利用结构无序打造全角域高Q准束缚平带：开启宽角光子器件新范式

《Nature Communications》：Quasi-bound flat bands in the continuum

传统准BIC受限于窄动量窗口且对工艺缺陷极敏感。Qin等提出“准束缚平带（quasi-BFIC）”概念，在1D硅基PhC超胞内引入镜面对称无序，使全k空间Bloch模式皆呈准BIC行为，实验获得~8000的角不变Q值，为宽角高Q激光与传感提供新思路。

　　

论文解读

“把光牢牢锁进芯片”是纳米光子学的终极梦想之一。传统高Q共振依赖高品质因子束缚态在 continuum（BIC），却像挑剔的舞伴——只在特定入射角起舞，稍有偏离便泄光失谐；工艺粗糙更让它“碎一地”。能否让芯片上的光场既长寿又“佛系”，对任意角度都来者不拒？北京理工大学张向东团队与复旦大学石磊组合作，在《Nature Communications》给出惊喜答案：请“无序”出山，反而能让全角域同时享受准BIC级超高Q值。

研究缘起
2013 年 Hsu 等首次实验演示二维光子晶体板 BIC，掀起高Q器件热潮。然而准BIC 的 Q 值随动量偏移急剧下滑，且受限于工艺缺陷，实用场景“见光死”。后续“合并BIC”“moiré BIC”等策略只能局部拓宽 k 空间窗口。作者追问：能否让“整个能带”都变成准BIC？即每条Bloch模式均具有低辐射损耗，实现所谓“准束缚平带 in the continuum”（quasi-BFIC）。

关键技术路线

1. 镜面对称超胞无序设计：13 个周期组成超胞，每对对称柱宽在 [W–δ, W+δ] 随机扰动，但保持整体周期排布。
2. 全矢量有限元频域计算（COMSOL）：提取 TE-like 能带、Q 因子与动量空间拓扑电荷。
3. 空间-频域傅里叶映射：定义 u(k_{) 系数，定位辐射区零振幅点即拓扑电荷。}
4. 统计系综蒙特卡洛：800 组随机结构，锁定最优 δ/W = 0.15 使高Q平带出现概率最大。
5. 电子束光刻+ HBr 等离子体刻蚀制备 500×500 μm ^{样品，PMMA 覆盖实现折射率对称环境。}
6. 自搭建角分辨透射谱与等频散射成像：获取 ?40°–40° 角域透射缺带及 1510–1520 nm 等频轮廓，并用洛伦兹拟合提取 Q。

主要结果

理论框架：无序如何“平地起高Q”

• 镜面对称无序诱导带折叠，使目标 TE 带与其他带隔离；同时局域本征模呈高斯包络 e^sin(k_x)。
• 动量空间出现多组拓扑电荷（α,β,γ,δ），其极化奇点抑制相邻 k 向量辐射，遂令整条平带 u(k_{) 在光锥上保持极低振幅。}
• α 由无序强度 δ/W 控制；过弱则去局域，过强则辐射外泄，δ/W = 0.15 成最优平衡。

实验验证：缺带即证据

• 角分辨透射谱显示 1520 nm 附近整条平带“消失”，与模拟缺带一致；这是准BIC 的典型实验指纹。
• 等频散射成像捕捉到平行等频线，波长从 1520 nm 减至 1510 nm 时线距增大，与计算能面高度吻合。
• 选取 1515 nm 中共 4 个入射角（18.3°–47.4°）记录散射谱，洛伦兹拟合给出 Q ≈ 8000，且随角度几乎不变，远优于传统 BIC 仅 2° 窗口便跌至 10 ^的尴尬。

结论与展望
文章首次揭示“结构无序”可成为增强光子BIC 性能的利器，而非传统观念中的破坏者；通过镜面对称超胞随机化，即可在完整动量空间内生成 Q ≈ 10 ^{级的准束缚平带。该策略无需复杂多层对准或多BIC 合并，可直接兼容现有硅基CMOS工艺，为宽角高Q激光器、超灵敏生物传感及非线性光学频率转换等提供通用平台。作者亦指出，quasi-BFIC 概念可推广至声子、极化激元及二维材料激子体系，为“无序工程”打开一条逆向设计的新思路。}