沿y方向无限延伸。上下硼烯纳米带分别标记为硼烯1和硼烯2，载流子密度n₁ = n₂ = n = 4.3 × 10¹⁹ m^?2，二氧化硅折射率为1.6。结构参数设计为：上下条带宽度w = 56 nm，间距h = 8 nm，双层硼烯中心间距D = 6 nm，周期P = 320 nm。单层硼烯被建模为表面电导率，其电导率由Drude公式描述。

电磁仿真采用Lumerical FDTD软件进行。仿真中，横磁波垂直照射系统，温度设置为300 K，时间30,000 fs。z方向应用完美匹配层（PML）边界条件，x方向采用周期性边界条件。x和z方向的最大网格步长分别设置为Δx = 0.5 nm和Δz = 1 nm。系统吸收率计算公式为A = 1 ? T ? R，其中T和R分别代表透射率和反射率。

仿真与讨论

电磁吸收特性对几何结构参数具有强依赖性。首先研究了双层硼烯中心间距D对系统吸收特性的影响。吸收谱随D的演化在1770 nm波长附近表现出明显的反交叉行为，在D = 0 nm处形成不可观测的对称保护BIC。在垂直入射条件下，沿x轴的线偏振光直接激发硼烯等离子体共振（BPR）模式。随着D增大，BPR模式主导的左峰发生蓝移，而准BIC模式主导的右峰发生红移；同时左峰线宽逐渐变窄，右峰线宽展宽。在D = 0 nm时，系统在近红外区域呈现吸收峰为0.45，电场能量主要集中在硼烯1和硼烯2的两侧。在此对称配置下，系统保持镜面对称，同时支持对称模式（如BPR）和反对称模式（如对称保护BIC）。由于对称保护，这些模式保持解耦，反对称模式维持完美束缚态。当D发生微小变化时，横向位移打破镜面对称，将BIC转换为准BIC态。在D = 6 nm时，BPR模式与准BIC强耦合，在光谱中产生两个吸收效率均为0.5的吸收峰。左峰的电场主要集中在硼烯1的右侧、硼烯2的左侧以及硼烯层之间的玻璃区域；右峰的电场由硼烯1的左侧、硼烯2的右侧以及硼烯层间的玻璃贡献。这种新颖配置不仅增加了吸收通道数量，还显著提升了整体吸收效率。

为阐明BPR模式与准BIC之间的耦合机制，采用耦合模理论（CMT）进行分析。将这两种模式视为两个谐振器，其动力学相互作用由耦合微分方程描述。CMT拟合结果与FDTD仿真高度一致，验证了数值模型。当D = 0 nm时，对称模式与反对称模式之间无耦合，耦合系数κ ≈ 0，同时反对称模式的辐射损耗γ_e2也近乎为零，体现了对称保护BIC的特征。随着D增大，结构对称性逐渐破缺，耦合系数κ逐渐增加，能量耦合效应增强。在D = 6 nm时，辐射损耗与非辐射损耗达到平衡，κ取得最大值。因此，后续研究主要基于此高吸收状态进行。

进一步研究了入射角和偏振态对系统吸收的影响。在TM偏振照明（偏振角为0°）下，器件在60°的广角范围内保持高吸收和谐振波长稳定性。这种吸收对入射光不敏感的现象主要源于深亚波长周期结构的平带特性诱导的弱角度色散效应，使得系统本征频率ω₁₍₂₎对入射角变化不敏感。利用这一特性可显著增强器件在复杂光学环境中的适应性和实际应用价值。值得注意的是，系统在通过入射光偏振角动态调谐时表现出优异的振幅调制能力。谐振频率不受偏振角变化影响，系统在偏振角达30°时仍保持高吸收。当入射光偏振角为90°时，弱光-超表面相互作用阻止能量有效耦合到超表面模式，导致吸收近乎为零。系统振幅的调制深度（MD）可达100%，适用于双频同步光学开关、光学调制器和光学逻辑门。

以上研究主要关注单端口照明下的超表面特性，但该配置在实际应用中存在固有局限——无非简并模式时，单端口激发的最大吸收率基本限制在0.5。为提高系统吸收，进一步研究了CPA效应。采用两束强度相等（I₁ = I₂）且相位相干的反向传播光束照射超材料吸收器。输入与输出光束之间的关系通过散射矩阵理论解释。当散射矩阵的行列式det(S) = 0时，入射光场与超表面实现完美匹配，所有入射光子局域于亚波长结构内，实现零反射/透射的完美吸收态。选择输入强度|s₁⁺|² = |s₂⁺|² = 1且相位差为零的两束相干光激发系统，仿真结果显示在谐振波长（λ₁ = 1603 nm, λ₂ = 1821 nm）处总输出强度几乎为零，吸收率提升至1。当两束相干光之间的相位差从0变化到4π时，系统吸收呈现连续调制。同相激发时，反射通道r₁, r₂的相消干涉实现完全反射抑制，通过能量高效转移至硼烯-SiO₂界面实现近1的光吸收。反相入射时，两束光相互干涉使反射光增强，系统转变为相干完美透射（CPT）态，吸收近乎为零。因此，通过动态调谐双端口相干照明的相对相位，器件实现了从近0到1的连续吸收调制，超越了结构参数依赖调谐的传统限制，为开发先进光电子器件建立了新范式。

CPA的动态可调性促使进一步研究硼烯载流子密度对CPA器件性能的影响。理论上，硼烯的载流子密度可通过静电门控和化学掺杂方法调制。当同时改变硼烯1和硼烯2的载流子密度时，吸收谱显示随着载流子密度增加，等离子体有效电子浓度增加导致双峰均发生蓝移。当载流子密度在n = 2.5 × 10¹⁹ m^?2至n = 6.8 × 10¹⁹ m^?2范围内调节时，左峰和右峰吸收可在约800 nm和600 nm的宽光谱范围内实现，且均高于0.95，表明器件可通过调制载流子密度实现高吸收宽带调制，克服了传统超表面动态调制中的吸收降低问题。同时，在D = 0 nm时，将载流子密度调至n₁ = 1.3 × 10¹⁹ m^?2和n₂ = 8 × 10¹⁹ m^?2可在通信波长范围内实现窄带完美吸收。因此，该器件通过动态载流子密度调制显著拓宽了CPA工作带宽，克服了传统CPA系统的固有窄带限制，为动态可调CPA器件建立了范式。

结论

本研究提出了一种基于硼烯超材料的对称保护BIC机制，成功在近红外波段实现了具有双吸收峰的宽带CPA。该超材料由嵌入二氧化硅介质层中的硼烯纳米带构成，可同时支持BPR模式和对称保护准BIC。通过优化结构参数，双吸收带可同步达到强临界耦合状态。在斜入射下，所提出器件表现出广角（60°以内）高吸收和谐振波长稳定的特性。基于BPR和准BIC的强临界耦合，在双束相干光激发下，系统不仅可实现CPA态，还能通过调节光束间相位差实现吸收开关功能。进一步研究表明，通过调制载流子密度可显著拓宽CPA工作带宽，克服传统CPA器件的窄工作带宽限制。本工作可为多功能可调谐吸收器设计和全光控器件发展提供理论支持，同时为光吸收应用提供新视角。

致谢

本工作得到湖南省自然科学基金、湖南省教育厅科学研究基金和国家自然科学基金的资助。

利益冲突

作者声明无利益冲突。