《Light-Science & Applications》：Harnessing optical bound states in the continuum for ultrafast, reconfigurable, long-range photonic networks
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本刊推荐：针对大规模光子网络因传统倏逝耦合的短程性而难以实现可重构互联的瓶颈，Tang团队与Crotti团队分别从空间编程与超快调控两个维度开展了基于光学连续体束缚态(BIC)的研究。研究表明，BIC超表面可通过光学写入实现微激光节点的二维可编程耦合，同时飞秒脉冲诱导的对称破缺可实现皮秒级准BIC共振切换。这两项突破为软件定义光子背板及量子光互联提供了全新解决方案。
在光计算和量子技术蓬勃发展的今天，大规模可重构光子电路被视为核心目标。虽然单个微纳光子器件已实现卓越性能，但构建大规模网络却面临根本性挑战：传统倏逝耦合将腔间相互作用限制在亚波长范围。以往通过ε-近零介质、双曲超材料等方案扩展作用距离时，往往遭遇作用距离与强度之间的权衡困境。波导总线虽能长距离传光，但本质上是一维互联且需要严格的光谱匹配，极大限制了可重构性和扩展性。
在这一背景下，光学连续体束缚态(Bound States in the Continuum, BIC)这一嵌入连续辐射谱中的非辐射模式，为解决这一难题提供了独特思路。BIC平台支持超高Q值共振，具备动量空间拓扑控制能力，已成功用于低阈值微激光器，但以往研究多集中于孤立结构。最近发表于《Light: Science & Applications》的两项突破性研究，分别从空间编程和时间控制两个维度，展现了BIC在构建超快、可重构、长程光子网络方面的巨大潜力。
哈尔滨工业大学（深圳）宋清海教授团队的研究表明，在支持BIC的超表面上任意位置聚焦泵浦光点，无需光刻修改即可写入准BIC微激光节点。在有限尺寸泵浦下，原本离域的BIC会因空间限制局部转变为高品质因数的准BIC，在照射区域产生激光。由于非辐射BIC模式遍布整个超表面，空间分离的节点通过这一共享通道实现本征耦合，突破了传统的作用距离-强度权衡。所有节点以晶格决定的相同波长激射，确保网络光谱均匀性。由此，二维耦合图由泵浦图案而非固定路由定义，相互作用距离从近场扩展至数十微米，并可探索非厄米激光物理现象。
米兰理工大学Giulia Crotti团队的补充研究引入了通过瞬态光学对称破缺对BIC衍生共振进行时间控制的机制。他们的理论提案显示，飞秒脉冲激发对称半导体超表面可诱导空间不均匀的热载流子分布，打破保护BIC的面内对称性，从而在亚皮秒时间尺度上开启准BIC共振。由于通过载流子扩散的对称性恢复远快于全载流子复合，共振切换速度可超越传统热光或自由载流子调制。重要的是该方法无需预制几何不对称性。
关键技术方法包括：利用BIC超表面作为共享非辐射通道实现长程耦合；通过有限尺寸光学泵浦在任意位置写入准BIC微激光节点；采用飞秒脉冲诱导瞬态光学对称破缺实现超快共振切换；基于动量空间拓扑控制实现共振模式调控。
空间可编程耦合机制研究显示，通过光学写入准BIC微激光节点，利用扩展的BIC模式作为共享通道，实现了二维可编程光子耦合网络，突破了传统光子耦合的距离限制。超快控制机制研究表明，通过飞秒脉冲激发诱导瞬态对称破缺，可在亚皮秒时间尺度切换准BIC共振，为超快光子调控提供了新途径。
综合而言，BIC介导的时空可编程性有望支持软件定义光学背板。对于光子和人工智能计算，提供光学可寻址节点间长程、光谱均匀耦合的超表面，可作为矩阵运算的可重构权重结构，而飞秒级对称破缺和增益定时可能实现权重和连接性的实时更新。同时，将BIC背板与拓扑光子学结合可能实现长距离且抗干扰的传输，在非厄米区域运行可增强可编程传感的灵敏度。量子光子学也可受益于BIC通道作为远距离发射器间确定性耦合的低损耗总线。实现这些可能性需要跨材料、控制电子学和算法-硬件堆栈的协同设计，结合逆向设计和机器学习辅助的光子组件。随着持续进展，BIC平台有望将单个谐振器的卓越性能与超快、可重构、长程光子系统的大规模连接完美结合。
