波导耦合光栅错位下BIC-Fano双模动力学演化及其在光开关与位移传感中的应用

《Laser & Photonics Reviews》：Dynamical Evolution of BIC-Fano Dual Modes under Misalignment of Two Waveguide-Coupled Gratings

本文报道了一种创新的波导耦合双光栅结构，通过精确调控结构参数或光栅错位（misalignment），实现了连续谱中束缚态（BIC）与Fano共振的独特双模相互作用。研究发现该结构能产生准BIC（QBIC）与Fano共振峰的动态融合与分裂，形成具有无限品质因子（Q）的退化双模，为光开关和增强光-物质相互作用提供了新思路。特别地，该双模结构能高效耦合平面波导，并实现pm级超高分辨率位移传感。

　　

引言

高Q因子共振模式是构建全介质功能器件的关键因素。Fano共振作为一种具有尖锐不对称线型的散射共振现象，与连续谱中束缚态（BIC）共同构成了调控Q因子的重要物理机制。传统单层光栅或BIC/Fano系统一旦制备便难以重构，而双层光栅或光子晶体通过引入扭转角、面内位移和层间距等自由度，为BIC的动态调控提供了新途径。

模型与模式分析

研究设计了一种由相同周期的双层光栅和波导层组成的复合结构，通过严格耦合波分析（RCWA）和COMSOL仿真揭示了独特的BIC-Fano双模特性。当填充分数f=50%时，两个模式在k_x=0处简并，分别对应奇对称（BIC）和偶对称（共振态）模式场分布。远场偏振分析显示，BIC对应的偏振矢量在Γ点出现空缺，而共振态则呈现完整矢量，证实了二者的本质差异。

QBIC与Fano共振的融合与分裂

通过调控光栅错位量d，研究发现：

1）当f=50%时，双模频率几乎不随d变化，但在d=0.5a处发生Q因子反转；

2）传输谱显示QBIC峰可嵌入常规Fano线内，形成特殊的双重Fano共振态；

3）当f=30%和70%时，双模在d=0.25a和0.75a处发生频率反转，伴随BIC与共振态的相互转化。

这种动态演化可通过时域耦合模理论（TCMT）完美解释。

增强波导耦合效率

基于简并双模的特殊性质，研究构建了有限周期结构模型：

1）在f=50%、N=100时获得最大耦合效率E_f=0.785；

2）双模同时具备BIC的高Q特性和共振态的耦合通道；

3）双向入射仿真显示，在15.147THz处波导内能流密度达到峰值；

4）材料损耗和3%的制备误差对性能影响可忽略。

位移传感应用

利用BIC-Fano双模的极端敏感性，研究开发了新型位移传感器：

1）在QBIC峰频率处，0-160nm位移范围内灵敏度达4.35nm^-1，分辨率达9.282pm；

2）在Fano共振谷处，0-800nm范围内分辨率仍保持44.8pm；

3）性能远超传统光纤布拉格光栅（FBG）和法布里-珀罗干涉仪（FPI）传感器。

这种将位移直接编码为光栅错位的设计极大简化了制备工艺。

结论

该研究通过创新的波导耦合双光栅结构，实现了BIC与Fano共振的协同调控，不仅为动态光学调控提供了新范式，更在波导耦合和超精密传感等领域展现出重要应用价值。特别是简并双模兼具无限Q因子和外部耦合通道的特性，突破了传统BIC应用的局限性。